基于ANSYS的输电铁塔抗风加固研究

基于ANSYS的输电铁塔抗风加固研究

刘树堂;熊国文;刘启华;李文斌;刘智勇

【摘要】为解决某些输电铁塔因设计时间较早或环境变化等原因已无法满足安全使用要求的问题,文章采用一种使用钢板和抱箍夹具的加固方法对铁塔主柱角钢加固,该方法无需对原塔材拆卸或打孔,且加固效果显著.采用有限元软件ANSYS建立其数值模型,与试验结果进行对比验证.研究该加固方法在某工程双回路直线塔中的加固效果,并对其进行参数分析,考察加固钢板的宽度、厚度、屈服强度及加固钢板与原主柱角钢间的初始间隙等因素对加固效果的影响.结果表明:加固钢板与主柱角钢间的初始间隙对加固效果的影响较为显著,且间隙值越大,承载能力越低.该加固方法施工简便、安全,能有效提升铁塔主柱角钢的极限承载力,可应用于输电铁塔的加固.

【期刊名称】《广州大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2017(016)002

【总页数】7页(P51-57)

【关键词】输电铁塔;抗风;加固方法;承载力

【作者】刘树堂;熊国文;刘启华;李文斌;刘智勇

【作者单位】广州大学土木工程学院,广东广州510006;广州大学土木工程学院,广东广州510006;广州大学土木工程学院,广东广州510006;广东省输变电工程公司,广东广州510160;广州电力设计院,广东广州510006

【正文语种】中文

【中图分类】TU391

随着环境变化，加上一些设计时间较早的输电铁塔最大设计风速偏低，许多陈旧铁塔经常发生倒塔事故，造成了极大的经济损失[1-2].研究发现，风灾是导致输电铁

塔倒塌主要原因[3-5].若重建新塔，不仅耗资过大，且需停电施工，实施难度非常大.因此，采取行之有效的加固方法对旧塔加固迫在眉睫.

目前，对于输电铁塔的加固，国内外的专家学者已有一些理论和试验研究，根据加固方式的不同，主要可分为构件加固和横隔加固.

在构件加固的研究方面，周文涛等[6]对采用组合角钢加固主材的加固方法进行了

试验研究，分析了连接位置、连接板形式及连接螺栓个数对加固后承载能力的影响.研究发现，采用相同规格的角钢以双螺栓连接进行加固时效果最好.韩军科等[7]提

出采用一字板连接副主材的加固方法，对5个模型塔架进行了试验研究.结果表明，该加固方法可有效提升整塔承载力.赵强等[8]针对某拉线门型塔提出采用新的角钢

替换原有薄弱杆件的加固补强方案.有限元分析和试验结果表明，加固后可满足要求.LU等[9-10]对采用螺栓和节点板连接辅助角钢的加固方法进行了试验和有限元模拟，分别研究了3个未加固铁塔、4组有预加载和无预加载加固铁塔的受力特性.研究表明，采用辅助角钢加固能有效分担主柱角钢承受的荷载，显著提升加固铁塔的承载能力.

在横隔加固的研究方面，ALBERMANI等[11]对增设横隔面后的输电塔子结构进行了试验研究和有限元分析.研究表明，增设横隔面能够有效提升铁塔的承载能力，

且该加固方法加强了铁塔刚度却没有过多增加其自重，还可改善铁塔的动力响应.

谢强等[12-13]对2组输电塔子结构进行了试验和有限元模拟，考察了增设横隔面对结构受力性能的影响.结果表明，横隔面可有效降低交叉斜撑的面外变形，增设

横隔面后输电塔子结构的极限承载力提高了18.3%.蔡熠[14]对某设计时间较早的

输电铁塔进行了有限元分析，研究了增设横隔面对其模态及极限风载下的内力与变

形的影响.研究表明，增设横隔面可有效提升铁塔结构强度.

目前的输电铁塔加固方法还存在一定的问题:①施工困难的问题，一些加固方法需

要对铁塔的原材料打孔或焊接，对于偏远地区由于施工用电存在困难，实施难度较大;②安全性的问题，还有一些加固方法需要对原铁塔的受力构件进行临时拆卸，

这将使铁塔塔材的内力发生重分布，令铁塔处于危险状态，是应该尽量避免的.

为了简单、安全和有效地对输电线路铁塔进行加固，日本学者KOMATSU[15]提

出了一种新型加固方法，该方法采用钢板、抱箍夹具和高强螺栓对铁塔主材进行加固，无需对原塔材拆卸或打孔且具有较好的加固效果，文献[15]对该方法进行了一些试验研究.本文基于有限元软件ANSYS对文献[15]试件进行了模拟，与文献[15]的试验结果对比验证其有效性.研究了该加固方法在某工程双回路直线塔中的加固

效果，通过参数分析考察了加固钢板的宽度、厚度、屈服强度及加固钢板与主柱角钢间的初始间隙等因素对加固效果的影响.研究表明,加固钢板的宽度和厚度的增加

对加固构件的极限承载力影响较小，加固钢板与角钢的初始间隙对加固构件极限承载力有明显影响，且初始间隙越大，承载力越低.

文献[15]提出的加固方案在输电铁塔中的安装示意图见图1,加固装置构造图见图2.该加固装置由3部分组成，分别为加固钢板、抱箍夹具和高强螺栓，抱箍夹具首

尾设有加劲肋.加固装置安装时，先将加固钢板的一侧与原主柱角钢的内圆弧处贴紧，再用2块半边式的夹具与加固钢板通过加固钢板上的预留孔用高强螺栓固定，最后在原主柱角钢的肢背处通过高强螺栓连接完成闭合，以保证加固钢板与原主材固定，使其共同受力.加固方式根据加固钢板的长度不同分为部分加固和完全加固

2种，见图3.

文献[15]各试件参数及其试验所得轴心受压稳定系数见表1，材料力学性能见表2. 本文采用分析软件ANSYS对构件进行有限元模拟.未加固构件模型由上下端板和

中间角钢组成.加固后构件模型即在未加固构件模型上添加加固钢板与抱箍夹具.抱

箍夹具主要起约束加固钢板作用，将其简化为环状.上下端板为刚性板，采用理想

线弹性模型，中间角钢、加固钢板及抱箍夹具的材料模型采用双线性随动强化模型，见图4.材料参数根据表2确定，泊松比取0.3.构件参数根据表1确定.

端板、角钢、加固钢板及抱箍夹具均采用实体建模.为考虑抱箍夹具、加固钢板及

角钢间的相互作用，选用软件中SOLID92单元进行模拟.SOLID92单元为四面体10节点三维实体单元，每个节点有3个自由度：节点X、Y和Z方向位移.该单元能够很好地划分为不规则网格，且具有较好的收敛性，适用于分析不规则结构.建

立构件有限元模型见图5.

为考虑加固装置和角钢、角钢和加固钢板间的相互作用，采用接触单元

TARGE170与CONTA174在抱箍夹具与角钢及角钢与加固钢板间建立接触对，

接触方式为面-面接触，摩擦系数取0.35.由于试件2端均为单刀口约束，故施加

约束如下：约束下端板中心点Y向位移、下端板中心线X、Z向位移和上端板中心点Y向位移、上端板中心线X方向位移，耦合上端板中心线上节点Z向自由度.

本文中构件的初始缺陷是通过初弯曲来考虑的.对于轴心受压构件，由于经过制作、加工、运输及安装等因素，导致其在受力前已产生一定的初弯曲[16].文献[17]的研究表明，初弯曲虽小，但对构件的轴压极限承载力影响较大，且长细比越大的构件其影响越大.故在建模过程中，构件考虑了1/1 000的初弯曲，假设其轴线形状为

正弦半波状[16].

在上端板的中心施加轴心荷载，采用弧长法进行非线性求解，提取角钢上表面形心点的竖向位移和下端板中心线上节点的Z向反力，得到构件加载全过程的荷载-位移曲线，荷载峰值即为构件的极限承载力.图6、图7分别为试件2-PartialA、3-Whole有限元模拟所得的构件破坏模态与文献[15]试验结果的对比，可以明显发

现2者变形完全一致，吻合很好.试件2-PartialA的屈曲位置均出现在加固钢板边缘附近角钢肢尖处，试件3-Whole的屈曲位置均出现在端部夹具角钢肢背处.