60度角鋼和三角形斷面鐵塔的力學(xué)特性及其工程應(yīng)用研究.pdf

1、三角形鐵塔是具有三個支撐基礎(chǔ)，其整體平行于地面的橫截面呈三角形的鐵塔。目前我國高壓電輸送均采用四邊形鐵塔，相比于四邊形鐵塔，60度角鋼的三角形鐵塔具有抗載荷能力強(qiáng)、約束應(yīng)力小、溫度應(yīng)力小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、風(fēng)阻小、占地面積小、材料潛力能夠充分發(fā)揮等極為重要的優(yōu)點(diǎn)，但是60度角鋼的三角形鐵塔在工程中的應(yīng)用卻很少見。到目前為止，人們還沒有對60度角鋼和三角形斷面鐵塔的力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)的理論分析、數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測量研究。本文開展60度角鋼和三角形斷面

2、鐵塔的力學(xué)特性研究，將三角形斷面鐵塔的研究成果應(yīng)用于輸電鐵塔和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架工程中，解決三角形斷面鐵塔作為輸電鐵塔和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架時所遇到的若干關(guān)鍵力學(xué)問題，是一項(xiàng)既有理論創(chuàng)新意義又有實(shí)用價值的研究課題。
　　對于60度角鋼的整體失穩(wěn)問題，采用薄壁構(gòu)件扭轉(zhuǎn)的穩(wěn)定理論，考慮角鋼的彎曲失穩(wěn)和彎扭失穩(wěn)，給出了60度角鋼臨界屈曲荷載的表達(dá)式；對于60度角鋼的局部穩(wěn)定受力性能，采用瑞利-里茲法計(jì)算得到的臨界荷載與有限元數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對

3、比分析，給出了軸心受壓狀態(tài)下60度角鋼構(gòu)件嵌固系數(shù)的參考取值；根據(jù)“等穩(wěn)定”準(zhǔn)則推導(dǎo)出適合于60度角鋼肢件寬厚比限值的計(jì)算表達(dá)式，并與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《美國導(dǎo)則》和《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》的相應(yīng)設(shè)計(jì)方法和計(jì)算公式進(jìn)行了對比分析。
　　建立60度角鋼的三角形塔單元格模型和直角角鋼的四邊形塔單元格模型，推導(dǎo)了三角形塔單元格和四邊形塔單元格在軸力、剪力、彎矩、扭矩作用下，主材、斜材、橫材的軸力表達(dá)式；推導(dǎo)了在彎矩作用下單

4、元格的位移表達(dá)式；推導(dǎo)了在扭矩作用下單元格的扭轉(zhuǎn)角表達(dá)式；研究了鐵塔單元格對鐵塔主材、斜材、橫材軸力的影響；給出了三角形鐵塔和四邊形鐵塔的整體剛度和穩(wěn)定性計(jì)算表達(dá)式，研究了三角形鐵塔和四邊形鐵塔的優(yōu)化方法，計(jì)算了三角形鐵塔的最佳根開和層高，編制了相應(yīng)的計(jì)算軟件；建立了三角形鐵塔雙支撐桿的主材或斜材橫向位移稍大時的失穩(wěn)模式，尋找出雙支撐桿的兩種失穩(wěn)模式（模式I和模式 II）與結(jié)構(gòu)尺寸、主材或斜材橫向位移的關(guān)系，給出兩種失穩(wěn)模式間的轉(zhuǎn)換臨界

5、值，該值的準(zhǔn)確性得到了試驗(yàn)的驗(yàn)證。
　　為了驗(yàn)證60度角鋼和三角形斷面鐵塔的力學(xué)特性，本文從數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測量兩方面開展了大量研究工作。
　　數(shù)值仿真方面：（1）利用有限元分析軟件ANSYS建立了有限元數(shù)值仿真模型，對兩肢夾角為60度的等邊角鋼進(jìn)行特征值屈曲分析，驗(yàn)證了60度角鋼臨界屈曲荷載和肢件寬厚比限值表達(dá)式的正確性；（2）建立了60度角鋼的三角形鐵塔有限元模型和直角角鋼的四邊形鐵塔有限元模型，對模型進(jìn)行了幾何非線性計(jì)算

6、和特征值屈曲分析，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，也很好的驗(yàn)證了理論表達(dá)式；（3）分別取呼高為18m雙回路直線和18m單回路轉(zhuǎn)角塔為研究對象，根據(jù)每種鐵塔在各種工況下產(chǎn)生的彎矩和扭矩，編制了Fortran計(jì)算程序，通過循環(huán)得到鐵塔各層主材和斜材在相應(yīng)工況下的最大彎矩和扭矩，找出對主材和斜材最不利的荷載工況。在設(shè)計(jì)三角形鐵塔時，取三角形鐵塔和四邊形鐵塔塔底根開、塔身斜率及層數(shù)、層高相同，在總耗材量相等的原則下，初步優(yōu)化得到三角形鐵塔各桿件

7、的尺寸。通過有限元分析計(jì)算，得到兩種塔型分別在最不利荷載工況下的主材和斜材的軸力，并且分析對比兩種塔型的最大應(yīng)力情況；（4）給出了三角形斷面風(fēng)電機(jī)組塔架的風(fēng)荷載計(jì)算方法；對于一給定風(fēng)力發(fā)電機(jī)型號，提出了三角形斷面風(fēng)電機(jī)組塔架的設(shè)計(jì)方案；采用熱點(diǎn)應(yīng)力法校核風(fēng)電機(jī)組塔架主材與斜材連接處、斜材與斜材連接處的疲進(jìn)強(qiáng)度。
　　實(shí)驗(yàn)測量方面：在室外試驗(yàn)基地開展了三角形斷面雙回路轉(zhuǎn)角塔和直線塔的真型試驗(yàn)。塔體主材的試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值大都一致，