风载荷下避雷针塔静态受力分析

Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２０１５　河北电力技术　ＨＥＢＥＩ　ＥＬＥＣＴＲＩｃ　ＰｏＷＥＲ　第３４卷第１期　２０１５年２月　风载荷下避雷针塔静态受力分析　马　崇　，程　明　，陈韶瑜　，张兆凯　（１．国网天津市电力公司电力科学研究院，天津　３００３８４；２．天津大学材料科学与工程学院，天津　３０００７２）　摘要：针对长期服役的避雷针塔存在倾倒安全隐患问题，提出采用有限元分析法对避雷针塔进行静态受力分析，在分析过程　中采用实体单元进行建模，建模＿Ｔ－作在软件ｐｒｏ—ｅ中完成，并应用Ａｂａｑｕｓ对模型进行受力分析，计算结果表明该受力分析与　实际受力情况基本吻合。　关键词：避雷针塔；应力；模拟　中图分类号：ＴＨ１１２　文献标志码：Ｂ　文章编号：ｉ００１—９８９８（２０１５）Ｏ１—００５２　０３　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　Ｒｏｄ　Ｔｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　Ｗｉｎｄ　Ｌｏａｄｓ　Ｍａ　Ｃｈｏｎｇ　，Ｃｈｅｎｇ　Ｍｉｎｇ　，Ｃｈｅｎ　Ｓｈａｏｙｕ　，Ｚｈａｎｇ　Ｚｈａｏｋａｉ　（１．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｔａｔｅ　Ｇｒｉｄ　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００３８４，Ｃｈｉｎａ　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍ　ａｔ　ｔｈｅ　ｔｏｗｅｒ　Ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ　ｂｙ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｒｏｄ　ｈａｖｉｎｇ　ｉｎｃｌｉｎｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄｓ　ｕｓｉｎｇ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｍ—　ｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ　ｓｔａｔｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｓｏｌｉｄ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｗｏｒｋ　ｄｏｎｅ　ｉｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＰＲＯ　Ｅ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｂａｑｕｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｒｏｄ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｆｏｒｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎａｌｙ—　ｓｉｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｒｏｄ　ｔｏｗｅｒ；ｓｔｒｅｓｓ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　目前，某地电力公司有一批变电站避雷针塔　已经服役２０年，针对长期服役的避雷针塔存在倾　倒的安全隐患。变电站中的避雷针塔与母线或变　压器等设备距离较小，若发生倾倒事故，不仅造成　避雷针塔的损坏，更会波及其周边的电力设施，造　成重大设备缺陷或电网事故，产生巨大经济损失。　防止避雷针塔倾倒的有效方法是对长期服役　的避雷针塔进行更换，但是一座避雷针塔的更换　成本达百万元，而且目前该地区长期服役的避雷　针塔数量多达上千座，对其全部更换所产生的费　用数额巨大，盲目的更换更会造成资金资源的浪　费。因此，迫切需要对这些已经长期服役避雷针　塔进行安全性评估，确定是否可以继续服役。静　态受力分析是进行安全性评定的重要步骤，通过　部宽ｌ－１４　ｍ，从上至下分为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ　５段，每　段都有３根主材和若干根腹杆，腹杆与主材间采　用焊接连接。各段的腹杆和主材圆截面半径各　异。避雷针塔在服役过程中受风载荷和自重影　响，考虑到主材和腹杆之间连接部分的影响，在分　析过程中采用实体单元进行建模，建模工作在软　件ｐｒｏ—ｅ中完成。避雷针塔各段主材和腹杆直径　不相同，其各段模型及直径分别为：Ｅ段主材直径　２８　ｍｍ，腹杆直径２５　ｍｍ；Ｄ段主材直径２５　ｍｉｉ１，腹　杆直径２０　ｍｍ；Ｃ段主材直径２５　ｍｍ，腹杆直径１８　ｍｍ；Ｂ段主材直径２２　ｍｍ，腹杆直径１４　ｍｍ；Ａ段　主材直径１８　ｍｍ，腹杆直径１２　ｍｍ，针尖直径２２　ｍｍ。避雷针塔模型如图１。　应力分析可确定避雷针塔的受力最大部位和变形　最大部位，即易发生失效的危险点，之后可对危险　点进行相关材料性能试验，以确定其性能是否发　生变化。以下以常见避雷针塔为例进行分析。　２有限元分析前处理　２．１　模型导入　避雷针塔在服役过程中会受到风载荷和自重　影响，考虑到主材和腹杆之间连接部分的影响，在　分析过程中采用实体单元进行建模，建模工作在　１　建模过程　避雷针塔高３０　ｍ，截面为等边三角形，塔底　），男，高级工程师，主要从事无损检测等方面的研究工作。　Ｖｏ１．３４　ＮＯ．１　河北电力技术　ＨＥＢＥＩ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　第３４卷第１期　２０１５年２月　Ｆｅｂ．２０１５　（ａ）整体模型　（ｂ）局邵放大图　图１避雷针塔模型　软件ｐｒｏ—ｅ中完成后保存为ｓａｔ格式后再导人有　限元软件Ａｂａｑｕｓ中进行静力分析。　２．２　定义材料属性　导入的模型不能直接划分网格，应首先对模　型进行剖分，选择在每５００　ｍｍ长一段的中间进　行剖分，剖分时选择用平面进行，平面可以由ｘｙ　基准平面开始选取合适的距离进行平移。随后定　义材料属性，避雷针塔材料为Ｑ２３５Ａ钢，定义弹　性模量为２０６　ＧＰａ，泊松比为０．３，屈服强度为２３５　ＭＰａ，计算时需考虑避雷针塔本身的自重，定义材　料密度为７　８５０　ｋｇ／ｍ。。　２．３　划分网格　模型高３０　ＩＴＩ，底面宽１．１４　ｍ，模型较大且长　细比大，在划分网格时采用自由划分的方式，单元　类型选择四面体单元，在某些危险地方进行网格细　化，以确保计算的精确度。最终得到的单元数为　１　５６４　７２３个。　２．４　模型约束　在工程实际中，避雷针塔的受力特点是，其底　部固定在地面上或建筑物顶部平台上，只受到水　平风载作用，即避雷针塔的迎风面施加水平载荷，　施加的约束为底部全方向上的固定约束，即底面　上的节点不能沿Ｘ、ｙ、Ｚ方向移动。　２．５　模型载荷的施加　在模型中加载材料属性，考虑到避雷针模型　总体尺寸很大，自重影响不可忽略，故在分析中施　加载荷应包括自重，其次就是施加风载荷。根据　《高耸结构设计规范》［１］，风载荷的计算公式　Ｗ—Ｊ８　Ｗ。　（１）　式中：　为ｚ高度的风振系数；　为风载荷体型　系数；　为Ｚ高度处的风压高度变化系数；　为　重现期调整系数，一般结构取１．１，重要结构取　１．２，该文取１．２；ｗ。为基本风压，ｋＮ／ｍ　，按照设　计要求取值为５０　ｋＮ／ｍ。。　的取值应按地面粗糙度进行选择，地面粗　糙度分三等：近海海面、小岛及大沙漠等；田野、乡　村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中、小城镇及　大城市郊区；密集建筑群及较多高层建筑的大城　市市区。该文采用Ｂ类粗糙度，从而根据表１选　取相关　。　表１风压高度变化系数　离地面或　地面粗糙度类别　海平面高度／ｍ　Ａ类　Ｂ类　Ｃ类　而　的选取则根据ｗ。×ｄ　以及挡风系数进　行选取，ｄ为构件即圆钢塔架的直径（ｍ），经过计　算，该模型的挡风系数为０．１３６　６，则角钢塔架的　整体体型系数根据《高耸结构设计规范》选为２．３，　圆钢塔架的整体体型系数应按角钢乘以０．８，ｗ。×　ｄ　小于Ｏ．００２，根据《高耸结构设计规范》选取　大概值为１．９。　的选取：　一１＋　×￡　×￡。，其中拿为脉动　增大系数，ｓ　为风压脉动和风压高度变化等的影　响系数，￡　为振型、结构外形的影响系数。若不考　虑脉动风影响，则　取值为１。　考虑严重情况，即有脉动风，且Ｔ　＝０．５ｓＥ　，　Ｔ１表示结构或构件的１振型的自振周期（ｓ）。　Ｗ。×Ｔ　为０．２５（０．５×０．５—０．２５），故根据　《高耸结构设计规范》，　取值为２．Ｏ９。同样，根据　避雷针塔总模型的高度，ｓ　的值选取为０．７４。　・　５３　’　Ｖｏ１．３４　ＮＯ．１　Ｆｅｂ．２０Ｉ５　河北电力技术　ＨＥＢＥＩ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　第３４卷第１期　２０１５年２月　而ｅ　的选取则应根据各段相对高度和结构　顶部和底部的宽度比来进行选取，随着高度的变　化而变化。　选取相对高度为０．１列的相关参数。基本风　压Ｗ。一５Ｏ　ｋＮ／ｍ　。重现期调整系数为１．１。自　此，各段所需施加的风载荷（ｋＮ／ｍ。）已经确定，并　将载荷从模型底部每隔５００　ＩＴｌｍ依次施加到模型　上并进行计算。施加载荷后如图２所示。　，Ｌ　《　…　图３发生位移前后对比　４　结论　ａ．通过对避雷针塔的有限元分析得知，其受　到的最大的综合应力分布在５　ｍ高度处　…一　１１３．８　ＭＰａ。　ｂ．最大变形发生在顶端Ｓ　＝４５３．３　ｍｍ。　Ｃ．在风载和约束条件共同作用下，避雷针塔　变形云图的变化不显著，各项参数指标均控制在　图２施加载荷　所用材料许用范围内，其结构在静态下的强度是　３　计算结果　从有限元模拟的结果可以看出，最大的综合　符合设计要求的，避雷针塔能够承受更大载荷，适　应更为恶劣的自然环境。　ｄ．通过应力分析确定了避雷针塔的最大受力　部位和变形最大部位，即易发生失效的危险点，在　运行中可对危险点进行重点监督检查，有利于及　时发现并消除安全隐患；同时可对危险点的相关　材料进行性能试验，以确定其性能是否发生变化，　为下一步的整塔安全性评定奠定基础。　参考文献：　［１］ＧＢＪ　１３５—１　９９０，高耸结构设计规范［ｓ］．　应力在离地面５　ｍ高度处，最大的综合应力为　１１３．８　ＭＰａ。　为更清楚直观观察位移变化，将发生位移前　和发生位移后模型同时显示，沿着风向位移分布　如图３所示，在针尖处的位移最大，为一４５３．３　ｍｍ。（负值表示是沿Ｙ轴负方向，因为风载荷是　沿着ｙ轴负方向加载的）。　本文责任编辑：靳书海　（上接第５１页）　机制来进行约束考核。运行检修、人资部门应合理　确定运行维护岗位技能鉴定标准，从人员责任心、技　能水平、工作经验等多方面考核认定。应加大运行　维护人员的理论和实践培训力度，提高其技能水平；　同时要循序渐进推进变电运行维护一体化项目，适　时、适度提升工作量和工作难度。　参考文献：　［１］徐金雄．变电站无人值守及运行维护一体化实践探索［Ｊ］．电子　世界，２０ｉ３（Ｉ３）：７０—７Ｉ．　技术支撑不够带来的风险。设备维护、带电检　测项目等在操作、分析、判断等方面对运行维护人员　的综合素质有很高的要求，需要运行人员熟悉设备　内在结构和运行状况，而运行人员技术、经验的积累　需要一个过程，存在对设备运行工况分析不深人、对　设备结构认识不到位造成的维护缺失。针对此类问　题，变电运行维护应加大技能培训力度，通过走出　去、请进来的方式，对运行维护人员进行理论和实践　培训，提高其技能水平；同时要循序渐进的推进变电　［２］许艳阳．变电运行维护一体化方案探讨［Ｊ］．中国电力教育，　２Ｏ１２（３３）：１４４—１４５．　运行维护一体化项目，适时适度提升工作量和工作　难度。　［３］张彩友，丁一岷，冯华．关于开展变电设备运行维护一体化的　认识与思考［Ｊ］．浙江电力，２Ｏｉ３（３）：５０—５３．　［４］李晨，陈希正，郝艳春．大检修组织运行维护一体化人才培养　４　结束语　“大检修”体系下推进变电运行维护一体化管理　非常必要。管理部门应出台严格的管控、监督、追责　・　研究［Ｊ］．中国电力教育．２０１Ｉ（９）：１２—１３．　本文责任编辑：靳书海　５４　・