输电塔项目报告

采用ABAQUS有限元软件建立有限元模型，以同时保证分析结果具有一定的适用性，选用塔型输电塔-线系统作为分析对象。对塔架受力、位移、节点力等作用进行分析，验证可靠性。计算相应的风荷载，考虑到输电塔-线路系统，再进行结构位移的提取，分析构件的应力和剪力反应。

在 “十四五” 规划大力推动新型基础设施建设，实现从 “4G 与奔跑” 向 “5G 引领” 重大转变的时代浪潮下，通信塔作为关键载体，其建设规模不断扩大，设计结构愈发高耸。像云南省在 2024 年，移动通信基站总数就已达 48.4 万个，其中 5G 基站有 15.5 万个 。这一趋势是实现国家通信工程突破的必然选择，有助于提供更为高效、优质的信息化服务。

图 1–1 台风典型灾害

然而，高耸的通信塔在具备诸多优势的同时，也面临着严峻挑战。由于其具有更大的自由度和灵活性，对风载极为敏感。当大风来袭，瞬时风力达 8 级以上、风速达 17 米 / 秒的具有破坏力的大风，就可能导致通信塔发生坍塌和破坏事件 。例如，在城市建筑之间，大风产生的 “强风效应”，对通信设施的破坏不容小觑。不仅是大风，覆冰灾害同样给通信塔等输电设施带来重创。1998 年 1 月，加拿大遭遇长达一周的冻雨冰灾，输电线路设施出现最大厚度达 75 毫米的严重覆冰，致使 116 条高压输电线路损坏，1300 基杆塔坍塌，大面积停电。在我国，此类灾害也频繁发生。2011 年 12 月，北方强冷空气袭击四川西昌大箐乡，凉山地区高海拔处持续降温，出现雨雪冰冻等极端气象，导致 500 千伏输电杆塔坍塌。2014 年 2 月，湖北利川市遭受大范围、持续性雨雪冰冻天气，高山地区地表积雪达 50 多厘米，输电线路最大覆冰厚度超 200 毫米，部分输电铁塔损毁严重。2019 年 2 月，湘鄂地区覆冰灾害严重，部分地区覆冰厚度达 80mm - 100mm，远超 10mm - 20mm 的设计安全标准，华中电网 220 千伏及以上线路倒塌电塔 41 座。同期，重庆东南部地区输电线路覆冰厚度高达 50mm - 70mm，致使黔秀西线两座输电杆塔坍塌。2024 年 2 月，浙江宁波四明山区受 寒潮影响覆冰严重，电网覆冰厚度达 25 毫米，两座 35 千伏输电铁塔塔顶受损，上千用户用电受到影响 。这些因大风和覆冰导致的通信塔及输电杆塔破坏事件，严重影响了通信及电力供应的稳定性，对社会生产生活造成极大困扰。因此，深入研究通信塔在风载及覆冰等恶劣条件下的力学性能，提升其抗风、抗覆冰能力，成为当下亟待解决的关键问题。

    图1-2四川西昌杆塔倒塌                    图1-3湖北输电塔倒塌

      图1-2黔秀杆塔倒塌                      图1-3宁波四明山电杆倒塌

作为工程结构设计的核心环节，静力学分析旨在为优化设计提供关键数据支撑，通过数值模拟揭示应力分布、变形规律以及结构在静态载荷作用下的安全性能。在航空航天领域，对飞行器零部件的承载能力进行评估，可以采用静力学仿真；齿轮、轴承等关键部件的强度可靠性在机械制造行业中是可以得到验证的；在土木建筑领域，可以对静态的受力行为进行桥架、构架等方面的分析。ABAQUS软件成为解决复杂工程问题的首选平台，其强大的非线性求解能力，丰富的材料本构库，高效的网格划分工具。对ABAQUS静力学模拟技术的掌握具有双重意义。理论知识(如材料力学、弹性力学)一方面可与工程实践相结合，培养数值建模能力和资料分析能力；另一方面，降低实物试验成本，提高设计效率，通过模拟对结构薄弱环节进行提前预判。本章对ABAQUS静力学仿真方法从建模到后处理的全过程进行分析，以某型圆柱壳承压结构为研究对象，提供可复用的同类工程问题技术路线。

图 2-1 ABAQUS 模块示意图

仿真流程

ABAQUS/CAE 作为有限元分析的核心交互平台，通过多窗口协同与树形导航体系，构建了高度可视化的操作环境。其界面采用模块化布局，将复杂的建模流程转化为直观的步骤引导，显著提升工程仿真的易用性。以下从界面组成、操作逻辑及版本特性三个维度展开说明：一、界面组件的功能协同ABAQUS/CAE 的主体界面遵循 "功能分区 - 流程导向" 设计原则，由七大核心模块构成：顶部控制区：包含标题栏、菜单栏与快捷工具栏，集成文件管理、视图切换与常用命令

左侧导航树：以树形结构展示模型数据库，支持部件、材料、装配等对象的层级管理

中部工作区：由多标签页组成，包含几何建模区、网格编辑区与结果可视化区

右侧工具箱：根据当前操作模式动态加载专用工具集

底部状态栏：实时显示操作提示、警告信息与求解进度

属性编辑器：上下文关联的参数配置面板，支持对象属性的即时修改

历史记录区：记录操作步骤，支持参数回溯与批量修改

二、前处理流程的标准化控制

ABAQUS/CAE 通过严格的工作流控制机制确保建模质量，其前处理流程遵循 "线性递进式" 架构：

部件创建（Part）：基于草图或导入 CAD 实体

材料赋值（Property）：关联材料库中的本构模型

截面定义（Section）：为不同区域指定截面属性

装配定位（Assembly）：通过约束关系组合多个部件

网格离散（Mesh）：采用结构化 / 非结构化网格划分技术

分析步设置（Step）：定义分析类型与求解控制参数

载荷施加（Load）：包括边界条件、集中力与分布载荷

作业提交（Job）：配置计算资源并监控求解过程

图2-2复合式窗口

在ABAQUS软件里，具体分析流程如下：

图 3-3 流程规划示意图

静态分析适用于结构在长时间平稳加载下的工况，此时结构内部各点以稳定平衡状态承受载荷；而动态应力分析则更适用于惯性作用显著、存在高应变率或高速冲击的场景，本文研究对象的力学特性显然需要采用后者进行分析。具体研究流程如下：

（1）几何模型构建

采用第三方软件 Pro-e 创建风吹塔架的数字化模型，结合工程实际应用场景，对模型进行对称性简化处理，以降低计算复杂度。通过参数化定义关键几何尺寸（如塔架高度、截面形状），建立可灵活调整的三维实体模型。

（2）材料属性定义

聚焦塔架的力学响应特性，将抗压失效与张力失效两种模式嵌入仿真冰雹材料模型。考虑到风载作用下应变率波动对本构关系的显著影响，在材料属性设置中引入动态应变率序列。通过 ABAQUS 的 “编辑材料（Edit Material）” 功能，完成密度、弹性模量等物理参数定义，并通过 “塑性（plasticity）” 子选项输入应变率相关的塑性特征参数，量化表征材料在动态载荷下的非线性行为。

（3）分析步与类型设置

在 ABAQUS/CAE 中定义分析步时，首先明确碰撞过程的时间历程与求解控制参数，同时在前处理阶段预设待输出的场变量（如应力、位移、应变率）及数据存储频率。将分析类型切换为显式动态分析（ABAQUS/Explicit），以适配高应变率下的瞬态响应计算。

（4）载荷与边界条件施加

根据风载模拟需求，为塔架模型施加定向速度载荷：通过定义速度矢量的大小（如模拟台风风速的 30m/s）与方向（垂直于塔架表面），模拟强风对结构的动态激励。同时，在塔架底部设置固定边界条件，约束其全部自由度以模拟实际支撑情况。

（5）网格划分与质量控制

针对塔架关键受力区域（如应力集中的节点连接处），采用结构化网格划分技术，通过细化单元尺寸（如最小单元边长 0.05m）提升网格密度；非关键区域则使用自由网格划分以平衡计算效率。通过单元质量检查工具（如长宽比、雅可比行列式）确保网格精度，避免因网格畸变导致的计算误差。

（6）后处理与结果分析

计算完成后，利用 ABAQUS/CAE 的可视化模块生成动态响应结果：通过应力云图识别结构薄弱部位，通过位移时程曲线分析塔架振动特性，通过应变率分布动画揭示高应变区域的演化过程。最终提取关键节点的力学参数，形成可用于工程评估的规律性结论。

该流程通过标准化的建模与分析步骤，实现了风载作用下塔架动态响应的精确模拟，为结构抗风设计与优化提供了数据支撑。

2.4本章小结

在种类繁多的有限元分析软件中，ABAQUS，能辅助用户系统地完成建模、材料定义、网格划分等分析前的各项准备工作。并且在后处理阶段，它还能以动态云图、过程动画等可视化形式呈现结构的力学响应过程，让结果解读变得更加直观明了。ABAQUS/Explicit 模块则为分析提供了高效的显式求解器，在高应变率、强非线性的动态问题模拟方面表现出色。

第3章有限元模型的建立

本节系统阐述了涵盖几何模型构建、材料与截面定义、装配与连接处理、网格划分、分析步骤和载荷设置等关键环节的塔架建模与分析使用ABAQUS软件的完整流程。《塔架结构力学性能分析》以理论基础与实际案例相结合的方式，对建模过程中的技术要点、常见问题的解决方法等进行了详细的介绍，提供了较为全面的技术借鉴。

可靠性分析

在仿真软件中计算相应结果，材料属性为：各项同性材料；杨氏模量2.1E9pa；泊松比0.3。温度变化采用梯度线性；塔架处最小界面为边长为1m的正方形，进行阵列分为10组依次递增，距离塔低截面11.5m。塔头长度6mm，将两者装配，如图4-1所示：

图4-1装配图

分析采用静力通用状态，时间长度为1，场输出主要模拟应力；应变；位移；作用力与反作用力等。递减载荷结果分析：载荷部分：在约束方面：在塔底四个塔脚处设置x/y/z三个方向的位移约束，设置为完全固定状态。

图4-2约束图

在载荷施加中，设置7个接触点，在塔头部分第1与第2接触点载荷大小为100N与95N，在塔身部分第3-5接触点集中力分别为95N-80N,在塔底部分第6-7接触点集中力分别为75N-70N。

从红色的+4.388e+06Pa到蓝色的+8.838e+02Pa，颜色的渐变对应着应力值的递减。红色代表应力的峰值区域，说明此处材料承受的应力极大，可能面临屈服甚至破坏风险，是结构设计和安全评估的重点关注部位。再看右侧的结构图形杆件的处于应力集中状态，表明在当前载荷工况下，这些部位受力复杂且应力水平高，可能是结构的薄弱环节。相反，显示冷色（蓝等）的塔头，应力相对较低，意味着材料的承载能力未被充分发挥。通过这张应力结果图，进而对结构进行优化设计，比如在应力集中处增强构件强度，在低应力区合理调整材料配置，以实现结构安全性和经济性的平衡。

图4-3 Mises应力分布

图4-4为Abaqus软件输出的位移结果图，展示了输电塔结构的位移幅值（U,Magnitude）分布情况。左上角的“U,Magnitude”表明图中显示的是结构各部分的位移幅值。位移幅值是结构在受力后发生变形的一个综合度量指标，它反映了结构各点在空间中位置变化的大小。

左侧的颜色标尺，从红色的+2.597e-03（即0.002597，单位通常为米）到蓝色的+0.000e+00（即0米），颜色的变化对应着位移幅值的递减。红色代表位移幅值的最大值区域，说明这些部位在受力后发生了相对较大的位置变化，是结构变形较为显著的地方。

再看右侧的结构图形，杆件根据位移幅值的不同显示为不同颜色。呈现暖色（红、橙等 ）的杆件所在区域，位移幅值较大，意味着在当前载荷工况下，这些部位的结构发生了明显的变形，可能是结构的薄弱环节，需要进一步关注其变形对结构整体性能的影响。而显示冷色（蓝等）的杆件，位移幅值相对较小，表明这些部位结构变形较小，相对较为稳定。

通过这张位移结果图，工程师能够清晰地了解结构在受力后的变形情况。对于位移较大的区域，可以进一步分析其受力状态，评估是否会因过度变形而影响结构的正常使用和安全性。同时，也可以据此对结构设计进行优化，比如增加支撑或调整构件尺寸，以控制结构的变形在合理范围内，确保结构的可靠性和稳定性。

图4-4Abaqus位移结果图

图4-5为节点处点载荷大小，力系数在工程分析中常用于无量纲化力的表达，便于在不同尺度和工况下对比结构受力特性。左侧的颜色标尺是解读该结果的重要依据。从红色的+1.000e+02（即100）到蓝色的+0.000e+00（即0），颜色的变化对应着力系数幅值的递减。红色 区域代表力系数幅值的最大值，意味着这些部位在分析工况下承受着相对较大的力系数作用，是结构受力的关键区域。右侧的结构图形中，不同杆件依据力系数幅值的大小呈现出不同颜色。呈现暖色（红、橙等 ）的杆件区域，力系数幅值较大，说明这些部位在当前载荷作用下，受力情况较为复杂且受力程度较高，可能需要着重进行强度和稳定性校核。而显示冷色（蓝等 ）的杆件，力系数幅值相对较小，表明这些部位受力相对较轻。通过这张图，工程师可以清晰定位结构中力系数幅值较大的区域，深入分析这些区域的受力机制。

图4-5节点处点载荷

图4-6为Abaqus输出的输电塔结构的面内最大主应变结果图。主应变是材料在受力时，在特定方向上的最大应变值，对于分析结构的变形趋势和潜在破坏点至关重要，左侧颜色标尺是理解应变分布的关键。从红色的+2.116e-05 到蓝色的+1.214e-10 ，颜色变化对应着应变值递减。红色代表面内最大主应变的最大值区域，说明这些部位在受力后面内变形程度相对最大，是结构变形的关键关注区域。右侧结构图形中，不同杆件依面内最大主应变大小显示不同颜色。呈现暖色（红、橙等 ）的杆件区域，面内最大主应变较大，意味着在当前载荷工况下，这些部位发生了较为明显的面内变形。由于应变与结构的受力和潜在损伤密切相关，这些区域可能更容易出现材料疲劳、裂纹萌生等问题，需要重点评估其安全性和耐久性。而显示冷色（蓝等 ）的杆件，面内最大主应变相对较小，表明这些部位变形程度较轻。

通过这张图，工程师能够精准定位结构中面内变形较大的区域，深入分析这些区域的应变状态对结构性能的影响。对于面内最大主应变较大的部位，可进一步研究其受力模式，评估是否超出材料的许用应变范围，必要时采取优化结构设计、增强局部构造等措施，以保障结构在各种工况下的安全性和可靠性。

图4-6面内最大主应变结果图

等载荷结果分析：

在约束方面：在塔底四个塔脚处设置x/y/z三个方向的位移约束，设置为完全固定状态。在载荷施加中，设置7个接触点载荷为100N。Mises应力结果：左侧的颜色标尺是解读应力分布的关键。从红色的+5.824e+06Pa到蓝色的+9.042e2Pa，颜色的渐变对应着应力值的递减。红色代表应力的峰值区域，说明此处材料承受的应力极大，处于高应力状态，是结构强度校核的重点部位。右侧的结构图形中，不同杆件根据Mises应力大小显示为不同颜色。呈现暖色（红、橙等）的杆件，应力值较高，表明在当前载荷工况下，这些部位受力复杂且应力水平高，可能是结构的薄弱环节，需要重点关注是否会因应力过大导致材料屈服或结构破坏。而显示冷色（蓝等）的杆件，应力相对较低，意味着材料的承载能力未充分发挥。

应力数值范围差异，等载荷工况下：应力数值范围从9.042e2Pa到+5.824e6Pa。其最大应力值相对较高，这意味着在该工况下，结构某些部位承受着较大的应力作用，材料处于相对更严峻的受力状态。如图4-6所示。

在非等载荷工况下：应力数值范围是8.838e2Pa到4.388e6Pa。最大应力值比第一张图小，表明整体应力水平相对较低，结构所受应力的极值情况不如等载荷工况下严峻，如图4-7所示。

由于应力数值范围不同，两张图颜色标尺对应的应力值也有区别。相同颜色在两张图中代表的应力大小不一样。比如在等载荷工况下中显示为红色的区域，代表应力达到5.824e6Pa；而在在非等载荷工况下中，红色 区域代表的应力为4.388e6Pa。这使得在对比结构不同部位应力情况时，不能单纯依据颜色判断，而需结合各自的颜色标尺。

虽然两张图中结构应力分布的大致趋势相似，高应力区域都集中在结构中部偏下部分，但具体的应力分布细节和程度有别。在等载荷工况下中，高应力区域（暖色显示部分）的范围可能相对更广，或者说应力集中程度在某些局部更明显，这暗示在对应工况下，这些部位更易出现强度问题。第在非等载荷工况下，高应力区域的范围和集中程度相对缓和，结构整体受力的不均衡性在一定程度上弱于等载荷工况下对应的工况。

图4-6等载荷应力结果图

结论

本文围绕模拟随机风场下输电塔的抗风可靠度展开，通过构建有限元模型、分析结构响应及可靠度，为输电塔抗风设计提供了重要参考，主要结论如下：

1、结合 ABAQUS有限元软件建立的塔型输电塔 - 线系统模型，能够有效反映结构在强风作用下的力学行为。通过参数化建模方法（构造实体几何法与特征参数化建模）实现了塔腿、塔身、塔头的模块化分解与组合，不仅提升了建模效率，还保证了模型对不同塔型的适用性，为后续多场景分析奠定了基础。

2、在变载荷与等载荷工况下，输电塔的Mises应力、位移、节点力及主应变分布呈现显著差异。变载荷工况下，结构中部偏下区域及杆件连接处出现应力集中，最大应力达 4.388×10⁶Pa，位移幅值最大为2.597×10⁻³m；等载荷工况下，最大应力提升至5.824×10⁶Pa，位移幅值增3.451×10⁻³m，表明载荷分布不均会显著影响结构响应，等载荷条件对结构的力学考验更为严峻。

3、塔头与塔身连接处、塔腿顶部等区域在不同载荷条件下均表现为高应力或大变形区域，是抗风设计中的关键薄弱环节。例如，塔腿顶部在等载荷下承受较大节点力，易因局部应力超限引发结构失稳；塔身节间侧面的斜材布置差异会导致应变分布不均，需针对性优化杆件强度与连接方式。

基于风荷载计算与结构位移、应力提取，定义了多组失效模式（如主材屈服、节点断裂、整体倾覆等）。分析表明，输电塔-线系统在设计风速范围内具备一定抗风可靠性，但极端风况下（如台风、强覆冰耦合风载），结构可靠度指标显著下降，需通过增强薄弱构件截面、优化阻尼器配置等措施提升抗风能力。