PERA SIM建筑钢结构刚强度分析

在国产自主结构仿真软件 PERA SIM Mechanical中，建立输电杆塔的有限元模型，以各种工况为边界条件施加荷载，对铁塔进行静力学分析，得到铁塔在不同工况下的位移情况和最大应力值。研究结果可为铁塔的力学分析等后续研究提供理论基础，并对日常运检工作有一定的指导意义。

关键词：输电线路；铁塔；静力学

铁塔作为输电线路的重要组成部件，其安全可靠性直接影响着整个电网的正常运行。随着山地风电的快速发展，越来越多的输电铁塔建立 在气候相对恶劣的山地，铁塔受损（包括倒塔、横担折 断、扭曲变形、导地线断线和绝缘子掉串等）事件时有发生，给电网的安全运行带来了不利的影响，同时也严重损害了发电企业的经济效益。因此，研究铁塔的力学性能具有必要的理论意义和使用价值。因为铁塔的实际工作环境较为复杂，现有的设计规范中以概率理论为基础的极限状态设计法，以铁塔的荷载和材料强度为设计值进行校验的设计方法存在一些弊端。实践表明，这种方法只能满足基本的设计需要，在复杂的环境下，将与实际情况产生较大差距。

有限元方法是现阶段应用最广的一种数值模拟计算方法，其基本原理是将一个连续体进行离散化，将求解区域看成由有限数量、有限大小的单元构成的集 合。该方法因快速、灵活、有效，已快速发展为求解各领域物理方程的一种通用的近似计算方法。目前，它在许多科学领域和实际工程问题中得到广泛的应用和受到普遍重视。利用国产自主有限元分析软件 PERA SIM Mechanical对铁塔结构进行有限元分析，其分析结果具有较高的可靠性，可为铁塔的初期设计及后期加固提供理论依据。

2.1 杆塔参数

本文研究对象为某型输电铁塔。该铁塔的呼高为19ｍ，总高为37.5ｍ，总质量为15.67t。铁塔的立柱主材为Q420高强度钢，其他塔材则为Q345、Q235钢。铁塔的主要结构由角钢、节点板、螺栓组成。其中，不同部位根据受力特点采用了不同的角钢规格。

2.2 问题简化

为简化模型，建模过程中忽略节点板、螺栓等构件的影响。对于其它构件，通过考虑质量来等效其影响。

3.1 模型建立及简化

根据以上信息及对问题的简化，铁塔的立柱、联系结构均采用Beam单元模拟。定义材料的标准密度为7.85E-9 t/m3，弹性模量为2.06E5 MPa，泊松比为0.3。参照设计图纸，定义了多种型钢截面。铁塔的整体有限元模型如图1所示：

图1  铁塔的几何简化模型

3.2 网格划分

由于采用的是梁单元，在划分网格时只需要指定网格大小即可。对于本模型，单元大小设为100mm来进行网格划分。

3.3 材料定义

杆塔的材料采用线弹性本构，根据前文参数来定义材料。

3.4 截面定义

由于采用的是梁单元，在属性分配时，需要指定梁单元的截面。在PeraSim中，可以先指定梁的类别为铁木辛柯梁，再从截面库中直接选择“L”截面，然后按照杆塔的角钢尺寸参数输入相应的截面属性值。在完成材料定义和截面定义后，将材料和截面都分配给对应的梁单元。

3.5 边界条件

本模型的边界条件分为底部角点固定约束。

3.6 铁塔载荷计算

铁塔承受的载荷可分解为垂直载荷（垂直于地面方向）、横向水平载荷（沿横担方向）、纵向水平载荷（沿线路方向）。本文研究的铁塔为直线塔，主要承受垂直载荷与横向水平载荷。根据当地气候条件，载荷计算时，考虑的工况为正常运行状态，气候条件为风速25m/s，线路及铁塔整体覆冰15mm。

3.6.1垂直载荷G

（１）导线、地线、绝缘子串和金具的重力载荷。该部分在有限元模型中通过集中点载荷的方式施加在横担相应的挂点上。

（２）铁塔自身重力载荷。由于在有限元建模过程中忽略了节点板、螺栓等附属结构，造成有限元模型中的铁塔重量偏小，可以通过定义密度增大系数的方式进行等效。

2.6.2横向水平载荷P

（１）导线、地线、绝缘子串和金具的风压。该部分在有限元模型中通过集中点载荷的方式施加在横担相应的挂点上。

（２）铁塔自身所受风载。该部分在有限元模型中以集中点载荷的方式分段施加在塔腿、塔身、塔头的顶部。

图2  铁塔的载荷施加图

3.1 计算分析设置

对于结构固有频率的计算，采用模态分析。对于此模型，计算前6阶固有频率即可。设置完成后，直接提交作业进行计算即可。

3.2 静力计算结果

计算完成后，通过在相应的作业上右键点击加载结果，即可进入到后处理模块。计算得到的变形和应力如下：

图3  铁塔的变形云图

图4  铁塔的应力云图

从铁塔的变形云图上可以看到，铁塔的顶端变形较大，达到了87.3mm，整体上呈现从上到下变形逐渐减小的趋势，根据载荷分析可知，主要是由于风载荷导致的原因。从铁塔的应力云图上可以看到，铁塔的整体应力呈现典型的弯曲应力状态，左侧为拉应力，右侧为压应力。最大应力56.9MPa，位于左侧的支脚处。这也从侧面表明了，整个铁塔主要是承受风载荷为主。

本文以安世亚太自主研发的结构仿真软件PERA SIM Mechanical，对某输电铁塔进行有限元分析，得到以下 结论：静力学分析表明，铁塔的最大变形量为87.3mm，出现在铁塔的顶端，最大应力为56.9MPa，发生在左侧立柱的底部支点处，应力强度有较大的盈余量。

综上可得，作为自主研发的国产仿真分析工具，PERA SIM Mechanical在计算输电铁塔的过程中，从几何模型建立、网格划分、材料定义、截面定义到边界条件的施加、分析的求解控制和结果后处理，都能提供较好的支持，完全能满足工程实际应用需求。