研究背景

       我國(guó)是世界上最大的電能源消費(fèi)國(guó)，為滿足我國(guó)能源大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸送和大范圍優(yōu)化配置的迫切需要，發(fā)展高壓輸電通道已成必然。輸電塔作為輸電通道最重要的基本單元，是輸電線路的直接支撐結(jié)構(gòu)。作為為高聳構(gòu)筑物，輸電塔所處環(huán)境地形復(fù)雜，承受包括風(fēng)荷載、冰荷載、導(dǎo)地線荷載等多種形式的作用，其安全性和可靠性長(zhǎng)期以來(lái)受到廣大學(xué)者及設(shè)計(jì)人員的密切關(guān)注。在西北地區(qū)，輸電塔承受多方向的風(fēng)荷載使其結(jié)構(gòu)的內(nèi)力布置復(fù)雜，極容易使塔身受剪、受扭導(dǎo)致其破壞。

研究方法

      對(duì)此情況，中國(guó)土木工程協(xié)會(huì)舉辦全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽（以下簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)競(jìng)賽），力求發(fā)揮大學(xué)生創(chuàng)新能力，尋求解決不利荷載下輸電塔最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。本次投稿作品，分以下三點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，（1）首先依照結(jié)構(gòu)競(jìng)賽中我組的第一版輸電塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為原型，在目標(biāo)承載下進(jìn)行仿真。（2）其次根據(jù)結(jié)果分析模型承載缺陷，結(jié)合模型試驗(yàn)破壞特征進(jìn)行調(diào)整。（3）最后利用Ls-Dyna求解優(yōu)化，提出更理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

模型概況

                                                                       圖1 模型概況

荷載概況

       其主要受力特點(diǎn)為底部受剪、塔 身受扭、一側(cè)主桿受壓、一側(cè)主桿受拉的形式。電塔在導(dǎo)線布置平行方向（0度）分布三根導(dǎo)線，一根導(dǎo)線（1#）作用在塔尖處，塔凸角不同兩側(cè)各分布一根導(dǎo)線（2#、3#）；電塔在導(dǎo)線布置垂直方向（90度）即塔尖處布置導(dǎo)線（4#），加載情況見表1，加載位置見圖2。

                                                                       表1 荷載概況

                                                                      圖2 加載位置圖解

材料參數(shù)

       竹材具有與鋼材相近的力學(xué)性質(zhì)，結(jié)構(gòu)競(jìng)賽采用竹材替代鋼材。修改鋼材材料關(guān)鍵字，替代竹材材料卡片，見圖3。竹材，密度=8E-07kg/(mm^3);彈性模量=6E+06kPa;抗拉強(qiáng)度=6E+04kPa;抗壓強(qiáng)度=3E+04 kPa ，泊松比=0.3。

                                                                       圖3 材料參數(shù)

優(yōu)化過(guò)程

      在制作模型的過(guò)程中，實(shí)體模型先于CAE仿真模型成型，模型總重520g。在模擬實(shí)際加載的過(guò)程中，模型塔身斜拉條被拉斷，按模型進(jìn)行CAE仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)塔身多處有受力破壞處，塔架的破壞形式與CAE仿真分析的結(jié)果相近（仿真模型得到驗(yàn)證）。

    （1）模型塔身斜拉條被拉斷；

    （2）桿段中部體現(xiàn)明顯薄弱。

1、斜向拉條是沿塔身扭矩方向布置，主要受力形式為軸心受拉。由于竹材的材料性能與鋼材類似，所以按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)其參數(shù)進(jìn)行改善。根據(jù)軸心受力構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算公式：

                                                                                        由上式可知，當(dāng)構(gòu)件抗拉強(qiáng)度不足時(shí)，可以采取加大構(gòu)件凈截面面積的形式提高構(gòu)件的抗力，所以把斜向拉條的截面加厚1mm可以有效加強(qiáng)拉條的抗拉強(qiáng)度。

      2、塔身受壓主桿承受模型的所有豎向荷載，并且輸電塔屬高聳構(gòu)筑物，壓桿的長(zhǎng)細(xì)比普遍偏大，極容易發(fā)生壓彎失穩(wěn)破壞，根據(jù)壓彎構(gòu)件截面強(qiáng)度計(jì)算公式：

                                                                             可知，只需在桿件中部彎矩較大處增大桿件的凈截面模量，即可有效加強(qiáng)構(gòu)件的截面強(qiáng)度，避免桿件發(fā)生失穩(wěn)破壞。根據(jù)截面模量計(jì)算公式：

                                                                                         可知，增大截面高度是增強(qiáng)構(gòu)件截面強(qiáng)度最有效的措施，因?yàn)殡娝芰?fù)雜，不易控制截面強(qiáng)軸的方向，并且考慮到正方形截面抗扭能力較矩形截面強(qiáng)，所以選擇將受壓主桿雙向截面設(shè)計(jì)尺寸加厚1mm。

      優(yōu)化方法：斜向拉條加厚1mm；受壓主桿中部雙向截面設(shè)計(jì)尺寸增大1mm，覆蓋范圍5mm；去掉方桿內(nèi)（圖1中4-4剖面）的十字撐。

                                                                                    圖5  優(yōu)化后模型概況

模型優(yōu)化前破壞過(guò)程

                                                                                視頻1  模型優(yōu)化前

                                                                                 視頻2 模型優(yōu)化后

模型優(yōu)化前后對(duì)比

                                                                                    圖6模型優(yōu)化前t=4s應(yīng)力云圖

                                                                                   圖7模型優(yōu)化后t=4s應(yīng)力云圖

                                                                                   圖8 優(yōu)化前加載點(diǎn)位移-時(shí)間曲線

                                                                                   圖9 優(yōu)化后加載點(diǎn)位移-時(shí)間曲線

      從優(yōu)化前曲線（圖8、圖9）可以看出，加載2s前，塔身變形不明顯，3s時(shí)鋼塔徹底坍塌，竹塔出現(xiàn)了在建筑結(jié)構(gòu)不希望發(fā)生的脆性破壞，其特點(diǎn)是破壞發(fā)生突然，無(wú)預(yù)兆，破壞過(guò)程時(shí)間短，威脅生命財(cái)產(chǎn)安全。按照優(yōu)化方案修改模型后，模型質(zhì)量減輕，在1級(jí)加載過(guò)程中就能觀察到塔身的形變變化，進(jìn)入2級(jí)加載塔身形變更加明顯，最終3級(jí)加載結(jié)束竹塔未坍塌，優(yōu)化后，改變了竹塔脆性缺點(diǎn)，提升了竹塔承載能力，模型的質(zhì)量也在減小。

成果

      在基于Ls-Dyna求解器仿真優(yōu)化的輔助下，我們最終完成了模型的最終定稿，與仿真計(jì)算得到的承載能力差距微小，最終的模型質(zhì)量380g，承重砝碼質(zhì)量共計(jì)32kg。比賽中的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為每級(jí)加載計(jì)算一次荷重比，按最大荷重比作為分母，每組荷重比為分子計(jì)算的得分系數(shù)，一二級(jí)加載每級(jí)占30分，三級(jí)加載占40分，最后用得分系數(shù)乘以每級(jí)所對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)后相加即為最終得分。設(shè)計(jì)時(shí)間短促，在Ls-Dyna求解器輔助計(jì)算的幫助下，適當(dāng)放棄了一二級(jí)加載的滿分成績(jī)，著重加強(qiáng)結(jié)構(gòu)在第三級(jí)加載時(shí)的承載能力，最終我們?cè)诩ち业谋荣愔腥〉昧溯^為優(yōu)異的成績(jī)。

結(jié)論

       本案例設(shè)計(jì)時(shí)間較短，模型優(yōu)化尚不完善，竹材的抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高與它的抗壓強(qiáng)度，爭(zhēng)取讓塔身每一根桿件的受力狀態(tài)均以拉應(yīng)力為主才是最理想的受力情況。首先，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)仍有少數(shù)幾處桿件承受較大壓應(yīng)力，材料性能未能充分利用。其次，模型的結(jié)構(gòu)形式與桿件截面形式并不是最優(yōu)配置，還需要更多的試驗(yàn)和仿真工作來(lái)進(jìn)一步作出優(yōu)化。結(jié)構(gòu)的神奇之處就是在于不斷的積累與創(chuàng)新，在CAE仿真分析手段的輔助下，相信更多的工程師可以創(chuàng)造出更多神奇并且穩(wěn)定的優(yōu)化形式。

                                                                                                               投稿人：高鈺博

                                                                                                               指導(dǎo)教師：周文君

                                                                                                               所屬單位：吉林建筑科技學(xué)院