CN111553109A - 一种薄壁离心混凝土钢管塔受力及有限元分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢管塔优化技术领域,具体涉及一种薄壁离心混凝土钢管塔受力及有限元分析方法,包括如下步骤:首先建立钢管塔结构有限元数学计算模型,有限元数学计算模型采用3D六面体8节点实体单元C3D8R;根据钢管塔中钢材材料性能、壁厚以及混凝土性能、壁厚的设计参数,计算出钢管塔底部截面上所施加的弯矩的标准设计值;将步骤S2中数据输入到步骤S1中建立的有限元数学计算模型中进行计算分析,计算荷载作用下各节点各加载负荷部位的应力情况。该方法利用商业有限元分析软件ABAQUS计算对应的应力、变形和振动频率、模态,可以对原设计方案进行检验。
Description
技术领域
本发明属于钢管塔优化技术领域,具体涉及一种薄壁离心混凝土钢管塔受力及有限元分析方法。
背景技术
离心钢管混凝土(Cnertiufge Conerete Filled Steel Tubular)结构是钢管与混凝土组合结构中的一个分支,薄壁离心钢管混凝土结构电线杆塔,包括底段电线杆、中段电线杆、上段电线杆和横担,在底段电线杆下端焊接有与现场地脚螺栓固定连接用的法兰,各段电线杆之间连接通过法兰或插接形式连接。它的主要技术性能特征是:将钢材与混凝土两种材料组合成一种新型的钢一混凝土复合结构后,外钢管借助其内壁的混凝土内衬而增强管壁的局部稳定性,同时使受拉侧的应力分布由单向受拉状态变为双向受拉状态,提高了钢管的抗拉强度和钢管内壁的防腐能力。同时,钢管内的混凝土借助钢管对它的“紧箍作用”,使其原来的单向压应力状态变为三向压应力状态,大大提高了混凝土的抗压强度。
从薄壁离心混凝土钢管塔的典型生产工艺流程可以看出,纵焊缝和环焊缝焊接主要采用埋弧自动焊,埋弧焊(含埋弧堆焊及电渣堆焊等)是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。其固有的焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点,使其成为压力容器、管段制造、箱型梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法。埋弧自动焊的主要优点是:(1)生产率高埋弧焊的焊丝伸出长度(从导电嘴末端到电弧端部的焊丝长度)远较手工电弧焊的焊条短,一般在50mm左右,而且是光焊丝,不会因提高电流而造成焊条药皮发红问题,即可使用较大的电流(比手工焊大5-10倍),因此,熔深大,生产率较高。对于20mm以下的对接焊可以不开坡口,不留间隙,这就减少了填充金属的数量。(2)焊缝质量高对焊接熔池保护较完善,焊缝金属中杂质较少,只要焊接工艺选择恰当,较易获得稳定高质量的焊缝。(3)劳动条件好除了减轻手工操作的劳动强度外,电弧弧光埋在焊剂层下,没有弧光辐射,劳动条件较好。埋弧自动焊至今仍然是工业生产中最常用的一种焊接方法。适于批量较大,较厚较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊接。广泛应用于化工容器、锅炉、造船、桥梁等金属结构的制造。
然而,埋弧自动焊在操作中产生的缺陷主要有裂纹、未熔合、未焊透、夹渣、气孔等,比较容易出现的缺陷为未焊透、夹渣和气孔。未焊透形成的原因:a.焊接参数不当(如电流过小,电弧电压过高);b.坡口不合适;c.焊丝未对准。焊缝的夹渣除与焊剂的脱渣性能有关外,还与工件的装配情况和焊接工艺有关。对接焊缝装配不良时,易在焊缝底层产生夹渣。焊缝成形对脱渣情况也有明显影响。平而略凸的焊缝比深凹或咬边的焊缝更容易脱渣。
鉴于以上情况,同时离心混凝土钢管杆的钢材用量比较大,其材料费用在整个线路工程中所占的比例较高,怎样在保证钢管塔的承载性能的前提下,对薄壁离心混凝土钢管塔的受力、外负荷、变形及振动频率等进行分析,然后进行优化设计方案,即在保证安全性的前提下寻找最大的经济性是个诚需解决的问题。现有输电塔结构优化分析及设计方法还存在如下两种缺陷:现有的输电塔结构分析设计方法对于多工况、多荷载下输电塔的优化设计结果收敛速度慢,计算不精准,;现有的输电塔结构分析设计方法,步骤繁琐,对于塔型较为固定的输电塔,如钢管塔,缺乏操作简单、方式简洁又可在一定程度上满足工程实际要求的分析设计方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种薄壁离心混凝土钢管塔受力及有限元分析方法,该方法利用商业有限元分析软件ABAQUS计算对应的应力、变形和振动频率、模态,可以对原设计方案进行检验。
本发明的技术方案是:
一种薄壁离心混凝土钢管塔受力及有限元分析方法,包括如下步骤:
S1.首先建立钢管塔结构有限元数学计算模型,有限元数学计算模型采用3D六面体8节点实体单元C3D8R,给钢管塔横担上地线、挂线卡上导线施加荷载,同时把风载计入荷载总和,以底端固定为有限元数学计算模型的边界条件;
S2.根据钢管塔中钢材材料性能、壁厚以及混凝土性能、壁厚的设计参数,计算出钢管塔底部截面上所施加的弯矩的标准设计值,计算公式如下:
(1)轴心受压短柱的极限承载力设计值N0为
N0=Asfs+1.3Acfc
式中,As、Ac分别为钢管和混凝土的截面面积;fs、fc分别为钢管和混凝土的抗压强度设计值;
(2)构件的含钢特征值φ为
(3)受弯构件的极限承载弯矩设计值Mu为
式中,r为钢管截面的外半径,
在设计过程中,设计弯矩M一定不能超过极限承载弯矩设计值,即
M≤Mu
S3.将步骤S2中数据输入到步骤S1中建立的有限元数学计算模型中进行计算分析,计算荷载作用下各节点各加载负荷部位的应力情况。
具体的,施加的所述的荷载为水平力。
具体的,所述的有限元数学计算模型采用的软件是有限元分析软件ABAQUS。
本发明的有益效果是:利用有限元方法对薄壁离心混凝土钢管塔进行了计算分析,从有限元的计算结果来看,弯曲正应力的分布基本上保持一侧受拉,另一侧受压的状态。在受拉区域,原设计的底部截面上的最大弯曲正应力出现在钢管的外壁,其最大弯曲正应力值均小于钢材的强度设计值215MPa,满足强度要求。混凝土层内的最大弯曲正应力出现在混凝土和钢管的界面层上,其值均小于钢材的强度设计值215MPa,满足强度要求。混凝土层内的最大弯曲正应力出现在混凝土和钢管的界面层上,其值均小于混凝土和钢管材料的不匹配,在二者的界面处混凝土具有较高的弯曲拉应力,其值大于混凝土的受拉强度设计值,因此,该出的混凝土可能会最先被拉断,造成混凝土和钢管层的剥离。
从本发明提供的方法可以得出杆塔高度越高,其一阶频率就越低。同时,和频率对应的振动模态反映了该阶振型在哪个自由度上起主导作用。
附图说明
图1是实施例1提供的杆塔导线上导线的张力方向示意图;
图2是实施例1提供的杆塔有限元计算模型;
图3是实施例1提供的杆塔的横截面及测试点位置示意图;
图4是实施例2提供的杆塔上导线的张力示意图;
图5是实施例2提供的杆塔有限元计算模型;
图6是实施例3提供的杆塔上导线的张力示意图;
图7是实施例3提供的杆塔有限元计算模型;
其中箭头方向指的是导线的张力方向。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细的描述。
本发明提供的一种薄壁离心混凝土钢管塔受力及有限元分析方法,包括如下步骤:
S1.首先建立钢管塔结构有限元数学计算模型,所述的有限元数学计算模型采用的软件是有限元分析软件ABAQUS,有限元数学计算模型采用3D六面体8节点实体单元C3D8R,给钢管塔横担上地线、挂线卡上导线施加荷载,施加的所述的荷载为水平力,同时把风载计入荷载总和,以底端固定为有限元数学计算模型的边界条件;
S2.根据钢管塔中钢材材料性能、壁厚以及混凝土性能、壁厚的设计参数,计算出钢管塔底部截面上所施加的弯矩的标准设计值,计算公式如下:
(1)轴心受压短柱的极限承载力设计值N0为
N0=Asfs+1.3Acfc
式中,As、Ac分别为钢管和混凝土的截面面积;fs、fc分别为钢管和混凝土的抗压强度设计值;
(2)构件的含钢特征值φ为
(3)受弯构件的极限承载弯矩设计值Mu为
式中,r为钢管截面的外半径,
在设计过程中,设计弯矩M一定不能超过极限承载弯矩设计值,即
M≤Mu
S3.将步骤S2中数据输入到步骤S1中建立的有限元数学计算模型中进行计算分析,计算荷载作用下各节点各加载负荷部位的应力情况。
实施例1
本实施例选取一转角塔进行有限元分析,其几何、物理、荷载参数如下所示:
导线与地线参数
导线型号:LGJ-300/25
横截面积:333.3mm2;
最大使用应力:40MPa;
最大使用拉力:333.3×40MPa=13332N;
地线型号:GJ-50;
横截面积:49.46mm2;
最大使用应力:155MPa;
最大使用拉力:49.46×155MPa=7666.3N。
几何尺寸:
杆塔高度:25m。
计算模型的荷载条件
横担上地线拉力F1=4×sin45o×7666.3N=21683.57N
作用位置:距底端25m
挂线卡上导线张力F2=2×sin45o×13332N=18854.30N
作用位置:距底端21.5m;
横担上导线拉力F3=4×sin45o×13332N=37708.59N
作用位置:距底端18m。
如图1所示为本实施例所述杆塔的导线张力方向示意图。
计算模型的边界条件:底端固定。
材料参数
钢Q235:E=206GPa,μ=0.3;
混凝土C40:E=32.5GPa,μ=0.2。
网格划分
单元类型:3D六面体8节点实体单元C3D8R;
单元与节点数量:77040个单元,90300个节点。
如图2所示为本实施例所述的钢管塔有限元计算模型,图3所示为该钢管塔哼截面积考察点位置示意图,按照上述有限元分析步骤对该横截面上有限元计算,其结果和复合材料力学理论结果对比如下表1所示,其振动频率和振动模态计算结构如下表2所示。
表1
表2
实施例2
本实施例选取一转角塔进行有限元分析,如图4所示为本实施例所述杆塔的导线张力方向示意图,该转角塔的强度、刚度和动力学特性如下:
几何、物理、荷载参数
导线与底线参数
导线型号:LGJ-300/25
横截面积:333.3mm2;
最大使用应力:40MPa;
最大使用拉力:333.3×40MPa=13332N。
地线型号:GJ-50
横截面积:49.46mm2;
最大使用应力:155MPa;
最大使用拉力:49.46×155MPa=7666.3N。
几何尺寸
杆塔高度:31.5m。
计算模型的荷载条件
横担1上地线拉力F1=4×sin20o×7666.3N=10488.12N
作用位置:距底端31.5m;
横担2上导线拉力F2=4×sin20o×13332N=18239.25N
作用位置:距底端28m;
横担3上导线拉力F3=4×sin20o×13332N=18239.25N
作用位置:距底端24.5m;
横担4上导线拉力F4=4×sin20o×13332N=18239.25N
作用位置:距底端21m。
计算模型的边界条件
底端固定。
材料参数
钢Q235:E=206GPa,μ=0.3;
混凝土C40:E=32.5GPa,μ=0.2。
网格划分
单元类型:3D六面体8节点实体单元(C3D8R);
单元与节点数量:113400个单元,132790个节点。
如图5所示为本实施例所述的钢管塔有限元计算模型,,按照上述有限元分析步骤对该横截面上有限元计算,其结果和复合材料力学理论结果对比如下表3所示,其振动频率和振动模态计算结构如下表4所示。
表3
表4
实施例3
本实施例选择一直角耐张塔进行有限元分析,其导线张力方向如图6所示。其强度、刚度和动力学特性参数如下所示。
几何、物理、荷载参数
导线与底线参数
导线型号:LGJ-300/25
横截面积:333.3mm2;
最大使用应力:80MPa;
最大使用拉力:333.3×80MPa=26664N。
地线型号:GJ-50
横截面积:49.46mm2;
最大使用应力:155MPa;
最大使用拉力:49.46×155MPa=7666.3N。
几何尺寸
顶部截面:φ=260mm(外径),ts=6mm,tc=32mm;
底部截面:φ=852mm(外径),ts=10mm,tc=35mm;
杆塔高度:38.5m。
计算模型的荷载条件
电线风载:
横担1上导线风载合力F1=2094.4×2=4188.8N
合力作用位置:距低端38.5m;
横担2上导线风载合力F2=5009.4×2=10018.8N
合力作用位置:距低端37m;
横担3上导线风载合力F3=4851.7×2=9703.4N
合力作用位置:距低端33.5m;
横担4上导线风载合力F4=4693.99×2=9387.98N
合力作用位置:距低端30m;
杆塔风载:
杆塔上风载合力F5=17183.9N
合力作用位置:距低端15.84m。
在设计规范中,上述风载均要乘以系数1.15(放大15%)来得到实际的计算荷载。
计算模型的边界条件
底端固定。
材料参数
钢Q235:E=206GPa,μ=0.3;
混凝土C40:E=32.5GPa,μ=0.2。
网格划分
单元类型:3D六面体8节点实体单元(C3D8R);
单元和节点数量:323400个单元,377790个节点。
如图7所示为本实施例所述的钢管塔有限元计算模型,按照上述有限元分析步骤对该横截面上有限元计算,其结果和复合材料力学理论结果对比如下表5所示,其振动频率和振动模态计算结构如下表6所示。
表5
表6
从以上实施例中有限元的计算结果来看,弯曲正应力的分布基本上保持一侧受拉,另一侧受压的状态。在受拉区域,原设计的底部截面上的最大弯曲正应力出现在钢管的外壁,其最大弯曲正应力值均小于钢材的强度设计值215MPa,满足强度要求。混凝土层内的最大弯曲正应力出现在混凝土和钢管的界面层上,其值均小于钢材的强度设计值215MPa,满足强度要求。混凝土层内的最大弯曲正应力出现在混凝土和钢管的界面层上,其值均小于混凝土和钢管材料的不匹配,在二者的界面处混凝土具有较高的弯曲拉应力,其值大于混凝土的受拉强度设计值,因此,该出的混凝土可能会最先被拉断,造成混凝土和钢管层的剥离。
本发明使用有限元分析软件ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件,其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库,可以模拟典型工程材料的性能,其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料,作为通用的模拟工具,ABAQUS除了能解决大量结构(应力/位移)问题,还可以模拟其他工程领域的许多问题,例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制;尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换;而不脱离本发明技术方案的精神,其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (3)
1.一种薄壁离心混凝土钢管塔受力及有限元分析方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1.首先建立钢管塔结构有限元数学计算模型,有限元数学计算模型采用3D六面体8节点实体单元C3D8R,给钢管塔横担上地线、挂线卡上导线施加荷载,同时把风载计入荷载总和,以底端固定为有限元数学计算模型的边界条件;
S2.根据钢管塔中钢材材料性能、壁厚以及混凝土性能、壁厚的设计参数,计算出钢管塔底部截面上所施加的弯矩的标准设计值,计算公式如下:
(1)轴心受压短柱的极限承载力设计值N0为
N0=Asfs+1.3Acfc
式中,As、Ac分别为钢管和混凝土的截面面积;fs、fc分别为钢管和混凝土的抗压强度设计值;
(2)构件的含钢特征值φ为
(3)受弯构件的极限承载弯矩设计值Mu为
式中,r为钢管截面的外半径,
在设计过程中,设计弯矩M一定不能超过极限承载弯矩设计值,即
M≤Mu
S3.将步骤S2中数据输入到步骤S1中建立的有限元数学计算模型中进行计算分析,计算荷载作用下各节点各加载负荷部位的应力情况。
2.根据权利要求1所述,其特征在于,施加的所述的荷载为水平力。
3.根据权利要求1所述,其特征在于,所述的有限元数学计算模型采用的软件是有限元分析软件ABAQUS。
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