输电塔架结构的理论分析与受力性能研究

【摘要】： 输电塔架是一种应用广泛的高次超静定空间结构。因输电塔架的杆件多为单角钢且用螺栓偏心连接而成，被公认为是最难以分析的一种杆系结构。本文总结了已有研究和设计资料，对输电塔架的结构理论进行了全面分析讨论，再系统地研究塔架结构的受力性能。 本文根据有限元分析的需要，采用Updated Lagrangian方法表述，推导了空间杆单元和梁单元的几何非线性切线刚度矩阵、偏心连接修正矩阵、材料非线性的塑性折减矩阵和质量矩阵。其中根据一般薄壁梁柱构件推导的空间梁单元切线刚度矩阵首次考虑了所有内力和各种初始缺陷的影响，可用于塔架或其它由薄壁构件组成结构的各种几何非线性分析研究。 在分析非线性静力和动力有限元计算方法的基础上，本文采用修正的Newton-Raphson方法进行迭代计算，并采用柱面弧长法和最小残余位移法控制迭代过程，编制了一个适合于杆件体系结构的有限元分析程序，结构可以按桁架、刚架或梁杆组合体系分析。可用于塔架结构的线性和非线性静力分析、动力特性、线性和非线性动力分析研究。 本文查阅了大量有关节点构造对塔架影响的资料，根据输电塔架的具体节点构造，系统深入地分析讨论了节点构造、腹杆连接方式、节点刚度和螺栓受剪滑移等因素对塔架受力性能的影响，对于指导有限元建模很有益处。 本文对一个500kV的实际输电塔架建立了空间桁架模型、具有不同偏心连接的混合单元模型和空间刚架模型共5种不同的有限元计算模型，进行了塔架的多种工况静力分析，讨论了计算模型、节点刚度、连接偏心和几何非线性对塔架静力分析结果的影响，并与真型塔架试验结果进行了比较分析，得出一些有益的结论。 本文用5种有限元模型对输电塔架结构进行了模态分析，均提取了高达100阶的固有频率，并分析了相应的模态，系统研究讨论了不同有限元模型、连接偏心对模态分析结果的影响，指出了各种有限元模型在塔架动力特性分析的特点和适用范围，对 输电塔架结构的理论分析与受力性能研究 浙江大学博士学位论文 输电塔架结构的动力特性研究具有指导意义。 本文还用不同有限元模型对一个实际输电塔架结构进行了动力响应分析，系统地 分析了边导线和中导线断裂两种工况下不同计算模型的计算结果，讨论了阻尼、几何 非线性、连接偏心对塔架动力响应的影响，得出了一些有用的结论，并对现行设计规 程和真型试验提出了完善建议。