40米全钢结构抱杆稳定性分析

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40米全钢结构抱杆稳定性分析

申 琳

(杨凌职业技术学院, 陕西 杨凌 712100)

摘　要：针对大跨度输电线铁塔组立所用的特种起重机械——抱杆结构，采用有限元软件建立了两种抱杆空间三维模型，分三种工况对抱杆结构进行了强度、特征值屈曲分析和非线性特征值屈曲分析；研究表明，抱杆在三种状况下的强度、稳定性及变形均满足设计要求。

关键词：输电铁塔; 抱杆结构; 特征值屈曲分析; 稳定分析

0　引　言

随着电厂装机容量越来越大，电力输送逐渐形成输电线路远、电压高的特点。输电线铁塔在山区安装，交通不便，材料及其中运输工具是其最困难的。抱杆作为一种起重机械，其施工灵活，机具操作方便，并且能够拆卸，便于运输，解决了现场起重运输工具的问题。

抱杆是一种格构式的高耸结构，截面尺寸小，故稳定问题是其应考虑的主要问题。本文采用ANSYS有限元软件对40米全钢结构抱杆进行力学性能分析，以检验抱杆在三种工况下的稳定性能否满足要求，进而为抱杆在实际工程中的应用提供理论依据。

1　荷载工况

本文在进行抱杆计算时考虑的荷载有：抱杆自重、起吊荷载、风荷载。施加荷载时分三个工况进行：

工况一：抱杆垂直吊起100 kN重物。

工况二：抱杆倾斜10度，然后吊起100 kN重物。

工况三：吊钩与抱杆主杆形成17度的夹角，吊起工况二的重物。

2　模型建立

本文分别按实体结构单元和线性结构(beam189、link8)两种情况分别建立模型。抱杆是分段拼成的，每段长2.5 m，共16段，各段之间是用螺栓连接起来的。其中：中间14段的截面相同，最顶部和最下部的是变截面的。中间的14段使用的材料是80×8等边角钢，其他的缀材采用的是50×5的等边角钢，外拉线使用的是直径为15 mm的钢丝绳。抱杆结构材料性质按弹性阶段来定义。弹性模量E=2e5 N/mm2 , 泊松比γ=0.3，屈服强度Q235：fv=235 N/mm2 ，Q345：fv=345 N/mm2。

有限元建立的抱杆结构的分析模型如图1、图2所示：

3　有限元计算结构与分析

在用有限元对抱杆结构进行计算的过程中，线结构模型抱杆主体分别按照梁单元(Beam189)和空间杆系单元(LINK8)来分析。

3.1　静力计算结果与分析

静力计算分三种工况，在考虑风荷载和不考虑风荷载两种情况下来进行计算。

3.1.1　不考虑风荷载 　工况一的静力计算结果如

图3、图4、图5所示：

图1　线结构模型　　　　　图2　实体结构模型

图3　Solid实体单元静力分析　 图4　beam189梁单元静力分析　　 图5　Link8梁单元静力分析

工况一静力计算结果分析：

从计算结果图3、图4、图5可以看出：用Solid实体单元计算得出，最大应力出现在底部端，大小60.47化MPa。各个要求截面均未出现大于屈服应力的应力分布。拉线受力为0；用beam189梁单元计算得出，最大应力出现在顶部部端，大小29.40 MPa，各个要求截面均未出现大于屈服应力的应力分布；用link8杆单元计算得出，最大应力出现在顶部部端，大小29.20 MPa，各个要求截面均未出现大于屈服应力的应力分布，在该工况下由拉线受力为0，荷载主要有抱杆承担。

工况二的静力计算结果如图6、图7、图8所示：(实体单元为了观察方便，对实际变形进行了放大)。

图6　Solid实体单元静力分析 　　图7　beam189梁单元静力分析　　　 图8　Link8梁单元静力分析

工况二静力计算结果分析：

从计算结果图6、图7、图8可以看出：Solid实体单元计算得出，最大应力出现在顶部端，大小431.81 MPa，各个要求截面均未出现大于屈服应力的应力分布。两拉线拉力分别为19.099 kN和15.102 kN；用beam189梁单元计算得出，最大应力出现在底部部端，大小55.0 MPa，各个要求截面均未出现大于屈服应力的应力分布；用link8杆单元计算得出，最大应力出现在底部部端，大小53.5 MPa，各个要求截面均未出现大于屈服应力的应力分布。

工况三的静力计算结果如图9、图10、图11所示：

工况三静力计算结果分析：

从计算结果图9、图10、图11可以看出：Solid实体单元计算得出，最大应力出现在底部，各个要求截面均未出现大于屈服应力的应力分布；beam189梁单元计算得出，最大应力出现在顶部部端，大小155 MPa，各要求截面均未出现大于屈服应力的应力分布；用link8杆单元计算得出，最大应力出现在底部部端，大小155 MPa，各个要求截面均未出现大于屈服应力的应力分布，两拉线拉力分别为27.437 kN和27.447 kN。

通过前面三个工况下的静力计算可以看出：三种单元中第一种实体单元结构考虑了支座端，加载端和焊接处的应力集中，因此其计算获得的最大应力比之于线单元模型要高出很多,且最大点位置也有所不同。

但是应力集中和焊接中的应力集中可以通过施工工艺加以控制，且三种模型计算所得最大应力均明显低于屈服应力，有较好的安全储备，能满足荷载要求。

图9　Solid实体单元静力分析　　图10　beam189梁单元静力分析　　 图11　Link8梁单元静力分析

3.1.2　考虑风荷载　经过验算在三种工况中，工况三在受到规定风荷载时，工作状态最为危险。图12为其整体变形图。最大应力出现在接近抱杆中点的位置，其数值为368 MPa，且该最大应力不属于应力集中引起。即使采用良好的焊接工艺或者局部加强也难以降低该最大应力且拉线拉力将高达69.07 kN。

3.2　横向变形分析

横向变形截面划分如图13所示。

3.2.1　横向变形结果如表1所示。

图12　考虑风荷载作用后的静力分析图　　　　图13　横向变形截面划分

表1　横向变形值 　单位：m

工况一SolidBeam189Link8工况二Solidbeam189link8工况三Solidbeam189link8截面10.00200截面10.1886.226.94截面10.1837.97.9截面20.00461.520.22截面20.116.1915.44截面20.1418.3518.35截面30.00683.010.4截面30.152.591.68截面30.22.772.77截面40.01669.550.91截面40.51.861.5截面40.71.771.77截面50.029916.640.8截面504.023.21截面514.645.6截面60.080522.172.19截面6112.8211.75截面60.813.6613.66截面70.03374.520.43截面715.324.96截面7110.7210.72

3.2.2　横向变形结果分析　从表中可以看出，对于实体单元由于模型刚度较大，且假设焊接和连接处完美无缺陷，因此刚度最大，横向变形最小。对于link8杆单元的计算结果，由于此单元性质导致缀杆(50×5)和主杆(80×8)之间之间连接刚度小于其他两种模型,使得水平主杆形成类似箍筋的效果，因此关注截面的横向变形较小，荷载主要使得缀杆和竖杆发生竖向变形和位移。所以Solid单元和link8单元的分析结果分别比实际的杆件连接刚度偏大和偏小。故横向变形选择beam189梁单元的计算结果较为合适。且三种模型计算所得的变形均符合刚度要求，不属于过大变形。

3.3　特征值屈曲分析

3.3.1　特征值屈曲分析结果　 抱杆结构的线弹性临界荷载的计算有时候误差很大，并不能与结构的真实失稳条件相符，但在工程设计中往往可以用来初步估算临界荷载值。有限元软件对抱杆在三种工况下的特征值屈曲分析如下：

工况一下三种单元抱杆的一阶屈曲模态如图14、图15、图16所示：

图14　Solid实体单元 　　　　 　 图15　beam189梁单元　　　　　　 图16　 Link8梁单元

工况二下三种单元抱杆的一阶屈曲模态如图17、图18、图19所示：

图17 Solid实体单元　　　 　　　图18　beam189梁单元　　　　　　 图19　Link8梁单元

工况三下三种单元抱杆的一阶屈曲模态如图20、图21、图22所示：

图20　Solid实体单元 　　　　 　图21　beam189梁单元　　　　　　 图22　Link8梁单元

3.3.2　对特征值屈曲分析结果的分析　由分析结果可以看出，抱杆三种工况的失稳临界荷载结果如表2所示。

表2　特征值屈曲分析结果

Solidbeam189link8工况一1.291.77441.76工况二1.28.12218.0773工况三1.87.1347.0951

表2中的结果是现有荷载的倍数。对于采用实体单元的计算结果，在工况一中一阶失稳荷载是工况规定荷载(123 kN)的1.29倍，并且此结果是在底部固定较好的情况下计算的结果，表明该结构在该工况下容易失稳，建议加固。

在工况二下一阶失稳荷载是工况规定荷载(123 kN)的1.2倍，表明该结构在该工况下稳定性满足要求，但是容易失稳，建议加固。

在工况三下一阶失稳荷载是工况规定荷载(123 kN)的1.8倍，表明该结构在该工况下稳定性满足要求，但是比较容易失稳，建议加固。

线单元(beam189和link8)的计算结果中失稳临界荷载高于实体模型失稳临界荷载，主要原因在于计算时线单元无法考虑杆件的扭转失稳和弯扭联合失稳对临界失稳的影响。并且，结合工况三在风荷载下的静力分析结果，会使得抱杆产生纵横弯曲的效果，这将进一步降低临界荷载，使结构更易于失稳。

由特征值屈曲分析还可以看出：

(1)该抱杆发生的是整体失稳，一般不会发生局部失稳，在设计时要特别重视整体稳定问题；

(2)第一阶屈曲模态的屈曲因子最小，只要第一阶屈曲模态判别抱杆是稳定的，则在其它高阶屈曲模态下抱杆亦处于稳定状态；

(3)由一阶屈曲模态可以看出，该抱杆是由于水平平动位移过大而引起失稳的，而不是因为弯曲或者扭转等其它原因引起的，所以可以通过加强拉索的刚度以增加抱杆的稳定性能。

3.4　非线性特征值屈曲分析

3.4.1　非线性特征值屈曲分析结果　非特征值屈曲分析要以特征值屈曲分析为前提，采用逐渐增加荷载的非线性静态分析，以搜索在那个荷载水平下结构开始变得不稳定。有限元软件对抱杆在三个工况下的非线性特征值屈曲分析如下：

通过非特征值屈曲分析结果可以看出，三个工况下的稳定系数如表3所示。

表3　非特征值分析稳定系数

工况SolidNLbeam189NLlink8NL工况一1.2461.77361.7608工况二1.1978.17098.078工况三1.5687.137.1

3.4.2　对非线性特征值屈曲分析结果的分析　从表3可以看出：工况二下实体模型计算的的一阶稳定系数最小，其值为1.197，也就是说通过非特征值屈曲分析可以大致判断该抱杆结构的失稳时屈曲荷载是工况荷载1.197，说明抱杆在使用过程中，稳定性能满足要求，因此抱杆在考虑了一定的初始缺陷后这三种工况下的稳定性也都满足设计要求，但是该工况下较易失稳，需要对抱杆底部进行加固，并且非线性特征值屈曲分析失稳的临界荷载值结果与线性特征值屈曲分析失稳的临界荷载值接近。

4　结　论

本文对在电力建设施工中广泛使用的桅杆式起重机-抱杆结构进行了分析，以检验抱杆结构的强度、稳定性以及变形是否满足要求。采用有限元软件建立了抱杆的空间三维模型，并对其进行了静力分析、模态分析和特征值屈曲分析和非线性特征值屈曲分析。主要结论如下：

(1)抱杆(solid实体单元、link8单元和Beam189单元)在三种工况下的强度、稳定性及变形均满足设计要求。

(2)抱杆结构易发生整体失稳，在设计与使用中，注意加强拉索的刚度以增加抱杆的稳定性能。

(3)由于抱杆底部有较大的应力集中，而顶部承受有较大的载荷，应该在抱杆的顶部和底部这两个薄弱部位采取构造措施，如加焊钢板，增加其刚度，防止因局部损坏影响整个结构的正常使用。

(4)抱杆在风荷载作用下最大应力超过屈服应力，对于要求的工作荷载缺乏最后的稳定安全储备，容易失稳，风荷载与工作荷载将使得结构在纵横弯曲的情况下更加容易失稳，需对其进行加固或增加截面尺寸，增加抗弯刚度。

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Stability Analysis of 40m All-steel Holding Pole

SHEN Lin

(Yangling Vocational & Technical College, Yangling, Shaanxi 712100, China)

Abstract:The holding pole is a special crane made for assembling and hoisting. Two 3-dimensional models were constructed by finite element analysis software. This paper analyzed the strength, the eigenvalue buckling and the nonlinear eigenvalue buckling under three conditions. The research results showed that the proposed holding pole model can meet the requirement of design in strength, stability and variability.

Key words: electric transmission tower; holding pole; eigenvalue buckling analysis; stability analysis

收稿日期：2016-01-21

作者简介：申 琳(1979-)，女，陕西山阳人，硕士研究生，讲师，主要从事防灾减灾及防护工程方面的研究。

中图分类号：TU347

文献标识码：A

文章编号：1671-9131(2016)02-0016-05