北京市结构设计计算书

高压线塔架计算书

目录

一、前言 (1)

二、模型加工图及结构选型 (1)

三、材料性能 (4)

3.1设计实验……………………………………………………

3.2实验数据及性能参数………………………………………

四、结构建模…………………………………………

4.1计算假设……………………………………………………

4.2计算模型……………………………………………………

4.3材料主要参数………………………………………………

五、受荷分析与结构强度校核………………………

5.1水平静载作用下应力与刚度分析…………………………

5.2冲击载荷作用下结构的强度校核…………………………

六、模型加工…………………………………………

6.1节点设计……………………………………………………

6.2模型加工……………………………………………………附录……………………………………………………

一、前言

随着能源转型的进行，电力设施成为国家经济命脉。而作为其支柱的高压电线塔架的重要性日益凸显，它的主要设计要求是“坚固而经济”。本塔架形式独特，设计精巧，采用四层对称塔式结构，桁架布置经济有效，严格按照规则要求设计，做到了坚固实用，精致大方。

输电塔通常是用金属材料轧制成的型钢和钢板做基本构件，采用焊接或螺栓连接等方法，按照一定结构组成规则连接起来的钢结构构件。在电力输送环节起着重要的作用。一条送电线路由发电厂开始，到用电单位结束，中间要穿越村庄、农田、森林和高山，跨越河流、公路、铁路等，塔架结构作为送电线路的重要组成部分，起着支撑和架空电力线的作用。在送电线路工程中，高压和超高压送电线路工程，是国家经济建设的生命线工程，线路中的高压线塔架结构担负着架空电力线的重任，不言而喻其作用是极其重要的。

图1. 塔架的各种结构形式

塔架结构型式主要有钢管拉索，柱形桁架拉索，塔型桁架，椎管和折叠塔杆五种结构形式，所选用的塔型桁架，顶部截面结构尺寸小，根部界面结构尺寸大，可以按照等强度减少耗材的原则进行设计，塔架的性价比较高，在松软地质的地面上，采用这种塔架，节省基础用材料，减少基础挖掘深度，降低工程造价。

二、模型加工图及结构选型

我们综合比较了各种模型以及桁架布置之后，选择了如图1所示的模型作为最终的模型进行分析计算和制作。（为能使俯视图更加清晰，所以三视图未按国家标准位置摆放。）模型所用材料截面及尺寸见表1。

图2. 塔架结构正视图以及杆编号 图3. 塔架结构左视图及杆编号

图4. 塔架结构俯视图及杆编号

一层

二层

三层

四层

A

B

A

1

2

3

表1. 材料表

因为“X”型结构维持整体以良好的稳定性和抗弯抗扭能力，结构设计围绕每

层的“X”型部分展开，并在其上做相应的小结构以稳定补充。按照结构整体等强原则，塔架每层高度不同，经过多次强度分析比较，最终选定为自上而下2:3:3:6比例制作，各层结构标号如上图，下面分层分析选型原因及悬臂部分设计。

一层：C 、D 杆将载荷传递到未加载一面，避免载荷集中于一面而另一面却不会受到较大应力的情况，以减小受力一侧的应力值；E 横杆分配外载，稳定结构。正面、侧面仅有“X”结构即可满足强度要求，因为悬臂部分设计已十分稳固，如此简单处理即可满足经济性要求。

二层：正面、侧面结构不同，这是考虑到在比赛要求的冲击载荷作用下，两侧面受力情况不相同的缘故。主视图内，A 梁主要承受向纸内偏左方向的弯曲和自上向下看顺时针的扭转，而左视图内，B 梁主要承受向左的弯曲。在前后两面，一二层交界处各添加横梁支撑以防止主梁在1节点处断裂；“X”型结构上各添加两竖杆可以起到缩短杆长从而防止“X”型结构木杆太长而失稳。在左右两面，层内添加两根横梁可以防止A 、B 梁变形过大，使层内斜杆瞬间承受巨大冲击发生断裂；在“X”结构上各添加两竖杆，原因是缩短杆长，防止失稳。

二、三层交界处：添加水平十字交叉结构，减弱塔架在水平方向内的扭转，稳定结构。

三层：前后两面在“X”型结构的基础上，添加中点三角形，此处借鉴了已经投入使用

的真实塔架的细节处理，大量实验证明，它 图5. 支脚部分细节图 不仅稳定性好而且分散受力，处于第三层的位置较为稳妥合适。而左右两面借鉴

第二层左右两面的结构，并且为了进一步节约材料省去上面的横杆，在保证了强度的同时使模型更轻。

四层：按照世纪实际塔架的结构设计为“X”型加中点三角形结构，另外在高100mm处增加横杆和水平十字交叉结构，以满足安装时的净空要求，也进一步提高了抗扭刚度。在支脚的35mm高度加水平横梁结构（见图5）以便于在实际现场固定。

三、材料性能

3.1设计实验

依据材料性能测量的

国家标准，我们适度简化，

将工件制作成如图6所示

形状，标记有效长度，制作

两端的夹头。每组实验重复

三次，拉伸加载速度为

1mm/min,弯曲试验的加载

速度为2mm/min,破坏区在

有效区内算作有效。图6. 实验试样图（含对照）对以上试样进行拉伸试验后（试样固定见图7，断口见图8、图9、图10）得到一系列数据。

图7. 加载前试样被固定图8. 加载后试样1断裂

图9. 试样1断裂细节图 图10. 加载后试样2断裂

3.2实验数据及性能参数

加载实验中得到了以下实验结果，对三组结果的情况求平均值，计算材料的弹性模量E 和许用应力σ。 2×2杆拉伸试验：

横截面积2224A mm =?= 伸长量0.8l mm ?= 屈服受力120F N = 有效长度70l mm = ∴弹性模量112070

2.6250.84

N F l X E GPa lA X ===? 许用应力值[]1120

3022

MPa X σ=

= 2×4杆压缩试验： 横截面积2248A mm =?= 伸长量 2.5l mm ?= 最大受力400F N = 有效长度110l mm = ∴弹性模量2400110

2.22.58

N F l X E GPa lA X ===?

许用应力值[]2400

5024

F MPa A X σ=

== 4×6杆压缩试验： 横截面积26424A mm =?= 伸长量0.5l mm ?= 最大受力540F N =

有效长度15l mm = ∴弹性模量354015 2.120.524

N F l E GPa lA ?=

==??

许用应力值[]354022.524

F MPa A σ=

== 由此可见，木材的力学性能有很大的离散性。 又考虑到压杆稳定性的问题，将木材的许用应力取为20MPa ，计算杆的柔度。

杆的临界柔度： 3.1435.11p λ===mm

4.3材料主要参数

在本模型中，采用的材料尺寸为2×2,2×3，2×4,3×4根据测得的材料性能，计算各尺寸参数如表2：(E 取平均值2.5GPa ，[]σ值取上述计算中的最小值22.5MPa ）

四、结构建模

4.1计算假设

①塔架底部四角和水平杆可由支座固定，不会发生偏移转动，所以水平杆在计算过程中可以忽略，而为了计算简便，仅仅认为四个支座底部四点自由度为零。

②结构会受到扭转的冲击载荷作用，因而采用空间梁单元beam4进行计算。

③加载时，由于加载点距结构对称轴的距离为125mm ，多余伸出的20mm 予以忽略。

④计算时所有载荷均视为作用于节点的集中力。

⑤在计算时，因模型主要为拉压杆，故可视木材为各向同性材料，即许用应力[σ]=22.5MPa ，弹性模量E=2.5GPa 。 4.2计算模型

由以上假设结合加载时的实际情况，计算模型如下图所示

图11.计算模型及约束情况

五、受荷分析与结构强度校核

利用ANSYS软件我们进行了模拟计算分析，得到结构各处的应力位移，由于结构受到弯矩和轴力的共同作用，所以采用第四强度理论进行校核，在ANSYS 中使用von mises stress（Mises等效应力）值进行校核。现从以下几个方面对结构进行分析：

5.1水平静载作用下应力与刚度分析

当结构受到30N静载作用时，我们将作用力等效为悬臂伸出的节点处的一个集中力，沿x轴正方向，大小30N。

30N

图12. 30N静载作用计算模型

5.1.1结构强度计算应力云图（图13）

在水平静载的作用下，受拉面最大轴力出现在第三层，剪力弯矩比较均匀的从最顶层传递到了下面。结构的整体变形呈现弯曲的主要特点，随着高度的增大，位移不断增大。受压面整体情况类似，最大受力出现

在第三层。这同时说明，在第三层的节点加固的必要。

5.1.2结构刚度计算结构变形图（图14）

加载时位移计测量位置与力作用位置的位移可以认为是相等的。而根据云图的显示最大水平位移出现在悬臂端点，也就是静载力的作用点

处，大小为2.948mm，根据所计算的其他模型显示此位移值的大小较为适中，能够满足结构刚度的要求。

图13. 30N水平静载作用下结构应力云图

图14. 30N水平静载作用下节点位移云图

5.2冲击载荷作用下结构的强度校核

根据要求，在维持20N 静载扭转作用力时，从100mm 的高度将10N 的砝码自由落体进行冲击试验。因而我们计算10N 的载荷以静载荷的方式等效施加到模型上，计算获得扭转时结构的最大位移Δst =1.461mm ，如图4.4所示，利用公式st

d h

K ?+

+=211从而进一步计算得到载荷的动力放大系数K d =12.74。在考虑已存在的20N 作用力，这一冲击过程等效的作用力大小为147.4N 。为了保证结构不处于临界损坏状态，取作用力为150N 。

图15. 10N 扭转力作用下结构位移云图

由此可以得到冲击载荷作用下的计算模型如下图所示：

图16.冲击载荷计算模型

?

150N

利用ANSYS，我们可以计算得到整体的受力情况如下所示：

图17. 150N扭转作用力应力云图（力的作用侧）

图18. 150N扭转作用力应力云图（非力的作用侧）

为了更加精确的分析，计算出各个单元的应力值（轴向应力+弯曲应力），以提供对模型制作的参考，其中主要危险单元的应力情况如下表所示：（全部单元的应力值列在附录中）

表3. 危险单元应力值（许用值[σ]=22.5Mpa）

表中加斜加粗的单元是结构中应力最大的单元，从应力云图以及单元应力表中可以看到结构中主要的危险的位置处于第二层，第三层受力侧的2×2mm斜杆。而由之前得到的木材的许用应力值可以知道结构的强度应是足够的。由图17、18的应力云图可以知道结构最大的等效应力为22.094Mpa，并没有超过实验获得的许用应力22.5Mpa，再考虑上对节点处进行强化处理，所以设计出的结构可以承受所要求的冲击载荷而不发生损坏。

六、模型制作

6.1节点设计

在制作过程中为了保证节点的强度足够，我们采用了以下几种节点处理方式。如图19所示，我们将节点处各个杆件粘接到一起以3提升节点的强度，图20中为了避免可能出现的失稳问题，将相交的杆件粘接到一起，而某些位置采用的则是外贴式的设计，是为了增大胶粘的接触面积使胶结牢固，如图21。

图19. 相交节点粘接图20.共节点杆件处理

图21.外贴杆件粘贴

而在主梁与第三层、第四层的交点处，计算显示此节点处应力较大，为了保证结构在冲击载荷的作用下，结构可以有效地传递力与力矩而不发生破

坏，我们在这些位置贴上10×1×4mm的薄片，同时为了防止应力集中，我们将薄片的厚度打磨成如图22所示的渐变的形式。

图22. 层间贴片图23.底座加固

我们还考虑到在实际加载过程中，为了保证底座的加持刚度势必会对木材表面产生挤压造成非塑性变形，我们也将底座加持处进行了加固（见图23）以尽量避免角钢对木材的损伤。

6.2模型加工

经过反复计算，为了在保证强度的基础上减轻重量，我们对木材做了改变横截面积的处理。大赛给定的材料尺寸为2x2,2x4,2x6,4x6。但是经计算发现，主梁采用4x6尽管坚固，却不够经济省材，造成了浪费。同时2x6用于内部交叉结构上，抗弯性能又不理想。在材料的处理上，我们采用挫削方法，将材料尺寸变为3x4,2x3,2x2，很大程度上避免了浪费，又满足了强度刚度的要求。

附录：

150N扭转作用力下各个单元应力表

最小值

单元编号241 应力值-18.726 最大值

单元编号49 应力值21.062