螺栓滑移对承受非均匀沉降输电塔影响的数值模拟

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输电系统是现代社会一项重要的生命线工程,其中假设输电线路的输电塔的安全至关重要。随着煤矿采空区的扩大和冻胀区输电塔数量的增加,非均匀沉降对输电塔的影响研究显得越来越重要。输电塔中多采用角钢以螺栓连接而成,考虑装配需要,螺柱与螺孔之间须预留1.5mm至3mm的间隙,当输电塔承受一定载荷时螺栓连接接头会发生滑移。目前,输电塔的设计和研究大多忽略螺栓滑移的影响。   本文利用有限元方法研究螺栓滑移对承受非均匀沉降输电塔的影响,分别建立了模型塔和足尺寸输电塔两个模型。首先,利用大型有限元软件ANSYS先对其进行不考虑滑移的刚性模型模拟,并与设计输电塔专业工程软件一道亨满应力软件对比,计算结果吻合较好,其中梁—桁混合单元对输电塔简化较符合工程实际。   其次,选取塔中典型的螺栓接头,通过实验得出接头的力-位移关系曲线,并用非线性弹簧将其引入到ANSYS有限元分析中,建立含滑移输电塔模型,探讨了滑移对承受非均匀沉降输电塔的承载能力以及受力、变形的影响。分析表明,无沉降时,两种模型得出的承载能力相差不大;有沉降时,不考虑滑移的模型塔承载能力随沉降量的增加而大幅下降,而考虑滑移模型塔的承载能力下降相对较缓慢。另一方面,承受相同的非均匀沉降荷载,含滑移模型的变形比刚性模型的变形要大很多。考察杆件受力,发生沉降后,螺栓滑移使塔腿产生附加内力。足尺寸输电塔模拟中,考虑滑移时,非均匀沉降引起的附加内力在塔身中传递更高。随着高度增加,塔腿轴力下降比刚性模型要慢,在塔身的底部,斜撑杆的轴力比刚性模型的小。   从螺栓连接接头的力-位移关系曲线中可以看出,连接接头滑移前的刚度和所研究的两个模型中的杆的轴向刚度是一个量级,而刚性模型中,其刚度无穷大,这就高估了模型的刚度。本文建立考虑连接接头滑移前刚度的滑移模型,研究其动态特性,并与传统的刚性模型对比。分析表明,滑移模型的固有频率要比刚性模型低,斜撑杆和横隔杆的滑移对输电塔的一阶弯曲模态的影响不大,但对扭转模态以及高阶弯曲模态影响比较明显。   本研究结论对于实际承受非均匀沉降输电塔的力学性能评估具有指导意义。
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