郑州大学力学与工程科学学院初东阳马致祥
摘要500KV酒杯型输电铁塔是一种常见的输电铁塔，本文主要以此为研究对象，对此类铁塔按照国家设计标准进行履冰和最低温度情况下的静力验算，以及用谱分析法和时间历程法计算多遇地震作用下结构的响应。研究表明在履冰和最低温度情况下结构应力水平较低，结构处于安全状态；铁塔结构体型复杂，固有频率较低，塔头刚度较小，振型以塔头的振动为主；在多遇地震的作用下，通过比较铁塔最大位移及支座反力可知铁塔满足国家规范要求。
关键词：500KV酒杯型输电铁塔；动力学分析；模态分析；谱分析；时程分析一、工程背景电力在国民经济建设中有举足轻重的地位，高压输电铁塔是电力系统中重要的组成设施，直接关系到电力系统的正常运行。近几年，由自然灾害引起的高压输电铁塔倒塌的事件屡见不鲜。仅2008年南方冰冻灾害，就有8381基110Kv~500Kv输电铁塔在履冰状态下破坏，约1.1亿人口停电，给经济社会、人民生活造成了极为严重的影响。500KV酒杯型输电铁塔是一种常见的输电铁塔，本文主要对此类铁塔进行静力和动力学分析。这对优化输电铁塔结构，充分认识输电铁塔在冰冻和地震等自然灾害时的工作状态有十分重要的意义。
二、主要尺寸及材料对于500KV酒杯塔结构可通过长、宽、高三个方向确定几何尺寸。[1]本文拟分析的酒杯塔塔身材料为Q235钢（弹性模量E?2e11kg/m3，泊松比??0.3，密度??7800kg/m3）。
三、单元类型及参数结构主要承力部分采用Beam188梁单元，次要部分（主要是塔内部斜材）采用Link8杆单元。其中塔座部分Link8实常数为0.057^2m2，塔头部分Link8实常数为0.035^2m2。Beam188单元截面类型及具体参数根据工程实际尺寸选择。
四、主要建模过程：1.创建模型主要部分（1）塔头：通过沿z向向上依次移动工作平面，直接给坐标并且结合pide和Reflect命令，首先创建了塔头上七个垂直于z轴的平面上的部分，再通过连接他们的端点创建其他主要承力部分；（2）塔座：创建方法同塔头；2.创建次要部分主要通过OnLinew/Ratio命令在已有的主要梁上创立关键点，再通过连接关键点创建次要的梁和杆。
3.单元网格划分分别定义塔头、塔座的单元类型，由于结构斜材较多，且都在中间部位，直接单个选取定义困难，所以先通过box选取所有线定义成杆单元，再直接点选选梁单元定义。主要承力部分用的都是角钢，需要定义方位，为使梁单元更好的连接，位于同一条线上的梁单元需给出同一个确定方位的点。
由于结构杆较多，且link8只能剖分成一份，所以先将所有线都剖分成一份，之后再根据实际情况将梁剖分成1~4份不等，剖分后都保证了杆和梁的节点相重合。剖分后单元数1041，节点数1149。
图3剖分后的局部单元模型4.施加约束在塔座的底部四个节点上施加全约束。
五、履冰及最低温度下的验算根据《国家电网公司输变电工程典型设计500KV输电线路分册》的要求，按照其提供的5C-ZBC4铁塔工作期间的载荷情况，对铁塔在履冰和最低温度情况下进行验算。其中履冰和最低温度状态都计算了温度应力，材料热膨胀系数取为0.151e-4，履冰情况温度变化-25K，最低温度下温度变化-40K。
计算得到最大位移为87.128mm，VonMises应力为141MPa，结构大部分位置应力小于100MPa，小于材料屈服强度235MPa。
六、动力学分析1.模态分析使用BlockLancos法计算结构前六阶振型，结果显示结构固有频率较低且多数的振动以塔头的振动为主。1至6阶固有频率数值分别为0.8382Hz、1.0884Hz，，1.4319Hz、2.8311Hz、3.1192Hz、3.4702Hz，振型分别描述如下：塔头整体的前后弯曲振动、塔头整体绕z轴的扭动、塔头整体和塔座上半部分的左右横向摆动、塔头杯腰部的前后弯曲振动、主要是塔头的前后扭动、塔头底部和塔座上部前后弯曲振动。
2.谱分析反应谱采用《建筑抗震设计规范GB50011-2001》中的地震影响系数曲线，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.15g，阻尼比取0.02，Ⅲ类场地，设计地震分组为第一组，场地特征周期0.45s，取铁塔振型数目为200进行振型参与，采用SRSS进行模态合并。[2]在结构x向（横向）计算地震作用。
计算得出全约束的四个节点支座反力，对比《国家电网公司输变电工程典型设计500KV输电线路分册》中呼高42m的5C-ZBC4铁塔支座反力极限值，铁塔处于安全范围内。
3.地震波时程分析地震波采用“ElCentro波”（1950年，美国），持续时间30.0s，时间间隔0.02s。分别将地震波谱施加在横向和纵向以得到不同方向的响应结果。选取塔头x坐标最大线的前节点为控制点，计算可得全约束的四个节点支座反力以及控制点横向最大位移，最大位移为92.870mm，小于《建筑抗震设计规范》规定的弹性位移极限值H/300=164mm，满足要求。支座反力也在安全范围内。
结论1该500KV高压输电塔在履冰和最低温度下能满足国家标准规范的设计要求。
2输电铁塔模型结构体型复杂，固有频率较低，频谱密集，塔头刚度较弱，多数振型以塔头的振动为主。
3在多遇地震作用下，结构控制点最大水平位移小于规范规定的极限；通过比较支座反力可知结构能满足小震不坏的要求。
参考文献：[1]孙燕，500KV输电铁塔结构的几何非线性数值模拟[D].保定：华北电力大学硕士学位论文[2]游桂模，丁洁民，杨晖柱，柔性摩天轮结构抗震性能研究[J].振动与冲击，2013，32（12），76-83.[3]王德玲等，ANSYS在结构动力学和工程抗震教学中的应用，水利与建筑工程学报，2010，8（1）.[4]孟遂民等，基于ANSYS的酒杯塔模型分析研究，三峡大学学报，2012，34（1）.[5]朱礼民，天津慈海桥摩天轮结构的抗震性能分析，2008，38（2）.作者简介：初东阳（1993.2-），男，山东莱阳人，郑州大学力学与工程科学学院2011级本科生，工程力学专业。
马致祥（1992.5-），男，河南安阳人，郑州大学力学与工程科学学院2011级本科生，工程力学专业。