山地輸電塔模型結構設計、計算與優化

張春偉 魏浩然 吳昊 萬駿良 徐茜

摘要：以第十三屆全國大學生結構設計競賽為背景，根據賽題設計不同的山地輸電塔模型結構方案，闡述模型制作過程，并采用 SAP2000軟件對結構進行受力計算與優化，保證結構安全可靠、輕質高效。同時根據計算結果，對比不同結構設計方案的優劣，為今后類似的結構設計案例提供參考。

關鍵詞：結構設計;山地輸電塔;受力計算;對比

1引言

全國大學生結構設計競賽是一項以結構設計為主要內容，綜合培養大學生理論知識水平、創新能力、合作意識和實踐能力的賽事，為高等學校開展創新創業教育起到了積極示范作用[1]。

2賽題簡述

本次競賽要求設計并制作一個山地輸電塔結構模型，模型須設置“低掛點”2個、“高掛點”1個用于懸掛導線，“高掛點”同時作為水平加載點用于施加水平荷載。模型底面大小、高低掛點位置均需滿足賽題規定的尺寸要求[2]。

模型通過在高低掛點上連接導線并在導線上懸掛加載盤及砝碼的方式進行加載。加載共分為三級，其中一、二級加載需要分兩步在被選中的三根導線的加載盤中放置砝碼，三級加載需要在通過側向加載架的導線末端的加載盤中放置砝碼。模型在加載過程中保持完好，不發生傾覆、垮塌或過大變形，則視為加載成功[3]。

3結構選型

根據賽題以及模型制作所用竹材的力學性能，選擇“梁-柱”框架體系為主要承載結構體系。根據結構的受力方式與特點，提出以下結構設計方案。

3.1方案一

在本方案中，四根立柱主要承受一級、三級荷載引起的彎矩、扭矩和剪力，懸挑桁架承受扭矩。立柱采用“0.35mm+0.5mm”的雙層竹皮，邊長為 10mm×10mm，長度為 1000mm。立柱內部斜插入 0.35mm厚的“X”型竹皮用于加固。為提高立柱穩定性，在立柱間增設 3層 3mm×3mm竹條制作的橫梁。上部懸挑設計為四棱錐，用竹條連接模型昀高點與懸挑外伸點，提高模型整體性。

3.2方案二

立柱與上部懸挑設計方案同方案一，同時將立柱間橫梁改為 4層，并在模型底部設置地梁，在橫梁和立柱節點處添加局部短斜撐。

3.3方案三

立柱設計方案同方案一，3層橫梁采用 2mm×2mm竹條，同時將昀下層橫梁以下的立柱截面適當增大，上部懸挑采用 4mm×4mm三棱錐。

4結構方案優化

三種結構設計方案在 SAP2000中進行計算和優化后，制作實物模型，并進行加載試驗。在加載中發現如下現象：（1）塔身主體在一級、二級荷載下容易扭斷;（2）上部懸挑先于塔身發生破壞;（3）塔身被拔起。分析可得設計方案存在以下問題：塔身主體抗扭轉能力不足，懸挑結構強度不足，塔體與底座連接強度不足。根據加載結果對模型進行以下改進。

4.1“X”型柱

將立柱均分為 10段，使用 0.35mm厚竹片隔開，立柱外表面使用 10mm×10mm、0.5mm厚竹皮順時針連接，內表面使用 9mm×9mm、0.35mm厚竹皮逆時針連接，兩層竹皮呈“回”字型嵌套，并在柱中插入“X”型竹皮，可以提高立柱抗扭能力。

4.2地梁

在模型底部設置地梁，通過螺絲將地梁與底座連接成整體，增加模型與底座的接觸面積，避免承受偏心荷載時，模型由于拔力過大而脫離底座。試驗表明，設置地梁可以極大提高模型的抗拔能力。

4.3結構布置

在加載中發現，模型局部構件受力過于集中，部分構件未充分發揮材料的承載能力?？紤]到竹材順紋方向的抗拉能力遠強于抗壓能力，根據結構扭轉方向，將柱間斜撐均沿受拉方向布置。同時，通過布置局部橫支撐與斜支撐，減小立柱的計算長度，提高其整體穩定性。

5最終設計方案

根據加載試驗結果和結構優化思路，確定昀終的模型結構設計方案。

使用“0.5mm+0.35mm”的復合竹皮呈“回”字型嵌套的方式制作邊長為 10mm×10mm，長度為 1000mm的立柱，將立柱均分為 10段，使用0.35mm厚竹片隔開，并在柱中插入 0.35mm厚“X”型竹皮以提高抗扭能力。柱間橫梁和斜撐使用 3mm×3mm竹條制作，其中橫梁沿立柱高度方向每隔 250mm布置一層。

塔身上部使用 3mm×3mm竹條搭設正四棱錐，使模型昀高點達到賽題規定高度。模型底部設置地梁，通過螺絲與底座連接。

使用 SAP2000軟件電算和實物模型加載，對該結構設計方案進行理論分析與試驗驗證，結果表明，模型各構件承載力均滿足要求，在昀不利工況下昀大構件應力比（立柱）為 0.882，模型整體位移滿足賽題要求。

參考文獻

[1]馬肖彤，李總，楊金賢，巴音善.第十一屆全國大學生結構設計競賽模型結構設計與分析[J].教育現代化，2017，4（45）：216-219.

[2]李長志.結構設計大賽輸電塔模型優化[J].南方農機，2019，50（15）： 262+265.

[3]閆鉑，李英俊.大學生結構設計競賽模型結構設計與優化[J].山西建筑，2019，45（03）：241-242.

作者簡介：張春偉，助教，碩士，主要從事結構工程方向的教學和科研工作。