[发明专利]一种薄壁离心混凝土钢管塔受力及有限元分析方法

说明书

本发明属于钢管塔优化技术领域，具体涉及一种薄壁离心混凝土钢管塔受力及有限元分析方法，包括如下步骤：首先建立钢管塔结构有限元数学计算模型，有限元数学计算模型采用3D六面体8节点实体单元C3D8R；根据钢管塔中钢材材料性能、壁厚以及混凝土性能、壁厚的设计参数，计算出钢管塔底部截面上所施加的弯矩的标准设计值；将步骤S2中数据输入到步骤S1中建立的有限元数学计算模型中进行计算分析，计算荷载作用下各节点各加载负荷部位的应力情况。该方法利用商业有限元分析软件ABAQUS计算对应的应力、变形和振动频率、模态，可以对原设计方案进行检验。

技术领域

本发明属于钢管塔优化技术领域，具体涉及一种薄壁离心混凝土钢管塔受力及有限元分析方法。

背景技术

离心钢管混凝土(Cnertiufge Conerete Filled Steel Tubular)结构是钢管与混凝土组合结构中的一个分支，薄壁离心钢管混凝土结构电线杆塔，包括底段电线杆、中段电线杆、上段电线杆和横担，在底段电线杆下端焊接有与现场地脚螺栓固定连接用的法兰，各段电线杆之间连接通过法兰或插接形式连接。它的主要技术性能特征是:将钢材与混凝土两种材料组合成一种新型的钢一混凝土复合结构后，外钢管借助其内壁的混凝土内衬而增强管壁的局部稳定性，同时使受拉侧的应力分布由单向受拉状态变为双向受拉状态，提高了钢管的抗拉强度和钢管内壁的防腐能力。同时，钢管内的混凝土借助钢管对它的“紧箍作用”，使其原来的单向压应力状态变为三向压应力状态，大大提高了混凝土的抗压强度。

从薄壁离心混凝土钢管塔的典型生产工艺流程可以看出，纵焊缝和环焊缝焊接主要采用埋弧自动焊，埋弧焊(含埋弧堆焊及电渣堆焊等)是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。其固有的焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点，使其成为压力容器、管段制造、箱型梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法。埋弧自动焊的主要优点是：(1)生产率高埋弧焊的焊丝伸出长度(从导电嘴末端到电弧端部的焊丝长度)远较手工电弧焊的焊条短，一般在50mm左右，而且是光焊丝，不会因提高电流而造成焊条药皮发红问题，即可使用较大的电流(比手工焊大5－10倍)，因此，熔深大，生产率较高。对于20mm以下的对接焊可以不开坡口，不留间隙，这就减少了填充金属的数量。(2)焊缝质量高对焊接熔池保护较完善，焊缝金属中杂质较少，只要焊接工艺选择恰当，较易获得稳定高质量的焊缝。(3)劳动条件好除了减轻手工操作的劳动强度外，电弧弧光埋在焊剂层下，没有弧光辐射，劳动条件较好。埋弧自动焊至今仍然是工业生产中最常用的一种焊接方法。适于批量较大，较厚较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊接。广泛应用于化工容器、锅炉、造船、桥梁等金属结构的制造。

然而，埋弧自动焊在操作中产生的缺陷主要有裂纹、未熔合、未焊透、夹渣、气孔等，比较容易出现的缺陷为未焊透、夹渣和气孔。未焊透形成的原因：a.焊接参数不当(如电流过小，电弧电压过高)；b.坡口不合适；c.焊丝未对准。焊缝的夹渣除与焊剂的脱渣性能有关外，还与工件的装配情况和焊接工艺有关。对接焊缝装配不良时，易在焊缝底层产生夹渣。焊缝成形对脱渣情况也有明显影响。平而略凸的焊缝比深凹或咬边的焊缝更容易脱渣。

鉴于以上情况，同时离心混凝土钢管杆的钢材用量比较大，其材料费用在整个线路工程中所占的比例较高，怎样在保证钢管塔的承载性能的前提下，对薄壁离心混凝土钢管塔的受力、外负荷、变形及振动频率等进行分析，然后进行优化设计方案，即在保证安全性的前提下寻找最大的经济性是个诚需解决的问题。现有输电塔结构优化分析及设计方法还存在如下两种缺陷：现有的输电塔结构分析设计方法对于多工况、多荷载下输电塔的优化设计结果收敛速度慢，计算不精准，；现有的输电塔结构分析设计方法，步骤繁琐，对于塔型较为固定的输电塔，如钢管塔，缺乏操作简单、方式简洁又可在一定程度上满足工程实际要求的分析设计方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种薄壁离心混凝土钢管塔受力及有限元分析方法，该方法利用商业有限元分析软件ABAQUS计算对应的应力、变形和振动频率、模态，可以对原设计方案进行检验。

本发明的技术方案是：