技术摘要：
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，  全部
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 3 CN 111553109 A 说　明　书 2/13 页 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。
技术实现要素：
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： 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： S1 .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，给钢管塔横担上地线、挂线卡上导线施加荷载，同时把风载计入荷 载总和，以底端固定为有限元数学计算模型的边界条件； S2.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，计算公式如下： (1)轴心受压短柱的极限承载力设计值N0为 N0＝Asfs 1.3Acfc 式中，As、Ac分别为钢管和混凝土的截面面积；fs、fc分别为钢管和混凝土的抗压强 度设计值； (2)构件的含钢特征值φ为 (3)受弯构件的极限承载弯矩设计值Mu为 式中，r为钢管截面的外半径， 在设计过程中，设计弯矩M一定不能超过极限承载弯矩设计值，即 M≤Mu 弯矩标准值 其中K1为静荷载分项系数，K2为动荷载分项系数； S3 .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。 具体的，施加的所述的荷载为水平力。 具体的，所述的有限元数学计算模型采用的软件是有限元分析软件ABAQUS。 本发明的有益效果是：利用有限元方法对薄壁离心混凝土钢管塔进行了计算分 析，从有限元的计算结果来看，弯曲正应力的分布基本上保持一侧受拉，另一侧受压的状 态。在受拉区域，原设计的底部截面上的最大弯曲正应力出现在钢管的外壁，其最大弯曲正 应力值均小于钢材的强度设计值215MPa，满足强度要求。混凝土层内的最大弯曲正应力出 4 CN 111553109 A 说　明　书 3/13 页 现在混凝土和钢管的界面层上，其值均小于钢材的强度设计值215MPa，满足强度要求。混凝 土层内的最大弯曲正应力出现在混凝土和钢管的界面层上，其值均小于混凝土和钢管材料 的不匹配，在二者的界面处混凝土具有较高的弯曲拉应力，其值大于混凝土的受拉强度设 计值，因此，该出的混凝土可能会最先被拉断，造成混凝土和钢管层的剥离。 从本发明提供的方法可以得出杆塔高度越高，其一阶频率就越低。同时，和频率对 应的振动模态反映了该阶振型在哪个自由度上起主导作用。 附图说明 图1是实施例1提供的杆塔导线上导线的张力方向示意图； 图2是实施例1提供的杆塔有限元计算模型； 图3是实施例1提供的杆塔的横截面及测试点位置示意图； 图4是实施例2提供的杆塔上导线的张力示意图； 图5是实施例2提供的杆塔有限元计算模型； 图6是实施例3提供的杆塔上导线的张力示意图； 图7是实施例3提供的杆塔有限元计算模型； 其中箭头方向指的是导线的张力方向。