特高压长悬臂输电塔与输电塔-线耦合体系的风振特性

对±1 100 kV特高压长悬臂输电塔进行了有限元动力时程分析,采用单塔模型和塔线体系研究了不同风向作用下塔身和横担的风振响应特性,分析了横担总宽度对输电塔风振响应的影响.结果表明:长悬臂输电塔的一阶振型为扭转振型;随着分析的横担部位不断远离塔身中心,位移响应均方根在X方向略有削弱而在Y方向逐渐增大; 0°风向下塔线体系模型和单塔模型的风振响应较为接近,而在45°风向和90°风向下塔线体系模型的风振响应较大;横担总宽度增大时塔身部位风振响应也相应增大,横担部位风振响应在Y方向增大而在X方向略有减小,且影响效果在不同风向时呈现出一定的规律性.分析结果为长悬臂输电塔的抗风设计提供参考.     

台风风场与B类风场作用下输电塔风效应对比研究

在边界层风洞中开展了台风风场与B类风场条件下某角钢输电塔气弹模型试验,采用谐波合成法模拟了不同高度的风速时程,在时域内进行了输电塔结构风致响应计算,对比研究了两类风场条件下的风致响应与风振系数.研究结果表明:输电塔风致加速度响应随着来流风速的增大而明显增大,台风风场条件下加速度响应更为剧烈,比B类风场条件大约20%～30%;B类风场条件下风振系数为1.59,台风风场条件下达到1.85,总体增幅达到16%;数值模拟结果与风洞试验结果较为吻合.因此,台风多发地区的输电塔设计应考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应.     

输电塔线体系动力特性及风振响应分析

基于110 kV高压输电塔项目,建立了输电塔线体系有限元模型,并验证了输电线有限元模型的准确性.对单塔及塔线体系的动力特性进行分析,分析表明,塔线体系平面外振动耦合效应大于平面内.以谐波叠加法对输电塔线体系风载荷时程进行了数值模拟,对单塔和塔线体系的风振响应进行了时域分析.结果表明,输电塔和输电线风振响应均以一阶振型为主.塔线体系塔顶位移响应均方根值在0°风向角下是单塔的1. 73倍,而90°风向角情况下是单塔的4. 95倍.90°风向角情况下塔线体系塔顶位移背景响应分量增加较大,塔线耦合效应大于0°风向角情况.输电塔和输电线的平面内耦合效应通过输电线端部动张力差实现.输电塔塔身第2层主材所受应力大于其他各层,是倒塌破坏的危险位置.     

输电塔气弹模型气动阻尼试验

为研究气动阻尼对输电塔的风致效应影响,设计了1:40的输电塔气弹模型,分别在B类地貌风场和台风风场中开展了气弹模型的风洞试验,获得了单塔与塔线体系下的风致加速度响应时程数据。综合采用EMD分解、HHT变换与RDT法,识别了输电塔线结构的动力特性与气动阻尼。研究结果表明,该方法能较好地识别结构的动力特性;两类风场下气动阻尼随风速的提高而增大,气动阻尼亦随来流湍流的增大而增大;挂线后结构模态频率降低,气动阻尼与总阻尼增大。     

输电塔线耦合体系的风振疲劳时域分析

风荷载作用下的输电塔线结构属于非线性耦合振动体系,自然风的脉动分量使体系中的构件处于交替受力状态,从而可能导致构件的疲劳破坏.文中以某直流线路的一段塔线体系为例,提出了输电塔线体系的风振疲劳时域分析方法;采用AR模型产生了随机风场,对输电塔线耦合体系进行了非线性风振时程分析;建立了考虑风向和风速分布等因素影响的疲劳累积损伤计算公式;确定了输电塔结构中疲劳损伤的关键部位,针对关键部位进行了应力分析,并采用线性累积损伤理论对构件的风振疲劳寿命进行了评估.结果表明,文中提出的时域分析方法可有效估算输电塔结构在风振作用下的剩余寿命.     

输电塔线体系多因素风致动力响应分析

目的研究塔线耦联效应、几何非线性和线路初始张力对塔线体系动力响应的影响,并揭示各因素作用下塔线体系动力效应演化机制.方法运用ANSYS软件建立精细化仿真模型,对比简化模型和三塔四线模型在风荷载作用下的动力响应;对不同呼高的铁塔进行静力pushover分析,研究几何非线性对铁塔抗风承载力的影响以及线路初始张力的变化对塔线体系动力响应的影响.结果塔线耦联效应对塔顶位移和杆件应力的均值响应影响很小,对其均方根影响很大;当铁塔高度大于40 m时,是否考虑几何非线性所得结果相差达到25%以上.结论简化模型只能反应输电塔位移和应力的均值响应,利用塔线耦联模型才能得到真实的动力响应;几何非线性对铁塔抗风承载力的影响随塔身高度的增加而增大;导地线初始张力的变化对其动力响应影响很小,可忽略不计.     

高压输电塔线体系风致非线性振动气弹模型风洞试验

基于边界层风洞气弹模型试验的方法,对高压输电塔线耦联体系的风振响应进行了试验研究,首次在风洞中重现了输电塔线体系倒塔破坏现象.研究表明:在紊流风场中,高压输电塔线体系的风致振动呈现较强的非线性振动特征,随风速增加,非线性振动程度加剧,且输电塔结构振动呈现出混沌振动特征;由于输电线与绝缘子振动的影响,塔线体系中输电塔高阶模态的振动非常显著,且随风速增加,高阶模态的能量甚至强于低阶模态的能量;导地线与绝缘子对输电塔结构的影响随风速增加而增强.塔线体系的风振响应计算需考虑高阶模态的影响.结构设计时,需合理考虑大风时导地线与绝缘子的非线性振动对输电塔的影响.     

高压输电塔风振控制的能量特性

研究了输电塔线体系风振控制的能量评估问题.采用多自由度模型建立了输电塔线体系动力分析模型和磁流变(MR)阻尼器的力学模型,研究了安装有MR阻尼器的塔线耦联体系的动力分析模型和受控运动方程,并采用局域反馈的固定增量半主动控制策略来实现输电塔结构风振反应的半主动控制.提出了设置有MR阻尼器的输电塔结构风振反应的能量评价标准并将其应用于某大跨越输电塔线体系的风振控制.分析表明:MR阻尼器可以有效地抑制输电塔结构的风振反应,通过能量评定方法可以准确地考察不同控制方法的控制效果.     

基于阻尼耗能原理的高压输电塔风振抑制方法

由于输电线路的风致振动可降低输电杆/塔、导线和金具连接件的疲劳强度,严重时可导致倒杆/塔、断线等事故,对基于阻尼耗能原理的风振抑制措施进行研究.首先,采用有限元分析软件ANSYS,分析输电塔-线体系的风致振动响应;然后,提出基于阻尼器耗能原理的输电塔振动抑制策略,根据杆塔的结构特点,设计并比较分析多种阻尼器布置方案对风振的抑制效果.最后,在广东省某线路上实施该方案,在2012-08“启德”台风登陆期间,在9～10级台风(风速21～24 m/s)时,监测到输电塔的振动加速度.研究结果表明:将阻尼器布置在塔身中上部主材上可以更有效地消耗风振能量,控制风振幅值;采用该方案测得“启德”台风登陆期间输电塔的振动加速度下降60％～70％,为输电线路防强风灾害防治、提高线路容灾能力提供了一种有效方法.     

考虑桩-土-结构相互作用的输电塔-线体系风振响应及减振控制

为研究风荷载作用下考虑土与结构相互作用(soil-structure interaction, SSI)对输电塔-线体系的动力响应与减振控制的影响。根据实际工程,建立输电塔-线体系模型和桩-土-输电塔-线体系模型,然后分别对软土条件下考虑SSI效应的输电塔-线体系和刚性地基的输电塔-线体系进行风振响应分析。将多个粘滞阻尼器安装在考虑SSI效应的输电塔上,对输电塔风致振动进行控制。研究结果表明：考虑SSI效应后,输电塔的位移响应明显增大,其中塔身代表节点的位移最大值、均方根值分别增大64.73%、79.09%,塔身和塔腿的轴力响应减小。阻尼系数相同时,速度指数为0.3的阻尼器对输电塔风振控制效果最好。速度指数相同时,阻尼系数越大塔顶位移响应和塔身单元的轴力响应越小。速度指数为0.3,阻尼系数低于30 000 kN·(s/m)^0.3时,不同阻尼系数的阻尼器对塔顶节点的位移控制效果差距明显,阻尼系数小于15 000 kN·(s/m)^0.3时,不同阻尼系数的阻尼器对塔身单元的轴力控制效果差距明显。     

不同加载方式对输电铁塔风致响应的影响

为了评估高压输电塔线体系在强风作用下的安全性能，采用数值模拟方法研究不同建模思路对杆塔力学性能的影响。首先，采用ABAQUS软件建立了500 kV输电线路“一塔两档线”的有限元模型，并利用Kaimal谱模拟随机风速。然后分别建立塔线分离、塔线耦合动力加载方式和等效静力加载方式三种风致响应模型，研究典型工况下不同加载方式对杆塔力学性能的影响。结果显示，三种模型得到的危险区域均一致，只是最大数值稍有差异。塔线耦合效应会使杆塔的应力、位移响应波动频繁，采用动力学加载的结果数值均大于等效静力加载，但等效静载模型计算效率最高，可作为后续杆塔轴力计算和螺栓松动研究的优先选择。     

地形抬升型微地形下台风风场计算模拟

福建省内多山地丘陵地貌,当台风经过山岭型微地形时,由于风速叠加效应和风压改变,在微地形附近空间的风速、风向、湍流强度和风压都会产生变化。每年台风登陆都对电网造成巨大的破坏,比如倒塔、断线。本文以流体力学理论为基础,采用计算流体力学方法,通过对实际地形的建模仿真,研究地形抬升型为微地形对风速的加速作用。计算结果表明地形抬升型微地形对风速有明显的加速作用,并且超过了国家标准规定,目前输电线抗风设计的执行标准存在偏低的问题。研究结果对输电线路的抗风设计具有一定的工程参考价值。     

台风载荷作用下输电塔线体系时程分析及补强措施

为研究±800 kV输电线路所使用的横担较长的铁塔在受到台风载荷作用时的时程响应分析,通过建立三塔两线有限元模型,基于风速不随高度变化的Von Karman谱,利用谐波叠加法生成了基准风速为50 m/s的风速时程,应用模拟的台风载荷进行时长为50 s的时程分析,共分析了风载荷45°、60°、90°作用下塔线体系的三种情况。仿真结果显示,在45°和60°风作用下,铁塔中部、塔头和塔身连接的平口处应力超过屈服强度,导、地线挂线板处所受应力也超限,铁塔在90°风作用时,塔身腰部主材和塔腿主材应力也超过屈服强度。要预防台风对铁塔的破坏,应该从上述三个部位对铁塔进行补强,在塔腿及塔腰之间增加水平材是一种有效的加固措施。     

随机风作用下同塔四回输电杆塔安全性分析

针对蒙西地区220kV同塔四回路典型输电线路段,采用有限元方法模拟研究杆塔在随机风作用下的结构强度和疲劳寿命。利用ABAQUS有限元软件建立塔线耦合体系有限元模型,考虑蒙西地区地形特点,采用数值方法模拟生成随机风场,计算塔线体系的动力响应。根据计算结果确定杆塔的危险区域,建立该局部三维实体有限元模型,并与其他部分的杆梁模型组合为实体与杆梁混合模型。提取塔线体系在随机风作用下导地线挂点的支反力时程曲线,模拟实体与杆梁混合模型的动力响应。模拟研究了两种风速和不同螺栓预紧力情况下杆塔结构强度,并分析了随机风激励下杆塔的疲劳寿命。结果表明,螺栓的松弛对杆塔强度和疲劳寿命影响明显,可能是引起杆塔破坏的主要原因。     

输电塔-线体系的风致动力稳定

结合增量动力分析法和弧长法有限元分析了安徽某输电塔-导地线结构的风致动力稳定,通过杆塔顶侧移比、底层受压侧主材应力和导线挂线点反力、张力和振幅的变化规律分析了塔-线相互作用及结构动力失稳前、后的受力特征。根据非线性静力与动力失稳塔顶侧移比相等原则得到了不水平档距塔-线结构动力失稳临界平均风速。研究结果表明,塔-线结构动力失稳过程主要为杆塔挂线点杆件屈服、塔身底部受压侧主材屈服、塔顶侧移比增大、塔底主材压屈;随着水平档距增加,塔顶侧移比增大,挂线点反力增大,导地线张力减小,导地线振幅增大,动力失稳临界平均风速减小;输电塔的风致稳定性设计应考虑动力效应及塔-线相互作用的影响。     

滑坡区输电塔线体系抗变形能力及动力响应分析

滑坡区输电线路由于风荷载作用产生的附加内力,承受地表变形能力大幅降低,极易发生断线、倒塔等事故,因此对输电塔线体系在风荷载和地表变形作用下进行安全性研究具有重要意义。以滑坡区某220 kV输电线路为研究对象,建立两塔三线体系有限元模型,并通过Kaimal谱和线性滤波法建立风荷载模型,对输电塔线体系在无风工况下的抗变形能力和设计风速工况下的动力响应进行分析。结果表明,在无风工况下,塔腿的沉降变形对输电塔线体系的影响最严重,铁塔发生屈服的杆件主要位于塔脚点、第一横隔材与斜材连接点以及第一横隔材与主材连接点;在设计风速条件下,塔线体系大部分工况仅能承受正常无风工况下的塔腿变形的60%～80%,垂直于线路方向的双腿沉降工况抗变形能力下降得最严重,仅能承受正常工况的30%,同时,塔线体系导、地线的应力以及塔头的位移均会在动力响应达到峰值时超限,从而导致塔线结构失效。     

特高压格构式输电塔线体系振动台试验设计

特高压输电塔线体系具有跨越档距大、塔体高的特点,进行地震模拟振动台试验测试时,现有结构试验方法难以完成.本文以特高压交流单回路输电线路工程为背景,设计制作了三塔两线体系缩尺模型,文中详细阐述了振动台试验的模型设计工作,其中包括试验材料的选取、动力相似关系的确定、模型的制作以及试验方案设计等方面.针对由强几何非线性的导、地线与弹性输电铁塔这两种不同形式的结构所组成的耦联体系提出了动力参数分离式模型设计方法,解决了塔线体系按统一比例无法满足振动台台面尺寸要求的问题.理论分析和实测对比验证了该模型较好地满足了振动台试验要求,该方法使得通过振动台试验研究特高压输电塔线体系的地震反应得以实现.