一种高压输电塔在风场中的失稳与加固

首先分析风载荷的数值建模方法,将横担、塔身的风载荷转换成风压,作为输电塔的稳定性分析的载荷;其次,建立一种典型塔型的有限元模型,参考沿海地区的输电线路设计风速,在基本风速为30 m/s的边界条件下,对无加固、塔身第1段和第2段主材局部加固、塔身下部3段主材局部加固3种方案进行稳定性分析.研究结果表明:对下部塔身进行主材局部加固,输电塔的一阶和二阶屈曲系数分别提高4.24和4.79倍,将塔的失稳部位从主材变成辅材,可极大地减小输电塔因主材遭到破坏而发生失稳倒塔的可能性;局部加固是一种有效的提高输电塔抗风灾能力的措施.     

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.     

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。     

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。     

特高压长悬臂输电塔结构风振扭转响应

在分析±1 100 kV特高压长悬臂输电塔的风振扭转响应机制的基础上,通过有限元动力时程计算考察扭转效应对结构内力的影响。首先,计算特高压长悬臂输电塔结构横担部位的风振系数;其次,根据横担的位移时程结果明确输电塔结构的风振扭转效应;最后,定义等效扭转风振系数,计算脉动风作用下的附加扭转荷载,分析风向角和长悬臂输电塔横担总长度对结构扭转效应的影响。研究结果表明:在风荷载动力时程的作用下,长悬臂输电塔结构会产生约0.01 rad整体扭转,考虑附加扭转工况可以提高输电塔主材和斜材的设计可靠度,提高程度从高到低依次为塔身斜材、横担斜材、横担主材和塔身主材;应力包络程度从74.4%提升到93.6%,且对所有主材和斜材,考虑扭转荷载的静力计算结果对动力时程计算结果的包络程度均在90%以上;不同风向角时,输电塔结构的扭转效应和横担风荷载Y方向的分配系数呈正线性关系,其中0°风对应的等效扭转风振系数最大,达到0.75,而90°风对应的等效扭转风振系数为0。随着输电塔结构的横担总长度减小,结构的扭转效应也减小,0°风对应等效扭转风振系数先减小后稳定在0.55附近,且拐点与结构的扭转振型的阶次有关。当扭转阵型为低阶阵型时,长悬臂输电塔结构的风振扭转效应明显。     

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.     

送电线路转角塔、终端塔的不对称设计研究

当输电线路转角超过一定范围,风向由内角向外角吹所产生的风荷载恒小于导（地）线产生的角度荷载时,转角塔外侧主材将永远受拉应力控制,拉杆将不受压应力失稳影响,铁塔内外侧主材可相差1-2个规格级,甚至更大。在此情况下,若线路转角塔采用不对称设计,可节约钢材5％-10％甚至更多。     

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.     

辅助索对H型吊杆抖振控制分析

为研究辅助索对H形吊杆抖振控制的适用性,分别建立了安装辅助索前后单根H形吊杆有限元模型,采用时域分析法对不同风攻角和风速作用时吊杆应力状态进行数值计算。首先,采用谐波合成法生成脉动风场,获得H形吊杆的风速时程;其次,计算了H形吊杆关键节点的静风力、抖振力和自激力;最后,基于时域分析法,分析设置辅助索前后吊杆关键节点的轴向应力和应力幅变化。研究结果表明:H形吊杆的轴向应力在90°风攻角下最大;吊杆轴向应力增长幅度随风速增长而增大,并在风速超过10 m/s时急剧增大;安装辅助索可降低H形吊杆轴向应力约60%,降低应力幅超过50%。安装辅助索对H形吊杆抖振控制具有良好的减振效果和适用性。     

辅助索对H形吊杆抖振控制分析

为研究辅助索对H形吊杆抖振控制的适用性,分别建立了安装辅助索前后单根H形吊杆有限元模型,采用时域分析法对不同风攻角和风速作用时吊杆应力状态进行数值计算。首先,采用谐波合成法生成脉动风场,获得H形吊杆的风速时程;其次,计算了H形吊杆关键节点的静风力、抖振力和自激力;最后,基于时域分析法,分析设置辅助索前后吊杆关键节点的轴向应力和应力幅变化。研究结果表明:H形吊杆的轴向应力在90°风攻角下最大;吊杆轴向应力增长幅度随风速增长而增大,并在风速超过10 m/s时急剧增大;安装辅助索可降低H形吊杆轴向应力约60%,降低应力幅超过50%。安装辅助索对H形吊杆抖振控制具有良好的减振效果和适用性。     

考虑流固耦合的变截面圆柱壳钢塔风振分析

为了明确变截面圆柱壳钢塔的风振响应规律,基于流固耦合理论建立有限元计算模型,采用自回归模型(autoregressive model, AR)法对不同重现期基本风压对应的脉动风速进行了模拟,成功利用数值风洞方法计算了变截面圆柱壳钢塔在脉动风作用下的动力响应,并通过现场风振监测对数值结果的可靠性进行了验证。结果表明：在脉动风作用下,位移响应幅值沿着高度方向逐渐增大,风速越大,结构的位移响应越大,其中50年与100年重现期风速作用下结构响应差别较小,总体上没有超过结构的位移限值。应力沿高度方向逐渐减小,且在变截面位置存在应力突变的现象。风速越大,应力越大,沿着高度方向应力的差别越来越小,其中50年与100年重现期风速作用下超过脱硫塔在工作温度下的材料许用应力值(113 MPa)。因此,对于该类钢塔的抗风性能评估,底部和变截面处以应力控制为主,顶部以位移控制为主。     

非平稳台风-桥分析系统

 从风场模拟、验证和荷载处理3个方面考虑台风非平稳特性,构建了台风-桥分析系统。构建了台风风场模拟验证系统方法,基于非平稳风速模拟方法建立台风风场模拟方法,并引入非均匀调制进化谱对模拟风场进行验证;基于良态风荷载处理方法,建立了台风荷载处理方法,并采用APDL语言进行ANSYS二次开发,建立台风-桥时域分析系统;采用建立的分析系统对台风作用下某斜拉桥桥梁响应进行分析。结果表明,模拟功率谱和验证进化谱吻合良好,提出的台风风场模拟和验证系统方法合理有效;模拟台风风速与台风作用下的桥梁响应时程曲线均与时变平均风速变化趋势相同,且波动幅度随时变平均风速的减小而减小;基于平稳特性经典风谱直接对台风风场进行模拟不合适。     

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。     

脉动风作用下塔架结构的风振响应分析

 简述了应用线性滤波法中的自回归模型(AR)模拟出给定风速功率谱的风速时程序列,并验证其与目标谱(Davenport谱)的一致性,再通过规范公式推导脉动风载与风速之间的关系,从而得到作用在各节点的脉动风荷载时程样本。以某42m高的通信塔架为原型进行了模拟计算分析,用有限元分析软件ANSYS建立其有限元模型,并用Matlab获取了塔架迎风面各节点上的风荷载时程信号作为动力输入。利用ANSYS对结构进行了模态分析,结果显示结构的前几阶振动均是平面振动,第3阶振动开始出现扭转模态和局部振动模态;同时,基于ANSYS时程分析方法计算了结构在脉动风载作用下的风振响应。结果表明,在仅考虑脉动风作用的情况下,本塔架结构顶部的水平位移低于规范规定的位移限值,但塔架截面变化拐点处的弦杆在风载作用过程中会产生较大应力,在塔架设计中予以注意。     

东海某风场4 MW风机塔筒结构疲劳特性

海上风机塔筒长期受到风荷载等外部动力荷载作用,其应力响应相当不规则,容易发生疲劳破坏。由于每个风速工况出现的概率不同,而且塔筒在各工况下的响应也存在差异,因此有必要划分风速工况来编制疲劳应力谱。本文以东海某海上风电项目为例,建立塔筒结构三维精细化有限元模型,结合风速威布尔分布模型、雨流计数法和线性疲劳累积损伤法则,采用名义应力法计算塔筒的疲劳寿命,并与简化塔筒模型的计算结果进行对比分析,以期为风力机结构疲劳研究提供思路和参考。计算结果表明：通过划分风速工况来编制疲劳应力谱的方法是可行的;塔筒结构容易发生疲劳破坏的部位在塔筒中下部筒节之间的连接处及附近;在分析塔筒疲劳特性时采用壁厚随高度均匀变化的简化塔筒模型与精细化模型结果相差较大,会带来较大误差,因此建议建立精细化模型以合理预估风机塔筒疲劳寿命。     

斜撑角钢杆对输电铁塔受力状态影响

输电杆塔作为复杂的格架式结构,杆件众多,目前并不明确各杆件对杆塔整体承载性能的影响,通过有限元仿真分析,系统研究某三档四塔塔线体系在风载作用下的应力分布情况,并结合某倒塔现场,确定杆塔支撑杆件对杆塔整体受力状态及稳定性的影响。研究结果表明:当杆塔完好连接时,在风载及覆冰作用下杆塔最大应力点处于塔脚位置。当杆塔横隔面处缺失1根斜材时,应力最大点转移至横隔面主材处;横隔面处缺失2根斜材时,应力最大点出现在横隔面辅材处。相比杆塔完好连接,当杆塔横隔面处分别缺失1根、2根斜材时,在风载作用下应力最大值增加61%、49%,在风载、覆冰和脱冰耦合作用下,应力最大值增加130%、230%。缺失2根斜材时,横隔面多根杆件会因为过载而出现弯折,引起杆塔由横隔面处弯折倒塌。研究结果对输电杆塔的结构设计、局部强化以及输电线路日常运维具有一定的参考价值。     

基于ABAQUS的风力机塔筒螺栓连接接触非线性分析

ABAQUS是先进的大型通用非线性有限元分析软件,求解非线性问题时具有非常明显的优势。采用ABAQUS软件对风力机塔筒高强度螺栓连接进行了接触非线性分析,模拟了螺栓连接在预拉力以及加载极限载荷后两种工况下的静力学性能,得到了螺栓与法兰等结构的等效应力云图与位移云图。计算结果表明:塔筒螺栓连接结构的应力主要受预紧力影响。加载极限载荷后,螺栓最大应力增大17%,最大位移增大约两倍。结果证明塔筒底部螺栓连接的强度与刚度满足设计要求,为风力机组的结构设计提供了理论依据。     

风荷载作用下输电线路数值模拟及金具失效分析

为了缓解风荷载作用下输电线路动力响应造成电力金具断裂失效等问题,通过建立整体输电线路有限元模型,利用随高度变化的Kaimal风速谱和Davenport互相关谱,用谐波叠加法模拟沿输电线路方向多点互相关的随机风风速时程曲线,利用模拟的随机风荷载进行输电线路动力响应分析,提取导线单元的应力并换算为传递给线夹的集中力,对比稳定风荷载计算方法,建立随机风荷载和稳定风荷载两种典型的荷载工况,再通过ABAQUS建立整体连接金具有限元模型,研究了输电线路整体结构中连接金具及复合绝缘子的应力情况。结果表明:风荷载对金具应力有显著影响;在整体模型中,球头挂环较其他金具容易发生断裂破坏,其次是线夹和直角挂板;复合绝缘子杆部连接处采用球头球窝连接方式,容易产生较大弯曲应力而造成杆部过渡处断裂。