特高压输电塔线体系的气动弹性模型设计

以向家坝-上海的±800 kV特高压直流线路为例,阐述特高压输电塔线体系的气动弹性模型设计与制作方法.通常的集中刚度法和离散刚度法制作的铁塔模型都很难满足气动弹性模型的要求.考虑铁塔模型刚度和气动反应两方面的情况,提出以半刚性模型节段加"U"型弹簧片的方法制作铁塔弹性模型.另外,对导线模型进行跨度方向上的缩聚解决了按统一比例无法满足风洞尺寸要求的问题.通过理论分析和实际检测对比,塔线体系模型的动力特性可以满足气动弹性试验的要求.     

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.     

多点地震激励下考虑地形变化输电塔线体系的响应分析

分别建立了中塔位于谷地和峰顶的输电塔线耦联体系三维空间有限元模型,模拟生成考虑地形变化场地上的多点地震动,运用非线性动力时程分析方法,进行多点地震激励下地形变化输电塔线体系的地震响应数值模拟.考虑多点地震动中的行波效应、部分相干效应和局部场地效应.分析多点地震动中行波效应和局部场地效应对结构地震响应的影响,并将计算结果与一致激励下的结果进行对比.研究结果表明,无论输电塔位于峰顶还是谷底,受行波波速的影响很大,但两种模型受行波波速的影响程度不同,忽略行波效应可能低估体系的地震响应;随着场地条件差异变大,结构的地震响应变大,对于输电塔位于峰顶的响应放大程度要大于输电塔位于谷底,因此应该考虑局部场地效应的影响.     

大跨越输电塔线体系气弹模型风洞试验

以建设中世界最高输电铁塔——— 346 .5m高、5 0 0kV江阴大跨越塔为工程背景 ,通过气弹模型风洞试验 ,对大跨越输电塔线体系动力特性和风振响应进行了研究 .采用外形、质量、刚度分离的处理方法设计了大跨越塔模型 ,塔线体系为两塔三段线模型 .用自由振动法测得单塔和塔线体系的自振频率和阻尼比 ,进行了多个风速下单塔、塔线体系在均匀流场和紊流场中的风洞试验 .通过对试验结果的分析 ,揭示了大跨越输电塔线体系动力特性和风振响应特点 ,为实际工程抗风设计提供了依据     

塔线耦联体系的导线仿真找形及模态

针对现阶段输电塔线体系设计中存在的缺陷和不足,基于有限元原理,建立由三塔两线耦联组成输电塔线体系模型,采用仿真方法,进行导线找形,并对此体系进行模态分析,得出导线的多阶振型及频率.研究结果表明:基于塔线耦联体系模型的导线仿真找形方法所得出导线弧垂、最大应力、线长等关键参数与规范对比是较为精准的,既实现了输电导线的精准设计,又为研究输电塔线在风载、覆冰等复杂载荷下的动力特征提供基础性数据.     

带箱形转换层高层建筑结构的抗震性能研究

进行了带箱形转换层高层建筑结构模型的地震模拟振动台试验.采用微粒混凝土制作1/10比例的结构模型,得到结构在地震作用下的动力特性以及加速度、位移等地震响应,研究了模型结构的受力机理和破坏模式.在试验研究的基础上,采用有限元分析程序对原型结构进行抗震分析,理论分析与试验结果吻合较好.研究表明,该结构体系总体抗震性能良好,大震作用下仍具有较好的工作性能,能满足我国抗震设计规范的要求.     

钢筋混凝土异形柱框架-抗震墙结构振动台试验

通过12层1/7缩尺模型的模拟地震振动台试验,研究了钢筋混凝土异形柱框架-抗震墙结构体系的动力特性、地震反应及破坏形式.试验结果表明,该结构体系层间位移角能满足《规范》要求、抗震性能良好,适于在小高层住宅中采用.     

基于断线作用的输电塔线体系动力效应影响分析

以最不利荷载组合作用下特高压输电线路双回路直线塔的试验位移为依据,验证了非线性有限元模型的有效性.在此基础上,对最不利断线位置下的输电塔线体系耐张段进行有限元隐式非线性动力分析.考察了断1~4根导线时输电塔的动力效应,确立了断4根导线和最上层导线的断裂对断线档的输电塔动力效应影响最大.同时,进一步分析了未断线档输电塔侧向刚度、档距、线路转角和悬挂点高差等因素对断线侧输电塔动力效应的影响.结果表明:未断线档直线塔的刚度较断线档小,即当相对侧向刚度小于1时,断线档直线塔的动力效应随着相对侧向刚度的减小增幅逐渐变大;当相对侧向刚度大于1时,断线档直线塔的动力效应随着相对侧向刚度的增大增幅逐渐减小.未断线档档距增大,断线侧输电塔的动力效应成几何次方关系急剧增长;而断线档档距的增大与断线侧输电塔的动力效应成线性正相关.线路转角度数或悬挂点高差角度分别为±5°和±7°时,断线侧输电塔的动力最大位移值和稳定后的最大位移值均超过1.822m.     

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.     

特高压输电钢管塔疲劳寿命时域分析

根据上海某一地区风荷载的分布规律,得到各方向各风速的累积时间,模拟了风压脉动时程曲线。在输电塔塔线体系的空间有限元模型的基础上,分析了特高压输电钢管塔在风荷载作用下的响应。利用雨流计数法,得到各方向各风速作用下各杆件及连接的应力循环次数和应力幅。根据Miner线性累积损伤准则,计算得到关键节点的疲劳寿命,以推测出输电塔整体的疲劳寿命。     

基于动力相似的塔线体系试验模型设计及分析

以动力相似理论为基础,采用量纲分析法求得塔线体系试验模型与原型的相似关系,进而确定了相似比,设计了干字塔、酒杯塔和导线地线的试验模型.建立了塔线体系试验模型和原型的有限元计算模型,并进行了静力和动力分析.通过对相关参数的比较研究,验证了试验模型与原型的互推性以及相似关系的正确性,基于该模型的试验分析结果能够反映结构原型的动力特性和规律.该试验模型的设计过程可为其他同类试验模型的相似设计提供参考.     

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。     

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。     

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。     

输电塔线体系风致覆冰脱落动力响应的研究

建立了两塔三线模型,采用数值实验研究了输电线路的动力特性和中跨覆冰导线发生舞动时覆冰脱落、覆冰不脱落这两种工况的输电塔线系统的动力响应特性,探讨了不同风速下二者响应的差异.计算模型考虑了输电线的初始变形和初始应力.分析结果表明,塔端不平衡张力和邻跨导线横向振幅都随着风速的增加而增大,舞动导致的覆冰脱落使邻跨导线横向振动频率大幅增加,竖向回弹高度相对减小,而中跨的竖向回弹高度和横向振幅分别增加了73.9%和57.7%左右.舞动导致的覆冰脱落对线路的影响不容忽视,在实际线路的设计中应加以特别的考虑.     

台风作用下输电线路风振系数及抗风性能研究

为研究良态风与台风作用下的输电线路风振系数,以广东省国古线一铁塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法模拟了台风风场,并开展了动力分析.首先,对比了5种国内外设计规范的风振系数计算方法,发现各规范均未单独考虑台风的强脉动特性;然后,基于惯性力法获取了铁塔风振系数并揭示了塔线耦联效应的影响.最后,利用生死单元法定量评估了两种风场下输电线路的抗风性能.结果表明:台风的高湍流特性导致顺风向风振系数大于良态风对应值;导线可增大铁塔横风向基频,并使铁塔振型由单塔的弯曲型变为塔线体系的弯剪型,塔线体系横担处风振系数大于单塔;湍流度从0.14提高至0.20,临界倒塌风荷载降低约11%.因此,台风多发地区的输电塔设计应适当提高湍流度取值,必要时还应考虑塔线耦联效应.     

覆冰导线断裂对输电塔受力与变形的影响

以某高压覆冰分裂导线输电线路为例,采用有限元程序ANSYS建立输电塔线体系有限元模型,进行覆冰导线断裂对输电塔受力与变形的影响研究.结果表明:在导线断裂工况下,导线断裂对输电塔的受力与变形影响很大,断线数目越多,输电塔上材料承受的应力越大且变形量增加越大.     

输电塔线体系分析方法现状及存在的问题

总结了两类常用输电塔线体系的分析方法在国内外的研究发展现状,对塔线体系运行过程中塔架各组成杆件受力特性进行了论述,并对输电塔架设计中采用的截面形式进行了分类比较.