高压输电塔线体系风冰振动力特征分析

以安徽省六安市某输电塔为例,利用大型有限元软件ABAQUS6.9建立了输电塔架以及输电塔线体系的力学模型。分别对其进行计算分析,得到如下结论：输电塔线体系的振动表现为导地线的弦振动为主,振动时高阶振型均表现为导地线的一次弦振动。导地线振动时其内部产生张力,带动输电塔架的振动,塔架振动产生的位移与导地线的位移叠加,又会引起导地线内部应力的变化;输电塔线体系的覆冰,增大了塔线体系的质量,限制了塔线体系的振动,使得其振动的周期增大,自振频率减小。     

输电塔-线体系风致响应的鲁棒半主动控制

为了抑制输电塔-线体系的风致动力响应,基于多目标优化理论设计了鲁棒H2/H∞控制器.在体系平面内、外振动状态方程的摄动矩阵中引入不确定性,运用MATLAB中的线性矩阵不等式工具箱并结合改进的限幅最优(MCO)控制器提出了H2/H∞_M CO半主动控制策略.以某特高压猫头型输电塔-线体系为算例,分别计算了其在无控制、被动控制、恒定增量(CI)半主动控制及H2/H∞_M CO半主动控制下的风致响应.结果表明:H2/H∞_M CO策略对塔体位移、塔体加速度和塔底内力的抑制效果比无控制、被动控制及CI控制的抑制效果都要显著.     

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。     

输电塔-线耦合体系参数振动的离散元模拟与分析

分析了塔-线体系的研究现状及存在的问题,建立了塔-线耦合振动问题的简化力学模型来描述塔与线之间的作用机理,利用Hamilton原理推导了塔-线组合结构的非线性运动方程,最后应用离散元数值模拟方法验证了其在分析输电塔线体系参数振动中的有效性,并揭示了该体系耦合振动中存在的参数振动的规律.     

地震作用下高压输电塔-线体系纵向减震控制分析

目的研究地震作用下高压输电塔-线耦合体系纵向减震控制.方法运用有限元分析软件ABAQUS建立高压输电塔-线耦合体系的精细化模型.利用非线性时程方法分析地震作用下碰撞摆(Pounding Tuned Mass Damper)对输电塔-线体系的减震控制,并与悬挂质量摆(Suspension Mass Pendulum)的减震效果进行对比分析.结果以Kobe地震作用为例,悬挂质量摆控制下输电塔-线体系塔顶位移、加速度和主材轴力峰值减振率分别为29%、23%和26%,碰撞摆控制下的峰值减振率分别为41%、29%和38%,可以看出,碰撞摆的减振效果明显优于悬挂质量摆.结论悬挂质量摆能够有效地抑制结构的不良振动,而碰撞摆的震动控制能力明显强于悬挂质量摆.     

输电塔-线体系动力响应影响参数分析

对两相邻直线输电塔进行了非线性动力时程分析,分别分析了绝缘子长度、导地线初始应力和输电塔档距三方面对输电塔-线体系风振响应的变化规律.结果表明:绝缘子长度在6～7m范围内,导地线的初始应力为最大应力的55%左右时,两相邻输电塔的最大位移同时达到最小值,但塔架的最大速度、最大加速度在此过程中的改变量较小,变化趋势不明显;当输电塔的档距为400m时塔顶位移最大.     

输电塔-线体系覆冰增长动态响应分析

为了有效分析输电线路在覆冰作用下的正常运行情况,针对重覆冰区气象特征,结合旋转圆柱覆冰增长模型对覆冰区域进行12 h覆冰荷载及风荷载的计算;根据110 kV输电线路特征,采用梁杆分析单元,建立多塔塔-线耦合有限元模型;然后,基于有限元法(FEM)分析软件ANSYS进行覆冰增长动态响应分析.研究表明：在12 h覆冰过程中,线路整体运行平稳,不会出现失稳倒塔现象;不均匀档距和高差在顺线路方向对杆塔影响较大,12 h覆冰过程中杆塔塔头最大应力分别超过标准杆塔7.6%和12.2%;转角由于横向力作用对杆塔扭转影响较大,12 h覆冰过程中转角10°和15°的杆塔塔身最大应力分别超过标准杆塔98.5%和192.4%;线路中不均匀档距、转角及高差产生的不平衡张力是导致杆塔变形增大的主要原因.分析结果同线路实际运行情况相符,可用于架空输电线路覆冰可靠性分析和指导线路除冰.     

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.     

大跨越高压输电塔线体系风致振动的研究与进展

通过对大跨越高压输电塔线体系风致振动近20年来国内外研究成果的总结,阐述了高压输电塔线体系在风荷载下结构振动特性研究的发展历程.首先简要介绍了高压输电塔线体系风致振动的研究内容和现状,然后从风致振动的研究对象、风致振动的机理和风致振动的分析方法3个方面,分别探讨了高压输电塔线体系风致振动研究发展的现状和所面临的问题,最后对塔线体系风致振动研究的未来趋势进行了展望.     

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。     

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.     

考虑截止频率影响的输电塔线体系风振响应分析

对结构进行风振响应分析时,选用不同截止频率模拟风荷载后得到的结构响应结果有较大区别。文章首先介绍截止频率的选取对风总能量的影响,然后采用谐波合成法进行脉动风的模拟,并将风荷载作用于不同的窄基角钢输电塔及塔线体系上,通过时程分析得到在不同截止频率风荷载作用下结构的加速度响应均方差,对得到的风振响应结果进行功率谱分析并与模态分析得到的结构动力特性进行比较讨论。计算结果表明,4 Hz截止频率下模拟得到的风荷载占到风总能量的90%,当截止频率为2～3阶结构固有频率时,加速度均方根值的误差减小至10%以下。因此对于截止频率的选取,既要满足风总能量的要求,同时也要结合结构自身的动力特性。     

变高差特高压直流输电塔线体系的地震响应分析

为探究高差对特高压直流输电线路的地震响应影响,分别建立了高差为40、-40 m和无高差的三种塔线体系模型,采用有限元软件进行地震动模拟,对比分析了不同塔线体系模型的响应特征。研究结果表明,地震动多维激励或考虑行波效应作用时,有高差变化的输电塔较无高差变化的输电塔地震响应,其主材单元的轴力最值分别平均增加7.62%和6.79%,其节点顺线路方向位移随时间的变化规律有所改变。因此对于途径山地丘陵的特高压直流输电线路,考虑高差的影响有助于获得更贴近实际的地震响应结果。     

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.     

高压输电塔振动稳定性的分析及判定

应用时间序列法,以描述结构动态特性的格林函数为判据,对钢结构的高压输电塔振动稳定性,进行建模分析及在线判定.     

考虑SSI效应的输电塔-线耦合系统抗震可靠度分析

为研究输电塔在土结相互作用（Soil Structure Interactions, SSI）和塔-线耦合作用影响下的抗震可靠度,提出了考虑SSI效应的输电塔-线耦合系统抗震可靠度分析方法. 建立考虑SSI效应的输电塔-线耦合系统简化力学模型,推导其在随机地震作用下的运动方程. 基于随机函数-谱表示方法模拟随机地震动加速度时程,对耦合系统进行随机地震动力响应分析. 以基于GF-偏差点集的样本分数矩最大熵法估计随机地震响应极值分布,并求解耦合系统抗震可靠度. 选取工程中某特高压输电塔-线体系作为研究对象,对本文方法的有效性进行验证. 结果表明,当塔底地基土为软弱土时,考虑SSI效应后,塔顶位移响应极值增大约46.59%,加速度响应极值增大约17.43%,结构失效概率增加约70.32%. 考虑塔-线耦合作用后,塔顶位移响应极值减小约0.51%,加速度响应极值增大约1.74%,结构失效概率减小约15.71%. 对于考虑SSI效应的输电塔-线耦合系统,塔底地基土越软,塔顶位移与加速度响应极值越大. 与蒙特卡洛法相比,本文方法求解的结构失效概率最大误差仅为9.97%,具有较高的精度和计算效率.     

基于SMA阻尼器的输电塔风振控制

 根据SMA 阻尼器的工作原理和输电塔的振动特性,提出应用SMA 阻尼器对输电塔风致振动进行控制。应用有限元软件建立输电塔和阻尼器的有限元模型,基于Matlab 软件,采用线性自回归滤波器法模拟随机脉动风荷载的时程样本;应用能量法计算所需阻尼器数量,根据阻尼器的工作原理和输电塔结构特点设计不同的阻尼器布置方案;对不同方案进行结构风致振动瞬态响应仿真,提取各方案控制点位移和加速度时间历程进行比较分析。模拟了多种风荷载,进一步对各方案的控制效果进行了对比分析。结果表明:SMA 阻尼器对输电塔风振控制效果较好;将阻尼器布置在塔头上,可有效控制塔顶位移,减振率在28%以上;在塔身上布置阻尼器,可有效控制塔顶加速度,减振率在66%以上。通过综合比较,选出了阻尼器的最佳布置方案。     

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.     

高耸结构振动控制模拟塔设计

介绍了高耸结构振动控制模拟塔的设计方案和模拟范围,利用塔的自振周期的可调性给出调节办法．确定了模拟地震波的施加办法及风荷载作用的模拟办法,阐述了对塔下基础、运动块（平台）和安全锁定系统的处理方法．