输电塔结构风致倒塔分析--《武汉理工大学》2011年硕士论文
输电塔结构风致倒塔分析
【摘要】：近年来,随着国民经济的进步,电力事业突飞猛进,作为电力输送的动脉,输电线塔结构也得到飞速发展。表现在输电塔越来越高,输电线跨度越来越大,随着输电塔高度增加和跨度增大,输电塔承受的挂线荷载和风荷载越来越大,输电塔朝着高柔的方向发展。
日前输电塔设计中风荷载是按照静力荷载进行计算的,导线与输电塔结构通常是分开设计的,一般前者有电气专业的工程师分析,然后把导线荷载提供给结构工程师,当作外力加在输电塔上,通常仅考虑导线静力荷载的作用而忽略了导线与输电塔之间的藕合作用进行计算,这种方法是不太合理的,本文中采用输电塔线结合的模型对输电塔进行了分析。
输电塔在恶劣的天气条件下倒塔事故时有发生,而在这样的恶劣条件下输电塔倒塔破坏通常伴随着雷暴大风天气,其中下击暴流引起的输电塔倒塔破坏事故较多,本文研究了在下击暴流作用下输电塔动力倒塔仿真分析。
本文采用杆系结构模拟杆件,采用带有预应力的四节点模拟输电线,采用带预应力的杆单元模拟绝缘子,并用简化双线性恢复力模型模拟输电塔杆件的材料非线性,建立输电塔有限元模型。
对杆件受弯压作用的失稳破坏特性进行了研究,用ansys程序对杆件在受杆端弯矩和轴向受压作用下轴向刚度的退化规律进行了计算,得到了动力计算可用的弯压失稳破坏准则。
文中分析了下击暴流的一般特征,并采把下击暴流分解成一个时变平均成分和一个服从标准正态分布的幅值调幅函数部分,模拟了下击暴流的风荷载时程样本。并将这个下击暴流荷载作为外荷载施加到建立的输电塔模型上,考虑输电塔的受压失稳破坏准则,对输电塔进行弹塑性动力分析。
对输电塔的分析可知道,输电塔破坏发生在塔身中下部,破坏形态为杆件受压失稳破坏,引起输电塔的最终倒塔。这与国内外输电塔真型试验的到的结果类似,并且与一些学者研究的输电塔在风力作用下是由于杆件承受受小于设计荷载内力而动力失稳破坏结论一致。
【关键词】：
【学位授予单位】：武汉理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2011【分类号】：TM753【目录】：
摘要4-5Abstract5-7目录7-9第1章 绪论9-17 1.1 引言9-11 1.2 国内外研究现状11-15 1.3 本文的研究工作及意义15-17第2章 输电塔有限元模型17-29 2.1 输电塔的分类及结构形式17 2.2 输电塔线有限元模型17-22
2.2.1 输电塔杆件的有限元模拟18-20
2.2.2 绝缘子的有限元模拟20-22
2.2.3 输电线有限元模拟22 2.3 基本假定和位移模式22-25 2.4 本文选用的输电塔动力分析25-28 2.5 小结28-29第3章 下击暴流风荷载29-38 3.0 近地面风荷载模拟29-32
3.0.1 近地面风理论模型29-32
3.0.1.1 平均风荷载模型29-30
3.0.1.2 脉动风荷载模拟30-32 3.1 下击暴流风荷载32-33 3.2 下击暴流风荷载模拟33-35
3.2.1 下击暴流风理论模型33-35
3.2.1.1 下击暴流风的平均成分33-34
3.2.1.2 下击暴流风荷载的脉动成分34-35
3.2.2 下击暴流风荷载35 3.3 模拟出来的风速样本35-37 3.4 本章小结37-38第4章 压弯杆件破坏准则38-46 4.1 杆件受压失稳38-41
4.1.1 平衡分岔失稳38
4.1.2 极致点失稳38-39
4.1.3 越跃失稳39-40
4.1.4 输电塔的杆件失稳40-41 4.2 杆件失稳的计算方法41-42
4.2.1 杆件失稳的解析法41-42 4.3 压弯构件弹塑性失稳分析42-45
4.3.1 ansys计算方法42-43
4.3.2 压弯构件弹塑性分析43-45 4.4 小结45-46第5章 输电塔倒塔分析46-54 5.1 工程概况46 5.2 计算理论46-50
5.2.1 动力计算理论47
5.2.2 非线性静力计算47-48
5.2.3 输电线塔结构的非线性动力计算方法48-50
5.2.3.1 输电塔线体系的增量动力方程48
5.2.3.2 Newmark-β法求解增量形式动力方程48-49
5.2.3.3 Newmark-β法求解增量形式动力方程的基本步骤49-50 5.3 计算采用的假设50 5.4 计算步骤及计算结果50-54第6章 结论与展望54-56 6.1 结论54-55 6.2 展望55-56参考文献56-59致谢59
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同济大学申请硕士学位论文
输电塔是一种工程数量巨大而且很重要的高耸结构。作为重要生命线工程的电力设施,
输电线系统的破坏会导致供电系统的瘫痪,这不仅严重地影响人们的生产建设、生活秩序,
而且可能会引发火灾等次生灾害,给社会和人民生命财产造成严重的后果。
风荷载是输电塔结构承受的主要水平荷载之一,因此设计风荷载的大小直接决定着输电
塔用钢量的多少。由于风荷载的随机性,对输电塔的动力分析显得越来越重要。本文通过大
量的输电线工程为背景,对输电塔结构的动力特性和风振响应进行了研究,得到了一些对实
际工程抗风设计具有参考意义的结论,主要工作包括:
根据多条输电线路工程中不同类型、不同高度输电塔为原型,建立空间有限元模型,通
过模态分析得到结构的动力特性,由于输电塔结构设计需要估算结构的第一自振周期和振型,
本文利用模态分析结果,并对现有的周期近似计算公式进行细化和修正,得到了较为精确的
估算公式,并且拟合得到用于输电塔结构的第一振型系数表,对于输电线路的设计具有指导
根据随机风荷载理论,模拟了多维脉动风荷载,得到输电塔结构的风力时程曲线,然后
采用时程分析方法,计算输电塔结构在模拟的风荷载作用下的风振响应及其频谱特性,进一
步了解输电塔结构在脉动风荷载作用下的动力响应。
利用时程分析的结果可以计算输电塔结构不同高度和位置的风振系数值,本文通过计算
不同塔高的输电塔风振系数实例,并且和现行多种规范进行比较,最终总结拟合得到可以用
于输电塔设计的风振系数简化取值方法。
本文还针对实际工程应用中的某单回路输电铁塔斜材振动原因进行了分析,通过建立结
构有限元模型并进行动力特性分析
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36大跨越输电塔结构极限承载力分析-17
第４章法兰连接节点有限元分析；焊缝连接处，加劲肋板与钢管的连接端头，加劲肋板底；随着荷载的增加，这些区域首先进入屈服并逐渐形成塑；加劲肋板之间的钢管部分应力集中系数则一直较小，而；由于在荷载一位移曲线上无法观测到极值点，因此取法；大的强度储备；节点在极限荷载时，其变形并不明显；４．４本章小结：；本章应用有限元法，考虑材料非线性，分析了法兰节点；１、计算得到该
第４章法兰连接节点有限元分析焊缝连接处，加劲肋板与钢管的连接端头，加劲肋板底部边缘以及法兰板螺栓孔周围，而加劲肋板之间的钢管部分应力集中系数较小。随着荷载的增加，这些区域首先进入屈服并逐渐形成塑性区，但此时并不意味着节点立即破坏，荷载仍可继续增加。随着荷载的增加这些应力集中区域开始不断扩大。由于塑性应力重分布，应力集中区域的应力值和非集中区域的应力值的差值逐渐缩小。整个节点的应力分布开始趋于均匀。加劲肋板之间的钢管部分应力集中系数则一直较小，而加劲肋板底部边缘以及法兰板螺栓孔周围的应力集中一直较大。由于在荷载一位移曲线上无法观测到极值点，因此取法兰节点的屈服荷载２７４７９ｋＮ作为该节点的极限荷载。它是设计荷载２０１０８ｋＮ的１．３７倍。但是，这并不意味着节点达到这一极限荷载就发生破坏。实际上，在加载到３５１３７ｋＮ时，节点仍然没有破坏，模型还能继续计算。大的强度储备。节点在极限荷载时，其变形并不明显。将节点极限荷载下的变形图放大２０倍后，可以看到，加劲肋板边缘出现了局部变形，螺栓附近的法兰板向上隆起，而钢管基本上没有发生变形。图４．２４为节点在极限荷载下的变形图。因此，节点达到极限荷载后仍具有很４．４本章小结：本章应用有限元法，考虑材料非线性，分析了法兰节点的应力和塑性区分布规律、节点变形等重要受力性能。１、计算得到该法兰节点极限荷载为２７４７９ｋＮ。它是设计荷载的１．３７倍。２、计算表明，法兰节点在受拉力作用时，在弹性阶段，钢管和法兰板的焊缝连接处，加劲肋板与钢管的连接端头，加劲肋板底部边缘以及法兰板螺栓孔周围，将会出现应力集中，而加劲肋板之间的钢管部分应力集中系数较小。２、法兰板螺栓孔周围的应力集中主要是由与螺栓与法兰板之间的挤压所产生的剪切应力所引起的。而其他区域的应力集中主要是由拉应力产生的。３、在荷载继续增加的情况下，上述应力集中区域开始逐渐扩散，经过塑性应力重分布，节点的承载力得到迸一步提高。法兰的破坏将首先从加劲肋板开始。第４章法兰连接节点有限元分析４、有限元计算结果表明，节点的荷载位移蓝线在超过极限荷载以后无明显极值点，经过塑性应力重分布后，法兰节点从开始屈服到最后破坏，具有较强的塑性变形能力和较高的强度储各，因此其承载力主要取决于塑性阶段，在破坏前会经过一个大变形阶段。５、在荷载加载到３５０４１ｋＮ时，螺栓应力仍然没有超过其屈服应力，因此，节点中的螺栓具有较高的强度储备。第５章结论与展望第５章结论与展望本文以５００ｋＶ崖门大跨越输电塔为工程背景，建立有限元分析模型，通过对大跨越塔在各种大风工况下的几何、材料双重非线性分析，计算得到了了大跨越输电塔的极限荷载。对于极限荷载下危险部位的法兰节点，也进行了建模计算，分析了法兰节点的应力和塑性区分布规律、节点变形等重要受力性能。通过本文的工作，可以得到如下一些结论：５．１结论ｌ、大跨越输电塔的极限荷载为１．５６只（只为设计荷载）。结构满足强度要求，并具有较高的强度储备。２、结构在不同的工况下，所能承受的极限承载力是不同的，最低为１．５６只，最高为２．０６只。结构在受斜向风时，荷载主要由斜向的单一主材承受，在受０度，９０度风时，荷载由双主材共同承受，因此。结构在斜向风的情况下受力是最危险的。结构的破坏主要是由于受压主材的失稳破坏造成的。计算结果还表明，在０度风下，塔身主体并没有破坏，结构的破坏主要是由横担主材的失稳造成的。这与其他三个工况的破坏方式不同。３、由于本文采用有限元方法进行结构分析。对实际结构进行了一定的假设和简化，由双重非线性分析得到的结构极限荷载应略高于结构的实际极限荷载，是结构极限承载力的上限，因此在确定结构安全系数时应予以注意。４、计算得到铁塔受拉破坏部位法兰节点极限荷载为２７４７９ＫＮ。它是设计荷载的１．３７倍。节点的荷载位移曲线在超过弹性极限荷载以后无明显极值点，经过塑性应力重分布后，法兰节点驭开始屈服到最后破坏，具有较强的塑性变形能力和较高的强度储备，因此其承载力主要取决于塑性阶段，在破坏前会经过一个大变形阶段。法兰的破坏将首先从加劲肋板开始。５、法兰节点在受拉力作用时，钢管和法兰板的焊缝连接处，加劲肋板与钢管的连接端头，加劲肋板底部边缘以及法兰板螺栓孔周围，将会出现应力集中，而加劲肋板之间的钢管部分应力集中系数较小。第５章结论与展望５．２进一步工作的展望大跨越输电塔结构是一个复杂的结构体系，目前对它的研究还不够完善，本文在铁塔结构的受力性能、整体极限承载力、节点极限承载力方面进行了研究和探讨。结合本文的工作，认为今后仍应在如下几个方面进行更广泛深入的研究：１、通过各种渠道收集更多的真型塔架结构的静力和动力试验资料，进行系统的理论与试验结果对比研究。２、本文对大跨越输电塔结构弹塑性极限承载力的研究局限于理论分析，最好能进行模型试验加以验证。３、目前为止，对法兰连接节点的极限承载力研究相对较少，试验数据和理论分析数据十分匾乏。可在数量上和深度上进一步研究。４、由于焊缝区域材料性质复杂，本文中法兰模型忽略了焊缝的影响。实际上，焊缝部位在焊接过程中常常形成残余应力，复杂的残余应力对应力集中部位塑性的发展、应力重分布有一定的影响，如何考虑焊缝对节点承载能力的影响也是一个有待继续探讨的问题。参考文献参考文献［１］中华人民共和国电力行业标准．架空送电线路杆塔结构设计技术规定（ＤＬ／Ｔ５１５４．２００２），２００２［２］电力工业部电力规划设计总院．架空送电线路大跨越设计技术规定（试行）．１９９８［３］中华人民共和国建设部．建筑结构荷载规范（ＧＢ５０００９＂－２００１）．中国建筑工业出版社，２００２Ｃ４１高耸结构设计规范修订组．高耸绐构设计规范（送审稿）．２００３．１２［５］王肇民等，高耸结构设计手册．中国建筑工业出版社．１９９５【６］王肇民，Ｕ．Ｐｅｉｌ．塔桅结构．同济大学出版社，１９８９［７］张相庭．工程结构风荷载理论和抗风计算手册．同济大学出版社，１９９０．１０［８］王肇民等．塔桅结构．科学出版社，２００４［９］黄本才．结构抗风分析原理及应用．同济大学出版社，２００１．２［ＩＯ］张相庭．工程抗风设计计算手册＋中国建筑工业出版社，１９９８，１［１Ｉ］唐国安．我国５００ｋＶ线路倒塔事故率浅析．电力建设，第１５卷第１期，２００３１１２］ＡＭ．Ｌｏｒｅｄｏ―Ｓｏｕｚａ，Ａ．ＧＤａｖｅｎｐｏｒｔ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｏｗｅｒｓｔｏｗｉｎｄｌｏａｄｉｎｇ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷｉｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，２００３）［１３］ＡｌａｎＲ．Ｋｅｍｐ，Ｒｏｂｅｒｔｔｏ，Ｈ．Ｂｅｈｎｃｋｅ．Ｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃｒｏｓｓ－ｂｒａｃｉｎｇｉｎｌａｔｔｉｃｅｄｔｏｗｃｒｓ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｍｅｅｒｉｎｇ，１９９８，４１１４］ＥＧＡ．Ａｌｂｅｒｍａｒｔｉ．Ｓ．Ｋ．ｉｔｉｐｏｍｃｈａｉ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉＯｉｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆｔｏｗｅｒｓ．ｎｉｎ－ＷａＩＩｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ２００３．４ＤａｖｅｎｐｏｒＬＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆ１１ｉｇｈｗｉｎｄｓＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ．１９９８．７ａｐｐｒｏａｃｈｆｏｒｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｏｎ【１５］ＡＭ．Ｌｏｒｅｄｏ―Ｓｏｕｚａ，Ａ．ＱＪｏｕｒｎａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｓ．ｏｆＷｍｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ【１６』Ａ．Ｍ．Ｌｏｒｅｄｏ―Ｓｏｕｚａ．Ａ．Ｇｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｓ．ＪｏｕｒｎａｌＤａｖｅｎｐｏｒｔ．ＡｎｏｖｅｌｏｆＷｉｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ．Ｖｏ！．８９，２００１［１７］王勖成，邵敏．有限单元法基本原理和数值方法．清华大学出版社，１９９７［１８］刑静忠等．ＡＮＳＹＳ７．０分析实例与工程应用．机械工业出版社，２００４［１９］张其林，沈祖炎．空间桁架弹性大位移问题的增量有限元理论．工程力学，１９９１，８［２０］陈绍著．钢结构设计原理．科学出版社，１９９８［２１３陈栋，朱慈勉，ＴＬ法和ｕＬ法对几何非线性桁架涧题的适用性．四川建筑科学研究，２０００，９［２２］东北电力设计院．自立式铁塔内力分析软件丁１’Ａ使用手册．１９９６［２３］李博．桅杆结构程序设计及动力特性分析．同济大学申请硕士学位论文，２００５［２４］傅鹏程．输电塔结构动力分析及风振系数研究．同济大学申请硕士学位论文，２００５［２５］宋天霞．非线性结构有限元计算．武汉，华中理工大学出版社，１９９６包含各类专业文献、外语学习资料、行业资料、应用写作文书、生活休闲娱乐、文学作品欣赏、36大跨越输电塔结构极限承载力分析等内容。　
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高压电塔（线）的结构
最好包括材料选择，结构形式，以及电线的材质及电塔间距离，谢谢
提问者采纳
高压输电线路的基本常识：1、塔的尺寸和档距须满足电路要求：导线与地面、建筑物、树木、铁路、公路、河流以及其他架空线路之间，导线与导线、导线与避雷线之间，均应保持必要的最小安全距离。避雷线对导线的保护角及使用双避雷线时两根避雷线之间的水平最小距离应满足有关规定。2、荷载 输电线路塔主要承受、冰荷载、线拉力、 恒荷载、 安装或检修时的人员及工具重以及断线、等荷载。设计时应考虑这些荷载在不同气象条件下的合理组合，恒荷载包括塔、线、金具、绝缘子的重量及线的角度合力、顺线不平衡张力等。断线荷载在考虑断线根数（一般不考虑同时断导线及避雷线）、断线张力的大小及断线时的气象条件等方面，各国均有不同的规定。3、结构计算 塔一般均简化为静态进行分析，对于风、断线、地震等动荷载，通常在静力分析的基础上，分别乘以风振系数、断线冲击系数、地震力反应系数来考虑动力作用。4、导线最主要是就是采用钢芯铝绞线。5、杆塔类型 直线杆塔 直线转角或耐张杆塔 转角或终端杆塔
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