輸電塔線體系結(jié)構(gòu)力學(xué)計算研究（結(jié)題）final

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第(5-3)來衡量舞動幅度并判斷是否發(fā)生舞動，若，則表示導(dǎo)線發(fā)生舞動。 （9-3）式中：——導(dǎo)線在X方向（橫向）的振蕩幅度——導(dǎo)線在Z方向（豎直方向）的振蕩幅度表9-1為各風(fēng)速下導(dǎo)線舞動幅度的計算結(jié)果，圖9-18直觀展示了舞動幅度隨風(fēng)速的變化關(guān)系?？煽闯鲈陲L(fēng)速大小及風(fēng)向不變的情況下，導(dǎo)線舞動只發(fā)生在某一速度范圍內(nèi)，本情形下大致在9—15m/s這一區(qū)間。導(dǎo)線舞動發(fā)生在風(fēng)速大于8m/s時，隨著風(fēng)速逐漸增強，舞動幅度迅速增強。并且在舞動風(fēng)速區(qū)間里存在一個風(fēng)速使得舞動幅值取最大值。表9-1不同風(fēng)速下扇形冰形覆冰20mm舞動幅值風(fēng)速m/s58910111213141520/m0.0040.0361.6802.7983.2143.3023.2581.3820.7140.011/m0.0120.0411.4662.3123.0213.6574.1021.7180.8200.010/m0.0130.0542.2303.6304.4114.9275.2552.2041.0880.015圖9-SEQ圖\*ARABIC\s118扇形截面不同風(fēng)速下舞動幅值（初始覆冰角130°）輸電線路檔內(nèi)舞動前面研究了兩種冰形的舞動特性和風(fēng)速對舞動幅值的影響。本節(jié)針對輸電線路典型區(qū)段展開檔內(nèi)舞動研究?？紤]如下工況：覆冰輸電線路覆冰20mm，覆冰冰形為扇形，對C檔施加大小為10m/s的風(fēng)載荷，風(fēng)向在水平面內(nèi)垂直于導(dǎo)線。導(dǎo)線和地線響應(yīng)此時C檔三相導(dǎo)線、地線和光纜同時受到風(fēng)載，取導(dǎo)線初始覆冰角為130度，由本章第二節(jié)結(jié)果可知，導(dǎo)線此時會發(fā)生舞動。經(jīng)計算分析，地線（光纜）在初始覆冰角為130度時，并不會發(fā)生舞動。圖9-19為地線在施加風(fēng)載后橫向和豎直方向位移響應(yīng)曲線。從圖中可看出，在風(fēng)載下，地線很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖9-SEQ圖\*ARABIC\s119C檔地線位移響應(yīng)三相導(dǎo)線在風(fēng)載下的舞動軌跡如圖9-20，可看出三相導(dǎo)線的舞動軌跡差異很小。圖9-SEQ圖\*ARABIC\s120三相導(dǎo)線舞動軌跡表9-2為各相導(dǎo)線的舞動幅值，可看出舞動幅值最大相差0.107m，占舞動幅值的2.05%。與舞動幅度比較起來還是很小?？傮w來說三相導(dǎo)線的舞動幅值十分臨近。表9-SEQ表\*ARABIC\s12風(fēng)載下各相導(dǎo)線的舞動幅值比較C檔導(dǎo)線左相中相右相橫向幅值/m2.7242.7682.802豎直方向/m4.4584.4324.535舞動幅值/m5.2245.2265.331各相導(dǎo)線的張力振蕩曲線如圖9-21所示，可看出導(dǎo)線右相張力振蕩幅度最大，中相導(dǎo)線次之，左相導(dǎo)線最小，三個曲線還存在相位差。圖9-SEQ圖\*ARABIC\s121C檔各相導(dǎo)線中點張力變化曲線上述三相導(dǎo)線舞動幅度、張力振蕩幅度和相位的不同很可能是因為N21轉(zhuǎn)角塔的影響，如圖9-22所示，N21轉(zhuǎn)角塔使得B檔三相導(dǎo)線檔距不同，從而引發(fā)各相導(dǎo)線在舞動過程中的張力振蕩幅度及舞動幅度存在差異。圖9-SEQ圖\*ARABIC\s122輸電線路鳥瞰圖（部分）絕緣子串響應(yīng)分析兩直線塔N22和N23絕緣子串的響應(yīng)。因為N22直線塔絕緣子串僅沿導(dǎo)線橫向方向產(chǎn)生較大幅度擺動，其余兩方向擺動幅度均很小，所以僅畫出橫向擺動曲線，如圖9-23所示。N22直線塔絕緣子串的橫向振蕩幅度為0.278m。圖9-SEQ圖\*ARABIC\s123N22輸電塔絕緣子串?dāng)[動位移N23直線塔絕緣子串橫向位移和沿線路方向位移相當(dāng)，如圖9-24所示，振蕩幅度分離為0.151m和0.388m。N23直線塔絕緣子串的舞動軌跡如圖9-25所示.圖9-SEQ圖\*ARABIC\s124N23直線塔絕緣子串位移曲線圖9-SEQ圖\*ARABIC\s125N23直線塔絕緣子串的擺動軌跡將N22、N23直線塔絕緣子串?dāng)[動情況舉行比較，發(fā)現(xiàn)N22直線塔絕緣子串的橫向振蕩幅度大于N23直線塔；N22沿線路方向位移很小，而N23直線塔沿線路方向振蕩幅度為0.388m。N22直線塔絕緣子串大致呈單向往返擺動，而N23直線塔絕緣子串在一個水平面內(nèi)呈“橢圓形擺動”。圖9-26為C檔舞動穩(wěn)定后兩直線塔右相導(dǎo)線絕緣子串的張力變化，可看出N23直線塔絕緣子串的張力大致為N22的兩倍，N23和N22直線塔絕緣子串的張力振蕩幅度分離為1.700KN和1.071KN。此結(jié)果與9.3節(jié)導(dǎo)線脫冰結(jié)果十分相似，表明無論是脫冰還是舞動情況，N23直線塔絕緣子串的受到的載荷均要大于N22直線塔。圖9SEQ圖\*ARABIC\s126直線塔絕緣子串張力變化曲線輸電塔構(gòu)件軸向應(yīng)力對耐張段內(nèi)各塔構(gòu)件的軸向應(yīng)力舉行分析，找到了前4個最大應(yīng)力所在的位置及其大小，如表9-3所示。其中各位置可見圖8-16，其結(jié)果與導(dǎo)線脫冰結(jié)果類似。表明：無論是脫冰還是舞動情況，輸電塔各構(gòu)件最大軸向應(yīng)力位置并沒有變化。表9-SEQ表\*ARABIC\s13輸電塔各構(gòu)件前四大軸向應(yīng)力位置及其大小位置位置2位置3位置4位置5軸向應(yīng)力/MPa26.2127.9533.1934.87

結(jié)論與展望結(jié)論輸電塔線體系抗風(fēng)、斷線和掉串本項目采用有限元主意，通過數(shù)值分析軟件ANSYS研究輸電塔線體系的抗風(fēng)特性，主要分為三部分。第一部分是輸電塔線體系抗風(fēng)性能數(shù)值仿真研究，選取某一耐張段，建立了三塔四檔精細(xì)化有限元模型，舉行塔線耦合的動靜態(tài)數(shù)值仿真，研究了這一耐張段中各桿塔在各種載荷工況下（如自重、靜風(fēng)、脈動風(fēng)等）的受力、內(nèi)力和應(yīng)力，計算分析結(jié)果有助于全面地了解輸電塔線整體抗風(fēng)特性；第二部分是輸電塔線體系斷線數(shù)值仿真研究，在無風(fēng)的條件下，首先驗證了解耦計算的可行性，采用解耦的計算主意研究了不同斷線部位和形式，對桿塔力學(xué)特性的影響；第三部分是輸電塔線體系掉串?dāng)?shù)值仿真研究，在無風(fēng)的條件下，采用解耦的計算主意研究了不同掉串部位和形式，對桿塔力學(xué)特性的影響。下面分離講述各部分主要結(jié)論。第一部分：按照項目方提供的輸電線路資料，選取湛霞線一耐張段，建立了三塔四檔精細(xì)化有限元模型，研究了這一耐張段中塔線耦合體系在各種載荷工況下（如自重、靜風(fēng)、脈動風(fēng)等）的受力、內(nèi)力和安全系數(shù)，并與斜拋模型舉行比較，計算分析結(jié)果有助于全面地了解輸電塔線耦合體系的整體抗風(fēng)特性。給出風(fēng)速時程曲線，通過規(guī)范得到桿塔和導(dǎo)地線上的風(fēng)載荷時程曲線，舉行動態(tài)瞬時分析，得到桿塔在脈動風(fēng)載荷作用下，桿塔的動力響應(yīng)。=1\*GB3①將導(dǎo)地線的找形模擬結(jié)果，與斜拋理論模型的比較，誤差很小，說明找形主意確實切性。②三種靜態(tài)載荷工況的塔線耦合數(shù)值計算，其掛點載荷，通過與斜拋理論模型的比較，發(fā)現(xiàn)沒有風(fēng)載時，耦合計算與斜拋理論模型的結(jié)果很臨近，但是有風(fēng)載荷作用時，兩者相差較大。這為后續(xù)的解耦計算提供了可靠的根據(jù)。③三種靜態(tài)載荷工況的塔線耦合數(shù)值計算，是否施加塔身上的風(fēng)載荷，對導(dǎo)地線的變形和掛點力影響不大，但是對桿塔的內(nèi)力有一定影響。④三種靜態(tài)載荷工況的塔線耦合數(shù)值計算，對于桿塔的軸力分析，因為導(dǎo)地線的走向、風(fēng)向等綜合影響，有點部位軸力是疊加的效果，會較危險。對于耐張塔，根部主材較危險，而對于直線塔，中部（下橫擔(dān)以下）較危險。⑤從風(fēng)速譜中可以看出，平均風(fēng)速為35m/s的脈動風(fēng)，風(fēng)速從11.43m/s到58.73m/s變化，增幅達(dá)67.8%。⑥脈動風(fēng)下塔線耦合數(shù)值計算，桿塔主材關(guān)鍵部位的受拉、受壓情況與靜風(fēng)時類似。對于耐張塔，根部主材較危險，而對于直線塔，中部（下橫擔(dān)以下）較危險。對于湛霞線而言，A塔的情況比C塔更嚴(yán)重，主要是因為導(dǎo)地線的方向與風(fēng)的方向引起的。第二部分：基于第3章的模型，在無風(fēng)的條件下，研究了不同斷線部位和形式，對桿塔力學(xué)特性的影響。通過將耦合斷線計算與解耦斷線計算的比較，提出了一種容易明了的斷線計算主意，認(rèn)為斷線時，即為該桿塔懸掛點的導(dǎo)地線載荷驟然變?yōu)榱?，這樣可以較為容易、確切地分析輸電線塔的斷線問題。通過各種斷線數(shù)值分析，分析了斷線影響的邏輯。=1\*GB3①將耦合斷線計算與解耦斷線計算的比較，無論是導(dǎo)地線掛點載荷、還是桿塔關(guān)鍵部位的軸力，發(fā)現(xiàn)兩者計算結(jié)果的差異很小，這為斷線以及后續(xù)掉串的解耦分析提供了可靠的根據(jù)。②提出了一種新的斷線解耦計算主意，認(rèn)為斷線時，即為該桿塔懸掛點的導(dǎo)地線載荷驟然變?yōu)榱?，這樣可以較為容易、確切地分析輸電線塔的斷線問題。③導(dǎo)線斷線較地線斷線危險，導(dǎo)線斷線的位置越高對桿塔的影響越大。④某側(cè)的導(dǎo)線發(fā)生斷線，將使桿塔向另一側(cè)彎曲傾斜，故導(dǎo)致斷線側(cè)桿塔的軸力代數(shù)值增強，另一側(cè)桿塔的軸力代數(shù)值減小。⑤桿塔根部主材軸力的峰值增量基本是終值增量的2倍，橫擔(dān)軸力的峰值增量基本是終值增量的1.15倍，說明斷線對桿塔根部主材軸力的動態(tài)響應(yīng)較大⑥B塔斷線結(jié)果，與A塔斷線的結(jié)果相比，B塔終值增量和峰值增量均較A塔的結(jié)果偏大，異常是對桿塔根部主材軸力的影響較大，主要是因為B塔較高的緣故。第三部分：基于第3章的模型，在無風(fēng)的條件下，研究了不同形式的掉串，對桿塔力學(xué)特性的影響。掉串時載荷的計算，是假設(shè)了一種極端情況，即直線塔發(fā)生掉串時，兩邊的耐張塔形成新的檔距，計算出新的掛點和檔距情況下導(dǎo)地線的載荷，以突加載荷形式，施加到耐張塔相應(yīng)的掉串掛點上，得出掉串對耐張塔和直線塔的影響邏輯。=1\*GB3①提出了一種新的掉串解耦計算主意。②B塔發(fā)生掉串時，A塔向大號側(cè)彎曲，A塔根部主材的1、2部位軸力的代數(shù)值增大，3、4部位軸力的代數(shù)值減小。桿塔根部主材軸力的峰值增量是終值增量2倍左右。橫擔(dān)軸力的峰值增量是終值增量的1.2倍，說明掉串對桿塔根部主材軸力的動態(tài)響應(yīng)較大。③掉串的位置越高，對耐張塔的影響越大。④對于直線塔，掉串相當(dāng)于小號側(cè)、大號側(cè)同時發(fā)生斷線。不同的掉串形式對直線塔根部主材和橫擔(dān)主材的影響基本相同。⑤掉串發(fā)生在B塔x正向的橫擔(dān)上，此時B塔有向x負(fù)向彎曲的趨勢，B塔根部主材的2、3部位軸力的代數(shù)值增大，1、4部位軸力的代數(shù)值減小。掉串對桿塔根部主材軸力影響較小，桿塔橫擔(dān)的軸力總算將臨近于零。覆冰輸電線路的脫冰及舞動本項目采用數(shù)值主意建立塔線耦合體系研究了覆冰輸電線路的脫冰及舞動過程中導(dǎo)線、絕緣子串及輸電塔的動力響應(yīng)。主要分為四個方面：一是建立塔線耦合模型，分析求解主意；二是全面分析覆冰輸電線路脫冰參數(shù)，比如檔距、高差、脫冰位置和脫冰率等，對線路脫冰特性的影響；三是建立真切輸電線路典型區(qū)段，以導(dǎo)線為研究對象，分析兩種脫冰方式對輸電線路脫冰特性的影響。然后以較為嚴(yán)重的脫冰方式分析了光纜脫冰。接著以一個三檔耐張段為研究對象，分析三檔每隔30s依次脫冰的脫冰順序?qū)λ€體系影響，找出了最佳脫冰順序。最后按照同時同向和同時不同向兩種情況分析了各工況下不平衡張力的變化情況；四是真切輸電線路典型區(qū)段的舞動研究，分析了新月形和扇形兩種冰形在不同初始覆冰角下的舞動特性，分析了風(fēng)速對導(dǎo)線舞動幅度的影響，分析了檔內(nèi)舞動時輸電線路響應(yīng)。下面分離講述四方面得到的四部分主要結(jié)論。第一部分：首先驗證了塔線耦合體系模型的建立、脫冰模擬及動力求解主意。在該部分中，本文提出了一種簡便的找形主意，以往均是通過反復(fù)迭代舉行找形，操作不便，精度較低，本次對導(dǎo)線（地線）施加初始應(yīng)變舉行找形，容易有效。第二部分：在導(dǎo)線脫冰時：=1\*GB3①覆冰厚度越大，導(dǎo)線弧垂越大，跳躍高度也越大，但最高點變化較小。=2\*GB3②脫冰率越大，導(dǎo)線跳躍高度越大，掛點處受到的不平衡張力和絕緣子串的擺動位移也越大。=3\*GB3③參加水平間隔棒可有效降低導(dǎo)線跳躍幅度和導(dǎo)線張力振蕩幅度。但間隔棒數(shù)目對導(dǎo)線跳躍幅度影響很小，所以使用一對間隔棒最好。多對間隔棒會增強導(dǎo)線弧垂和張力。=4\*GB3④檔距越大，導(dǎo)線跳躍高度越大，張力振蕩幅度越大。=5\*GB3⑤高差對導(dǎo)線的跳躍高度幾乎沒有影響，但高差越大，導(dǎo)線高懸掛點處的張力越大。=6\*GB3⑥脫冰位置越逼近導(dǎo)線中央，導(dǎo)線中點跳躍幅度、張力振蕩幅度越大。=7\*GB3⑦若只研究導(dǎo)線和絕緣子串的的脫冰響應(yīng)，將塔線體系簡化為導(dǎo)線絕緣子模型是有效且可靠的。第三部分：=1\*GB3①對真切輸電線路典型區(qū)段舉行覆冰前后靜力分析，發(fā)現(xiàn)：覆冰后導(dǎo)線弧垂增強，張力增大；覆冰后絕緣子串的偏移方向發(fā)生了改變，絕緣子串?dāng)[動位移增大、張力增強。=2\*GB3②對“全擋脫冰”和“局部脫冰”兩種脫冰方式舉行分析比較，發(fā)現(xiàn)：無論是從脫冰跳躍振動幅度、導(dǎo)線張力振蕩幅度、絕緣子串張力振蕩幅度，還是絕緣子串偏移位移方面來比較，局部脫冰方式引起的都更大，對輸電線路安全運行的威脅也越大。但從輸電塔構(gòu)件應(yīng)力來比較，兩種脫冰方式的影響十分臨近。=3\*GB3③通過脫冰研究發(fā)現(xiàn)，N23輸電塔絕緣子串受到的張力大致為N22輸電塔絕緣子串的2倍，N23輸電塔絕緣子串的張力振蕩幅度也較大。表明脫冰時，N23輸電塔更為危險。=4\*GB3④對于一個三檔耐張段，若按照每隔30s各檔依次脫冰，要使耐張段內(nèi)導(dǎo)線的跳躍高度最低，脫冰順序應(yīng)遵循以下兩個原則：大檔距應(yīng)首先脫冰，小檔距脫冰應(yīng)在兩個大檔距脫冰之間舉行；對于兩個大檔距，高差較小的脫冰順序在前。=5\*GB3⑤通過對耐張段內(nèi)同時同向和同時不同向兩種情況下導(dǎo)線和光纜的不平衡張力舉行分析，發(fā)現(xiàn)存在3個工況的計算結(jié)果超出了標(biāo)準(zhǔn)。第四部分：=1\*GB3①使用鄧哈托舞動判據(jù)判斷導(dǎo)線是否舞動并不可靠，但其判定結(jié)果可作為參考。=2\*GB3②新月形冰形在覆冰厚度23mm、風(fēng)速為10m/s時，在0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°初始覆冰角下，導(dǎo)線均沒有發(fā)生舞動。=3\*GB3③扇形冰形在風(fēng)速10m/s情況下，覆冰厚度為10mm和20mm兩種情況下，僅在某些初始覆冰角下導(dǎo)線才會發(fā)生舞動。=4\*GB3④在扇形冰形覆冰10mm和20mm兩種厚度中，在分析的初始覆冰角中，共浮上了3個初始覆冰角使得導(dǎo)線在風(fēng)中舞動。經(jīng)過傅里葉分析，各舞動情況下導(dǎo)線在橫向、豎直方向及導(dǎo)線轉(zhuǎn)動方向上的振蕩頻率均臨近0.18Hz，為一階振動頻率。=5\*GB3⑤扇形冰形在風(fēng)速10m/s情況下，覆冰厚度為10mm和20mm兩種覆冰厚度下，引發(fā)舞動的初始覆冰角是不同的。=6\*GB3⑥在同一覆冰厚度下，初始覆冰角不但影響導(dǎo)線是否舞動，還會影響舞動幅值。=7\*GB3⑦導(dǎo)線要在風(fēng)作用下發(fā)生舞動，不僅要有合適的初始覆冰角，風(fēng)速還必須大于舞動臨界風(fēng)速，隨著風(fēng)速增大，舞動幅度也迅速增強。=7\*GB3⑦在導(dǎo)線舞動時，地線可能不會發(fā)生舞動。=8\*GB3⑧在轉(zhuǎn)角塔的影響下，三相導(dǎo)線在相同的風(fēng)載下舞動幅值、軌跡和張力不同，但差異很小。=9\*GB3⑨在一個耐張段中，發(fā)生檔內(nèi)舞動時，該檔兩端絕緣子串的舞動響應(yīng)徹低不同。N22直線塔絕緣子串主要沿單方向（橫向）擺動，而N23直線塔絕緣子串則在水平面內(nèi)呈“橢圓形擺動”。N23直線塔絕緣子串的張力大致為N22的兩倍，N23直線塔絕緣子串的張力振蕩幅度也較大。=10\*GB3⑩在一耐張段內(nèi)，無論發(fā)生脫冰還是檔內(nèi)舞動，較薄弱的位置不會發(fā)生改變，比如絕緣子串張力較大位置，輸電塔構(gòu)件軸向應(yīng)力最大位置，均需要重點擔(dān)心。展望輸電塔線體系抗風(fēng)、斷線和掉串本項目研究了輸電塔線體系抗風(fēng)、斷線和掉串時的力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)。對于抗風(fēng)的數(shù)值模擬，采用了塔線耦合有限元模型，并發(fā)現(xiàn)該模型計算得到導(dǎo)地線掛點力與斜拋理論模型的計算結(jié)果有較大偏差，如能進一步舉行研究，找到差異的緣故，或?qū)τ邢拊Ｐ突驅(qū)π睊伬碚撃Ｐ团e行合理的修訂，會推進對塔線耦合體系抗風(fēng)特性的進一步理解和工程應(yīng)用。對于斷線和掉串的數(shù)值模擬，采用了解耦的計算主意舉行研究，雖節(jié)約了耦合時非線性迭代的大量時光，但是因為桿塔體系的復(fù)雜，斷線和掉串的形式無數(shù)，加之導(dǎo)地線走向的影響，若想全面了解斷線和掉串對桿塔的影響，還需要大量時光舉行計算和分析。在掉串的數(shù)值模擬中，假設(shè)了一種極限狀態(tài)，即導(dǎo)線不落地的情況，但是實際導(dǎo)線絕對會落地的，這一現(xiàn)象的模擬還需進一步研究。另外，對脈動風(fēng)的研究有限，本研究只挑選了一條脈動風(fēng)曲線舉行了桿塔耦合體系的動態(tài)瞬時分析，不同的脈動風(fēng)，可能對導(dǎo)線、桿塔的激振會不同。因為桿塔中的主材眾多，本研究只選取了若干關(guān)鍵部位舉行了軸力、安全系數(shù)的分析，越發(fā)全面的分析是須要的。覆冰輸電線路的脫冰及舞動本項目分析覆冰輸電線路脫冰參數(shù)，比如檔距、高差、脫冰位置和脫冰率等，對線路脫冰特性的影響。但只是定性的分析，仍需進一步得到脫冰跳躍振動高度與檔距、高差、覆冰厚度和脫冰率等參數(shù)的定量關(guān)系，并根據(jù)實驗舉行驗證。另外，舞動分析中假設(shè)覆冰勻稱且整擋風(fēng)載荷是大小、方向均不變的。固然有助于分析風(fēng)速和初始覆冰角與覆冰導(dǎo)線舞動特性的關(guān)系，但仍需考慮更符合實際的風(fēng)載荷及其對應(yīng)的覆冰導(dǎo)線的舞動特征，以便對真切線路舉行分析研究。最后，本項目舞動分析部分缺乏實驗數(shù)據(jù)支撐，應(yīng)在有條件的情況下對實際線路舉行舞動觀測或者舉行舞動實驗，進而完美舞動數(shù)值模擬主意。

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