外文翻译《用有限元的方法对特高压输电杆塔基础变形进行研究》.doc

基于有限元法的特高压输电杆塔基础变形的研究Fengli Yang,Jingbo Yang,Junke Han,Zifu Zhang摘要 杆塔基础在煤矿采空区上方很容易变形，会严重威胁到安全运行的高压(特高压)的输电线路。在本文中，利用普通的软件ANSYS建立一个典型的有限元模型的1000-kV特高压交流传动杆塔，和轴力的复数以及它们的变化趋势在不同负载情况下进行了分析，其中包括地基沉降,滑动,和倾角结合正常的设计案例。用有限元方法为不同工况下的地基变形进行杆塔分析测定。它表明了有限元情况下拉伸变形、横向变形，不均匀沉降,以及水平滑动减少，依次，用相同的荷载，基础变形的有限值在60°以下风偏时为最小，是控制负载情况下的基础变形。有限值通过计算沉陷不低于现行规定，用管理的方式去评价这种压力是很危险的，但是杆塔基础变形在匡正过程中，轴力参数是除了承载力的水平滑动和杆塔处于安全状态以外最关键的。关键词 基础变形，煤矿采空区，有限元，校正，特高压输电塔。I.简介根据地形特征的限制和走廊条件，输电线路通常通过采空区的煤矿，在中国一些不超过500千伏的输电线路穿越了废弃的矿区。输电线路杆塔基础将会被沉降，倾斜或者滑动所毁坏。然后，随着塔腿的张开度和高度差的变化，塔结构将承受更高得附加负载，塔体的一部分或者整个的塔体将会被毁坏，直接威胁铁塔安全及线路的稳定运行。 目前在我国煤矿采空区已建成的输电线路中，已有多处铁塔基础发生沉降、倾斜或滑移1-8，如内蒙古乌海伊公线50号铁塔，山西省长治市境内的110 kV漳库 I、II 回1522号铁塔，库襄线26、1744号铁塔,220 kV漳长 I、II 回 1115 号铁塔，阳淮500 kV输电线路第3回的S号塔及第2回的G号铁塔，贵州省境内的220 kV输电线路站鸡I回021铁塔，西安110 kV北西线25号铁塔等。我国已开工建设晋东南南阳荆门 1 000 kV特高压输电线路工程，特高压输电线路电压等级高、容量相当于 46 条 500 kV输电线路的输送容量5，一旦发生事故，对整个系统的稳定和受端电网将造成灾难性的冲击，特高压线路的安全稳定运行关系着我国能源结构的安全，这对线路的可靠运行提出了更高要求。特高压线路在山西、河南, 将穿越较长的煤矿采空区，采空区特高压铁塔基础发生形变后以及扶正过程中铁塔受力情况成为人们关注的问题。 根据输电线路基础设计技术规定中对不同塔高的地基沉降变形值做出了相关规定，而对基础不均匀沉降和发生水平滑移等情况的限值还没有明确规定，目前，对采空区基础变形铁塔的研究大多数集中在变形后铁塔基础的扶正或加固技术方面，而对基础变形后以及扶正过程中铁塔的状况缺乏深入研究。 由于对基础变形特高压铁塔进行真型试验研究耗资巨大，且难以实现。因此有必要通过对基础发生沉降、倾斜或滑移后的铁塔结构进行内力分析，给出铁塔在正常运行工况下沉降量、倾斜量或滑移量限值；对扶正过程中的铁塔进行内力分析，得到铁塔杆件的内力变化趋势，为煤矿采空区特高压输电铁塔基础变形后及扶正过程中的健康状况评价提供参考和依据。II.分析插图选取晋东南南阳1 000 kV 线路中的ZBS2直线塔进行分析，该塔满足大风、覆冰、安装等正常工况的使用要求。1 000 kV 交流特高压输电线路采空区杆塔采用大板基础，其荷载情况及使用条件为：设计风速在10m参考高度为30米/秒,设计冰层的厚度是10毫米。这座塔的高度58.5米下围是12米。金属导线与地线的水平和垂直分别被设计为560 m和800米。导体与地线的类型是LGJ-500/35和JLB20A-170。计算规格和假设如下。1) 有限元分析计算方法在12和13中是考虑的规格，被用于在煤矿采空区的基础变形的塔的结构分析，塔的应力状态是根据有限元计算结果来估计的。设计的成员的承载力可以通过12和13中的公式来计算。设计力量被假定为和成员力量的临界值一样。2) 分析案例的总数为34，案例的图解在图2中显示出来。分析主要集中于结汇、倾角、或滑动的基础变形，与工作负荷量为90风，60风，10mm附冰荷载以及安装负荷相结合。在不同负荷案例下的有变化的成员力量是由有限元计算分析算出来的。3) 风向和基础变形的关系显示在图三。编号A、B、C、D是指塔的四个节点足。A-C变形是在与风相反的方向，B-D变形是沿着风向朝下的。风向之间的关系及地基变形是显示在图3。号码A、B、C、D是指塔的四个节点足。A-C变形以及队伍在相反的方向的风、变形B-D队伍在沿下风向。基柱环梁底板图1.大型基础底板简图III. 分析模型一般的有限元分析软件是被应用于基础变形14, 15的塔结构分析。支柱成员和中级成员分别模拟了塔的BEAM4元素和Link8元素。BEAM4是一种带有电压，压型，扭力和弯曲能力的单轴元素。LINK8是一种在每个节点有三种转化自由度的三维单轴方法元素。支柱之间的联系是刚性的，中级成员之间的联系是铰链式的。图四显示出塔的有限元分析模型。图3.各工况下的承载力60°风基础顺风方向图2.风向与铁塔基础变形关系图4.铁塔有限元模型在分析过程中，负荷措施是由一个合理值创造出来的，基础变形和已获得的关键成员的承载力的关系弯曲了，有限的值的不同种类的地基变形进行测定。不同类型的基础变形的有限值是已定的。假定成员在工作载荷包括括风力、荷载冰块和基础变形下处于一种弹性状态。当塔基础倾斜的时候，整个变形塔变大，产生附加力矩。在有限元分析软件中，大变形的选择应该处于开启状态，塔的大变形的效果可以参照1620.表1.塔角约束条件图5 基础滑移和不均匀沉降图图6 基础横线路变形模式基础变形的固定，倾斜或者滑倒可以被塔下脚的不同受约束的类型模仿。对不同情况下的塔下脚的约束显示在表格I。乌斯和电压是垂直方向和纵向方向的直移的自由度，ROTY是输电线路纵向的转动式自由度。当基础的横断面或者纵向变形时，塔下脚一面是固定的，另外一面是固定的或者倾斜的。基础的下滑沉陷的案例见图5。当基础滑动了的时候，塔下脚的一边是固定的，另外一边向水平方向飞快行进。由于基础是不均匀固定的，四个塔脚的其中一个是固定的，其他三个以2:5:10的比例固定起来。固定值指的是四个脚的最大的垂直位移。IV. 承载力分析 在这个分析中的34个载荷案例，只有在60风力下的塔的结构分析结果，详细的陈述了连同沿着输电线的纵向方向的基础变形。沿着输电线的纵向方向的基础变形有两种方式，其中包括图6(a)中的大型覆盖件的基础的固定的和失效图6(b)中当大型覆盖件的基础没有破裂的时候基础倾斜。A.大变形效果根据输电线路的操作经验，对不同类型的基础变形来说，基础沉降的有限值相对而言比较低。当沉降值在0至100毫米范围之内的时候，横向分离器的轴向力近似于没有考虑到大变形的效果。至于基础沉降，塔身的变形是相对来说非常小的，附加力矩引起的塔身的变形是可以被忽略的。大变形效果对基础沉降塔的成员力量的影响是非常小的。对那些基础倾斜的案例来说，基础附加力矩的引起的塔身的变形是非常有意义的且不容忽视。当倾斜值的范围为0到2.0米, 分离器的轴向力有没有大变形效果如图7所示。如果不考虑大变形效果，塔身就会像一个刚性的身体一样一直旋转。成员力量会随着基础倾向的增加慢慢发生改变。考虑到一个大变形效果，就要考虑额外的矩的塔体变形。随着不断增加的倾向值，成员力量也会呈非直线型增长。B.基础沉降根据增加的沉降值的分析结果，成员轴力分布变化较大的是支架，斜构件和塔底部的横向分离器成员，而轴力的成员在塔的顶部变化的很少。在塔底部的成员的分布如图8显示。1)当基础沉降的方向与风的方向相同，在横向分离器成员中轴向力的变化显示在图9中，逐渐增加的沉降值会让成员力量的绝对值呈直线型发展。当沉降值增加到34毫米的时候，成员力量到达了临界值。临界值意味着一成员的轴向力达到设计的承载能力，可以计算钢保持稳定的屈服点和一个成员的截面面积。横向分离器面板下面的斜构件成员的力量的变化可以通过图10看出来。当沉降值达到60毫米时成员力量到达了临界值。横向分解数图8.塔身底部杆件分布图 随着基础沉降的增加，在塔底部的横向分离器成员是第一次被打破 反过来在分离器成员下面的斜构件就会失败。考虑到在设计塔的承载力边 缘，假定成员在轴向力达到临界值的120%多的时候就会出现故障，在有限元模拟中，出现故障的成员就应该被删除，如图11上所示。图9.基础沉降横向力分解数的轴向力临界值沉降值（毫米）横向力分解数根据分析结果, 在横向分离器面板上的斜构件的轴向力变化的比较大，不同沉降值的轴向力的变化如表2所示。当沉降值增加到大约134毫米, 在横向分离器面板上的斜构件的轴向力达到临界值的120%，塔就处于故障状态了。2) 当基础沉降的方向与风的方向相反的时候，成员力量的变化就与沿风的方向向下是一致的，当沉降值大约10毫米的时候，横向分离器的成员和分离器面板下的斜构件都是第一次被折断了。当沉降值增加到80毫米，在横向分离器面板上的斜构件的轴向力达到临界值的120%，塔就处于故障状态了。C.基础倾向在一个大型的平板旋转基础上，塔可以旋转。在这种场合下,大变形的选择应该从几何非线性中挑选出来，在有限元分析中是一种典型的大变形分析。在结构分析中可以考虑几何非线性的影响，塔的倾向可以被当大型大型覆盖件的基础正在倾斜的时候，塔脚的垂直位移索引。随着不断增加的倾角，支架的轴向力，斜构件和在塔底部的横向分离器成员变化很大。在工作负荷情况上来看，在塔顶的成员的压力相对来说比较低，塔顶的主要成员在基础倾向时没有被打破。支柱，斜构件塔底部的横向分离器成员的轴向力的变化是被重要研究的。1）当基础倾向是顺风的时候，横向分离器成员主要承受张力。横向分离器成员的力量的变化见图12.随着倾向值的增加，轴向力成员成非直线性增加。轴向力的拟合曲线大约是第二次抛物线。当倾向值达到1805毫米的时候，轴向力到达临界值。 在横向分离器平板的下面支柱的轴向力的变化如图13所示。随着倾向值的增加，轴向力的绝对值大约是呈直线型增加。当倾向值达到1274毫米的时候，轴向力成员达到临界值。支柱比横向分离器成员断的要早。随着大型平板基础的倾向，塔偏向的程度变化很大。当偏向程度达到1274毫米的时候，如图14所示就可以看到塔偏向的分布情况，偏向的最大值是6405毫米，在塔顶的横线担处。图11.去除破坏杆件后的有限元模型下部材料图10.基础沉降底部对角值的轴向力临界值沉降值（毫米）横向力分解数对基础倾向的案例来说，塔顶成员的压力改变了一点点，低于设计力量, 因此塔顶处于安全状态。塔顶的变形情况是非常巨大的，人们认为，当支柱或者横向分离器的轴向力达到临界值，塔就坏了。所以，当倾斜值是1274 mm,塔就处于故障中了。表2 塔身下部斜材承载力2)由于基础倾向的方向是逆风的，随着不断增加的倾向值，在横向分离器面板下的四个支柱的最大轴向力大约是呈直线型下降的。当倾向值达到1811毫米的时候，横向分离器的成员和分离器面板下的斜构件都坏了，塔就出现故障了。横向分离器成员的轴向力的变化如图15所示。图14.基础倾斜时铁塔偏向分布图15.迎风时主材基础倾斜的轴向力倾斜量（毫米） 临界值 V. 基础变形的有限值 其他负荷案例的分析过程与第五部分的内容是一样的。输电线路的横向和纵向的基础变形的有限值见表3。不均匀的沉降和滑动的有限值见表4。当基础倾向的时候大型平板基础没有坏掉，塔和基础是作为一个整体系统变形的。根据表3的结果，基础倾向的有限值相对来说还是比较高的，所有的都超过了1000毫米。结合工作负荷案例,沉降，倾向和在60风力载荷下滑动的有限值都是最小值。60风力载荷案例是基础变形的中心案例。通过6的规格，分析塔的基础变形的有限值是60毫米。沿着输电线路的横向和纵向的基础变形的有限值被计算出来分别是65毫米和80毫米，比6.的有限值要高。不均匀的沉降的有限值是44毫米，比6.的有限值要低，通过6估计塔的压力状况是非常危险的。随着基础的滑动，塔脚口也会发生变化，在这种情况下的有限值是最小值。如图16，在同样的工作载荷下，有限值是排列好的，顺着变形的纵向，横向，不均匀沉降和水平滑动就会下降。表3.基础横线路和顺线路变形限值图16.基础变形限值 图17.对角塔材轴向力的扶正率临界值扶正率（毫米）VI.分析矫正塔 塔被认为是在安装改正负荷状态下被矫正的。结构分析是在对塔的矫正过程中进行的。基座变形达到一定限度时的压力状态是其最初状态。塔基会分步按比例矫正。如果沉降值或者倾斜值都不高于限定值，那么塔腿、斜构件以及塔底部的横向分离器的轴向力会随着不断增加的矫正率而增加。如果分力不高于临界值，那么塔就会处于安全状态，排除湿滑的情况。 根据图表四中的计算结果，当滑动值高于290mm，塔就会开始矫正过程。横向分离器上面的斜构件的分力变化非常剧烈，相应的力值变化值请参见表17。随着矫正率的不断增加，斜构件的力度状态会由紧张变为压缩。当矫正率超过59%，斜构件会破裂，因为此时轴向力达到了它的临界值。VII.总结1在90风，60风工作负荷、10毫米的吸积冰载荷，以及安装负载情况下，地基在60风荷载沉降、倾斜、滑动的限定值是最低的。60风荷载的情况是地基变形的控制情况。2在地基倾斜的时候，如果大平板基础不受破坏，那么塔身和塔基变形成为一个整体系统。它能够有效地保证在煤矿采空区的特高压塔的安全。3对于基础倾斜的情况，在该塔底部的横向分离器，以及分离器上部和下部的斜构件将排列错误。应加强这些组件在煤矿采空区的特高压塔中的结构设计。4塔腿的开合是随着塔基的滑动而变化的。在这种负荷情况下的最小值就是临界值。在相同大小的外界负荷下，随着在纵向和横向方向的变形、不均匀沉降和滑动，这临界值会重新变化排列。5在矫正过程中，如果对应的沉降值或倾斜值不高于其限定值，那么分力将不会高于临界值。这时塔处于安全状态，除非它在滑动。对于滑动状态，随着矫正率的增加，斜构件的力度状态从紧张变至压缩。一旦矫正率超过59%，斜构件会破损，因为它受的力达到了临界值。因而在矫正之前，斜构件应该被加强。6有限元分析结果是这篇论文中分析塔的基础变形效果研究的一种有效的辅助方法。在进一步研究中，对于其他类型的电塔，以及其原型和模型的测试也应该进行有限元分析。参考文献1 S. 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