基于特高压输电铁塔组装钢管抱杆的优化设计.doc
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1、 ee基于特高压输电铁塔组装钢管抱杆的优化设计ee(ee)指导教师:ee 摘要本论文主要对特高压输电铁塔组装钢管抱杆进行优化设计,根据特高压输电线路铁塔组立的经验,采用内悬浮外拉线抱杆分解组塔方法。针对这种方法,选择的抱杆长度为38m,而38m抱杆一般应选用格构型变截面金属抱杆。在对特高压输电铁塔组装钢管抱杆进行设计的过程中,主要分析了不同金属抱杆的结构特点,研究了金属抱杆的受力特点及长细比选择,对单抱杆中心受压、偏心压力和兼有横向弯矩抱杆、抱杆风荷载及格构型抱杆选材等进行了设计、计算、校核,确定了内悬浮外拉线抱杆分解组立特高压线路铁塔施工方案. 针对拟研究的内悬浮抱杆,本文利用Pro/E软件
2、建立了钢管抱杆的有限元模型,再用ANSYS软件对钢管抱杆的结构进行了分析设计。 关键词特高压;输电铁塔;钢管抱杆;有限元分析;优化设计Based on UHV transmission tower assembly steel tube pole optimization designee(ee)tutor: ee Abstract: This thesis focuses on high voltage transmission tower steel pole assembly to optimize the design, according to special high-voltag
3、e transmission line tower assembly of experience, using the external cable suspended group Tower pole decomposition method. For this method, pole length should be selected for the 38m, 38m pole should be used in general variable cross-section of lattice-typ3.e metal pole. UHV transmission tower in t
4、he assembly of the steel pole design process, the main pole of the different structural characteristics of the metal, the metal pole of the force characteristics and the slenderness ratio selection, center of pressure on a single pole, Lateral pressure and bending moment both eccentric pole, wind lo
5、ad pass pole pole configuration was designed such selection, calculation, checking, determine the decomposition of suspended pole outside the cable assembly UHV transmission line tower construction program. Machinery Co., Ltd. developed for the peaks of research, we use Pro/E software to establish a
6、 steel pole in the finite element model ,then the structure of the steel pole design is optimized by ANSYS. Key words: UHV;transmission tower;steel tube pole;finite element analysis;optimal design目 录1.引 言11.1研究课题的内容和意义11.2输电线路铁塔及其结构11.2.1自立式塔型21.2.2拉线式塔型31.2.3特高压钢管塔31.2.4大跨越高塔41.3常用的立塔方法41.3.1整体立塔41
7、.3.2分解组塔51.4金属抱杆的类型71.4.1金属抱杆按照材料不同分类81.4.2金属抱杆按照组装的结构型式不同分类91.4.3金属抱杆按照断面形状不同分类91.4.4按照立塔方式及结构特点不同分类101.5抱杆的研究现状112.抱杆的设计132.1研究抱杆要解决的问题132.2金属抱杆的受力特点及长细比选择132.3单抱杆中心受压的设计计算142.3.1等截面抱杆的中心压力计算142.3.2变截面抱杆的中心压力计算162.4偏心压力和兼有横向弯矩抱杆的设计计算192.4.1等截面抱杆的偏心受压计算192.4.2变截面抱杆的偏心压力计算202.5抱杆风荷载计算212.5.1风振系数212.
8、5.2顺向风荷载标准值242.5.3风载计算252.6格构型抱杆选材的验算262.6.1抱杆主材截面的选择262.6.2抱杆辅助条材的选择273.有限元分析方法283.1有限元法基础理论283.2 ANSYS软件基础323.3抱杆模型说明374.抱杆的有限元分析384.1抱杆的仿真实验目的384.2计算机仿真实验模型384.2.1仿真实验项目及步骤394.2.2仿真实验结果及分析394.2.3内悬浮抱杆仿真实验结论404.3特高压输电铁塔组装用钢管抱杆的最优设计404.3.1技术参数414.3.2抱杆主材选择及截面形状优化414.3.3 S600抱杆的特点485总结与展望495.1总结495.
9、2展望49致 谢51参 考 文 献52附:英文原文中文翻译431.引 言1.1研究课题的内容和意义 电力工业是国家的支柱产业之一,也是国民经济的命脉,关系到国计民生。特高压电网是基于我国发电能源分布和经济发展极不均衡的基本国情,为保证能源资源在全国范围内优化配置,适应东西20003000km、南北8002000km远距离、大容量电力输送需求而建立的。我国能源资源蕴藏丰富地区远离经济发达地区,三分之二以上的经济可开发水能资源分布在四川、西藏、云南,三分之二以上的煤炭资源分布在山西、陕西和内蒙古西部。东部地区经济发达,能源消费量大,能源资源却十分匮乏,因此,客观上需要采用长距离、大容量的特高压输电
10、技术。而由于电厂装机容量越来越大,电力输送逐渐形成输电线路远、电压高的特点,再加上地形、地理位置的不同,对高压输电线路铁塔及其相关设施提出了更高的要求。要在崇山峻岭之间及交通不便的地区兴建众多的输电线铁塔,要求进一步研制更多的在不同地形地貌进行施工组装这一类大型输电线铁塔的安装设备抱杆。抱杆是一种起重类桅杆结构。目前它在电力建设施工中尤其是吊装施工中的使用日益广泛,其主要功能是以杆身为载体,将某种工艺装置举向高空,或作为安装及施工用的起重机结构。抱杆的设计和建造要求具有很高的安全性能和使用性能。在正式投入使用之前,必须按照设计要求进行载荷设计,以考验桅杆设计的合理性和制造质量的可靠性,确保抱杆
11、在使用过程中安全可靠。此次拟研究的抱杆是专为山区地形组立特高压铁塔设计,通过对抱杆的优化设计,使抱杆单位长度重量、结构尺寸达到最优,以更加突出钢管抱杆组装高度大、截面尺寸小、相对重量轻、方便运输和吊装的特点。1.2输电线路铁塔及其结构铁塔是支持导线及避雷线的空间钢结构,国内外多数用热轧等肢角钢(腹杆国外有用不等肢角钢的),选用螺栓连接的空间桁架结构,只有少数国家采用冷弯型钢或钢管及钢筋混凝土结构。我国从1974年开始试验研究500kV输电线路上使用的各种型式的铁塔,80年代初建成第一条平武500kV的超高压线路以来,东北、华北、中南、西南及华南地区(西北地区为330kV系统),有15000多千
12、米500kV超高压线路在运行。21世纪我国开始研究多回路的500kV线路铁塔,同时也在着手研究l000kV以上的特高压输电线路铁塔。 架空输电线路的铁塔按用途分为:直线型铁塔、耐张型铁塔和特殊型铁塔;按导线回路数分为:单回路、双回路和多回路铁塔;按结构型式分为:自立式铁塔、拉线型铁塔、特高压钢管塔和大跨越高塔。 1.2.1自立式塔型 指不带拉线的铁塔,因其塔身较宽大,刚性好,也称刚性铁塔。该塔有宽基和窄基两种:宽基塔的底宽与塔高的比值:承力型为1/4-1/5,直线型为1/6-1/8;窄基塔的宽高比约为1/12-1/13。自立式塔又可分为导线呈三角形排列的上字型如图1.1(a)和鸟骨型如图1.1
13、(b)、猫头型如图1.2、干字型如图1.3、导线水平排列的酒杯型如图1.4(a)及门型如图1.4(b)、鼓型如图1.5和蝴蝶型如图1.6等结构。 (a) 上字型 (b)鸟骨型 猫头型 干字型 图1.1 自立式塔1 图1.2 自立式塔2 图1.3 自立式塔3 (a)酒杯型 (b)门型 鼓型 蝴蝶 图1.4 自立式塔4 图1.5 自立式塔5 图1.6 自立式塔6 1.2.2拉线式塔型拉线塔由塔头、主柱和拉线组成,塔头和主柱一般由角钢组成空间桁架,有较好的整体稳定性,能承受较大的轴向压力。拉线一般用高强度钢绞线做成,能承受很大的拉力,因此拉线塔能充分利用材料的强度特性而减少材料用量,但拉线占地面积较
14、大。拉线塔又可分为导线三角形排列的鸟骨型、猫头型、上字型等,导线水平排列的八字型、V字型还有纵向能自立的内拉门型塔,如图1.7、1.8、1.9。 (a)拉线上字型 (b)拉线猫头型 (a)拉线八字型 (b)拉线V型 内拉门型 图1.7 拉线式塔1 图1.8 拉线式塔2 图1.9 拉线式塔3 1.2.3特高压钢管塔特高压双回路钢管塔的直线塔和悬垂转角塔是鼓型铁塔,耐张转角塔采用鼓型铁塔和单柱组合耐张塔。塔高一般大于100m,平均塔重约200t,塔材单件重量可达4t、长度可达9m、管径可达1m。图1.10中,(a)、(b)、(c)为直线塔型,(d)为耐张塔型。 (a)SZ271-54 (b)SZ2
15、72-54 (c)SZ273-60 (d)SJ271图1.10 特高压双回路钢管塔示意图 1.2.4大跨越高塔大跨越高塔指跨越大的江河或海峡,跨越超过l000m、塔高l00m以上的输电线路铁塔。这种铁塔因外荷载大(主要是风荷载),造成铁塔结构复杂。目前国内外多用组合构件铁塔,用角钢做组合构件较多,也有用钢管塔及拉线钢管塔。我国跨越长江在南京(塔高257m)、武汉、安徽等处也用了钢筋混凝土塔,塔身为圆筒状钢筋混凝土结构,塔头为钢管或角钢结构,如图1.11、1.12、1.13。 图1.11 大跨越组合构件自立塔 图1.12 大跨越拉线塔 图1.13 大跨越混凝土塔1.3常用的立塔方法施工过程中常见
16、的立塔方法有:整体立塔和分解组塔两大类。其中整体立塔又分为:倒落式人字抱杆整体立塔和座腿式人字抱杆整体立塔两种;分解组塔又分为:内悬浮内拉线抱杆分解组塔、内悬浮外拉线抱杆分解组塔、外拉线抱杆分解组塔、内悬浮带摇臂抱杆分解组塔、座地式摇臂抱杆分解组塔、流动式起重机组立铁塔、小抱杆分解组塔、倒装分解组塔等。 1.3.1整体立塔整体立塔已形成了一套完整的标准化的工艺流程和操作方法,适用于各种铁塔型式,包括拉线塔、自立塔和钢管塔,尤其适用于拉线铁塔和钢管塔。1.倒落式人字抱杆整体立塔倒落式人字抱杆整体立塔是目前国内施工单位使用比较多的一种立塔方法,施工工艺较为成熟。其施工工艺流程与倒落式抱杆整体组立混
17、凝土电杆基本相同,操作方法也基本相同。2.座腿式人字抱杆整体立塔座腿式人字抱杆整体立塔是由倒落式人字抱杆整体立塔发展而来的,其特点是:人字抱杆由坐落地面改为坐落在铁塔的塔腿上。起立铁塔的抱杆有效高度相当于抱杆有效高度加铁塔根开,故与倒落式人字抱杆相比,实际抱杆长度较短,质量较轻,故也称为小抱杆整体立塔。 1.3.2分解组塔1.3.2.1内悬浮内拉线抱杆分解组塔内悬浮内拉线抱杆,简称内拉线抱杆,是指抱杆置于铁塔结构中心呈悬浮状态,抱杆拉线固定于铁塔的四根主材上,故称其为内拉线。内悬浮内拉线抱杆分解组塔主要适用于110-220KV线路的各种自立式铁塔,也可以在500KV线路铁塔组立中使用。其与外拉
18、线抱杆组塔相比主要有以下优点:(1)工具简单。减少了地锚及减短了临时拉线长度。(2)不受地形影响。当铁塔塔位处于陡坡地形时,由于取消了外拉线,使组塔受外界条件限制较小。(3)吊装过程中,抱杆处于铁塔结构中心,铁塔主材受力较均衡,易于保证安装质量。(4)减少操作人员,主要是监视抱杆拉线人员,提高了工作效率。1.3.2.2内悬浮外拉线抱杆分解组塔内悬浮外拉线抱杆是指抱杆的拉线由抱杆顶引至铁塔以外的地面,通过拉线控制器与地锚连接固定,故也称为落地拉线。内悬浮外拉线抱杆分解组塔法广泛用于各种电压等级的输电线路铁塔组立中,特别适用于500KV及以上电压线路,在一些高塔组立施工中也有使用。这种方法比内拉线
19、更适用于起吊较重的塔片。各种组塔方法对于吊装酒杯塔横担都存在一定困难,但使用内悬浮外拉线抱杆吊装酒杯型铁塔横担困难较小。1.3.2.3外拉线抱杆分解组塔外拉线抱杆分解组塔是使用较早的一种分解组塔方法。抱杆根固定于铁塔主材某节点或预留孔处,抱杆顶挂四条落地拉线用以平衡起吊重力及抱杆的稳定。由于拉线在铁塔结构的外面,故称外拉线或落地拉线。其特点是拉线落地,因此适用于比较平坦的地形条件。它与内悬浮外拉线抱杆的差别在于抱杆根的固定方式不同。外拉线抱杆的坐落方式有三种:塔外单主材固定式、塔内单主材固定式、塔外双主材悬浮式。与外拉线抱杆分解组塔相似的一种方法是外拉线通天抱杆分解组塔,都主要适用于220KV
20、及以下线路铁塔的组立。1.3.2.4内悬浮带摇臂抱杆分解组塔内悬浮带摇臂抱杆分解组塔是在内悬浮外拉线抱杆和座地摇臂抱杆分解组塔基础上经工艺改进形成的一种组塔方法。它比内悬浮外拉线抱杆增加了摇臂,有利于酒杯塔曲臂的吊装;比座地摇臂抱杆增加了外拉线,使抱杆更加稳定,提高了抗风或承受水平荷载的能力;比座地摇臂抱杆短,运输机提升较轻便。但是它比内悬浮外拉线抱杆的自重大,特别是抱杆重心高,在操作上要求更加严格。因结构受力较为复杂,选用内悬浮带摇臂抱杆时,要根据其吊重进行强度和稳定的校验,必要时还应经抱杆力学性能试验。1.3.2.5座地式摇臂抱杆分解组塔座地式摇臂抱杆也称为通天座地式抱杆。就其竖立位置来看
21、,座地式抱杆分为在铁塔内和在铁塔外两种。就抱杆头部来看,有带摇臂和不带摇臂两种。在铁塔内的座地抱杆可以利用塔身做支撑,减少抱杆的长细比,提高承载能力。与外拉线通天抱杆不同的是:其一,抱杆高度随铁塔塔段的组立而递增;其二,在抱杆顶端装有四根摇臂,既便于吊装塔片,又可兼做平衡拉线。座地式摇臂抱杆分解组塔具有施工安全、安装质量好、工效高和适用于复杂地形条件等优点。它的缺点是使用工具较多。座地式摇臂抱杆适用于220-500KV线路的各种类型铁塔,特别是酒杯型、猫头型塔横担的吊装,更显现其优越性。铁塔高度不宜大于50m。1.3.2.6流动式起重机组立铁塔高压架空输电线路杆塔组立施工中,因受地形及道路条件
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