基于覆冰机理的输电塔线体系有限元动力特性研究.doc
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1、精品论文基于覆冰机理的输电塔线体系有限元动力特性研究章涛林 1,方廷勇 1,2,潘晓光 1,王强 11安徽建筑工业学院土木工程学院安全工程系,合肥(230601)2中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥(230026)E-mail:摘要:本文基于有限元分析方法应用梁单元和索单元对 500 千伏江城线 16251627 塔线体系结构建立整体单元模型, 考虑风荷载和低温荷载对输电塔线体系结构覆冰厚度的 影响,进行了有限元分析,计算出该塔线体系的极限覆冰厚度并分析输电塔倒塌破坏的原因, 同时指出了输电线路中的薄弱点, 对输电塔有效除冰提出建议。 关键词:覆冰;有限元;不平衡张力;输电塔线体系0
2、. 引言2008 年 1 月中旬以来,湖南郴州市出现了连续近一个月的低温雨雪冰冻天气,遭受了 历史罕见的冰雪灾害。国家减灾委员会专家已定性为:“郴州发生的这次冰雪灾害,是世界 上一次大面积、极端性气候事件,是江南地区持续时间最长的一次雨雪冰冻过程,影响地区 的人口之多是世界罕见的”。此次灾害导致电网输变电设施大面积覆冰,线路拖着沉重的冰 凌,大幅度舞动产生的“共振”效应拉倒了重达几十吨的钢制塔架,500 千伏输电线路毁损严 重。500 千伏超高压输电塔线体系是输电线路的主体,是远程电力传输的主要载体。它由输电 铁塔、导线、地线、光缆、绝缘子、金具等组成。这种结构的显著特点在于它是由导线和各 个
3、输电杆塔连接而成的连续体。在输电体系的研究中,应把输电铁塔和导线作为一个整体考 虑。但在现行输电结构的设计过程中,导(地) 线与铁塔结构通常分开设计。一般前者由电气 工程师设计,然后把导(地)线荷载提供给结构工程师,当作外力加于铁塔上,对铁塔进行设计计 算,该设计方法通常忽略导(地)线与输电铁塔之间的耦合作用。由于对铁塔的纵向不平衡张力 缺乏有效的计算方法, 通常是根据规程取导线最大使用张力的比例进行校核。然而, 不平衡 张力是危害输电线路安全稳定运行的重要因素之一, 精确计算由档距、高差和不均匀荷载引 起的纵向不平衡张力有着重要的意义1-3。为此,本文基于 ANSYS 有限元分析软件以 50
4、0 千伏江城线 16251627塔间的塔线体系结构为例,建立铁塔、导(地) 线、光缆和绝缘子 整体有限元模型,分析在覆冰荷载下的应力和位移变化情况,计算该耐张段的极限覆冰厚度并 分析铁塔倒塌破坏的原因。1. 输电塔架计算基础1.1 塔架优化设计方程输电线路铁塔一般是由角钢组成的超静定杆系结构系统, 对于大型输电铁塔的斜腹杆一 般常设计成刚性腹杆。在极限荷载作用下, 结构系统中的拉杆和压杆破坏模式不同, 拉杆一 般为强度破坏, 压杆则大多是稳定破坏。对于结构系统的极限承载力分析模型, 较为合理的 应该是拉杆采用弹塑性单元失效形式, 而压杆则采用半弹塑性单元失效形式4-5。对于理想本课题得到安徽省
5、优秀青年基金(资助号:No 08040106821),安徽自然科学基金(资助号: No.070415219), 中国科学技术大学开放课题(资助号:No.HZ2006-KF12),安徽省教育厅自然基金 (KJ2007A111ZC),安徽建 筑工业学院博士启动基金(Grant No.2006120120) 资助。- 8 -的弹塑性特征单元, 杆件失效后的承载力保持不变, 但该杆件对结构系统刚度矩阵已无贡献。而对于半弹塑性特征单元,失效后其所承担的内力将全部或部分分配到其余未失效杆件 上。动态规划是一种适于处理桁架与塔架结构的求解多阶段决策优化过程的优化方法。以结 构重量最轻为目标,与满应力电算程序
6、相结合,采用动态规划方法对铁塔各个部件的几何尺 寸和结构布置同时进行了优化设计6。动态规划方法设计式:f * = min fn= min g k (S k , X k )(1)约束条件:ff;式中 g k :第 K 个过程的标量函数;S k :第 K 个过程状态变量; X k :第 K 个过程决策变量; f :钢材计算强度; f :钢材强度设计值; : 杆件计算长细比 ; : 杆件容许长细比;Xk k =11.2 结构失效分析高耸结构设计规范规定,除了满足使用功能要求之外,塔上任意高度处的位移不得 大于其高度的 1/100,否则认为其结构失效。只考虑荷载的标准组合,其设计式为:n GK+ 1
7、+ ci QiQi = 2 (2)式中GK 永久荷载的标准值在结构构件中产生的变形值;1iQ K 起控制作用的第一个可变荷载的标准值在结构构件中产生的变形值; Q k 其他第 i 个可变荷载的标准值在结构构件中产生的变形值; 结构构件的允许变形值;1.3 塔架单元位移模式(1)杆单元的位移模式 杆单元的位移模式用单元节点的位移表示,其表达式为:Su = u si +(u sj u si )L(3-1)式中,L 为杆单元长度;S 为任意点的局部坐标; u si 、 u sj 为单元在 i 、 j 节点的位移。(2)弯曲梁单元的位移模式采用两节点 Hermite 单元表示的梁单元挠度11为:2(
8、) = (0) ( )2+ (1) H ii =1 iH ii =1( )i(3-2)或( ) =4i =1N i ( ) i= N e(3-3)其中N=N 1 N 2 N 3 N 4 e = T =( d )(i=1,2)1122( 0)2idxi3N 1 ( )=H 1 ( )=13 2 (1)23N 2 ( )=H 1 ( )=( 2 )l( )(0) ( )23N 3 = H 2 = 3 22N ( ) = H (1) ( ) = ( 3 2 )l式中, 为单元的局部坐标,一坐标。(3)应变分量的形式= x x1 (0 L 1) ;x 为总体坐标; x1 为梁单元第应变最简单的形式是弹
9、性体单向受力时的相对伸长量,即 = (L L0 )/ L0 。上述单元 的应变都可以用微分表达成各种分量。弹性一体在外力作用下处于平衡状态,由物理关系得总位能的泛函数表达式如下12:1eTTeTTeTTI e (u( x), ( x) = 2 B td x d y N gtd x d y N qtd se1eTTeeeeTTseTTe= 2B DB td x d y N gtd x d y sN qtd s (3-4)式中 I 为泛函数; 为位移; B为几何矩阵; 为应力;D为弹性矩阵;t 为厚度;N 为型函数;g 为重力;q 为面力;上角标 e 代表单元;上角标 T 代表转置;下角标 e 代
10、表单元域;下角标 s 代表面域。2. 输电塔架的荷载类别2.1 塔架自重首先计算出铁塔中每一根杆件的重力,然后将杆件的重力平均分配到杆件单元的两个节 点上,并将非计算节点的载荷分配到计算节点上。2.2 覆冰荷载影响导线覆冰的因素很多, 主要有气象条件、地形及地理条件、海拔高程、凝结高度、 导线悬挂高度、导线直径、导线扭转性能、风速风向、水滴直径、电场强度及负荷电流等,对于圆形截面构件每单位长度上的覆冰荷载为7-8:ql = b1 2(d + b1 2) 10 6 (KN / m)(4)式中:b基本覆冰厚度(mm),按结构所在的地区的观测资料或工程经验取值;d圆截面构件、架空线的直径(mm);1
11、 与构件直径有关的覆冰厚度修正系数; 2 覆冰厚度的高度递增系数; 覆冰容重(KN/mm 3 ),可取值为 0.9;2.3 风荷载输电塔在风荷载作用下,除了平均风荷载作用下,还有脉动风作用,后者可以通过平均 风采用风振系数来表达,因此总的荷载还须采用风振系数。作用在塔式结构上的风压计算公 式为9-10:k = z s z 0(5)2式中:k 风荷载标准值(KN/m ); z 高度 z 处的风振系数; s 风荷载体型系数; z 风压高度变化系数;20 基本风压(KN/m )2.4 温度载荷温度作用会导致结构整体或局部发生温度变化,使结构发生变形。当结构受约束时,这 种变形或变形的趋势会在结构内部
12、产生附加应力。对于塔式结构,由于主体结构暴露在外, 受温度作者影响较直接,同时塔体纵向尺度较大,温度效应的累积作用明显。特别地,骤然 温度变化对塔架主体结构的影响比长期缓慢的气温荷载影响更大。3. ANSYS 有限元分析3.1 计算模型概述:输电塔架塔身采用 Q235 角钢,导线型号为 400/35,铝股部分横截面积为 400 mm 2 , 钢芯部分横截面积为 35 mm 2 ,塔高 36 m ,塔距为 1000 m 。图 1 输电塔架实景图 2 输电塔架截面示意图计算中采用的基本假定:单元截面变形满足平截面假定;单元的局部屈曲和平面外变形均被有效防止;单元截面温度均匀,沿单元长度方向所有截面
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- 基于 机理 输电 体系 有限元 动力 特性 研究
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