基于覆冰机理的输电塔线体系有限元动力特性研究.doc

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：ustcfire126.com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. 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 500 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 + 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( ) = (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 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 µs µ 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；µ s 风荷载体型系数；µ 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温度分布相同；不考虑单元的 初始缺陷和残余变形的影响。3.2 建立 ANSYS 分析模型3.2.1 定义单元类型本文在采用 ANSYS 建模时,对拟分析的钢管组合塔的主柱、主横隔材、有辅助材的斜杆 视为梁单元(Beam188) ,其他辅助材视为杆单元(Link10)；图 3 输电塔架体系结构单元模型图 4 输电塔架加载后单元模型3.2.2 设置模型参数 定义塔身角钢和导线的材料性能参数，包括屈服强度、比热容、密度、泊松比等；表 1 Q235 角钢材料性能参数弹性模量 GPa屈服强 度 GPa切变模 量 GPa导热系 数W/(m·)线膨胀 系数-1比热容J/(kg·)密度Kg/ m3泊松比2061.4020.649.81.20E-546578500.33.2.3 建立模型、划分网格建立 ANSYS 分析模型，采用输入关键点坐标，直接生成节点和单元的方法建立实体模 型，该方法易于控制划分网格，从而形成精确的网格，以加强问题的收敛与计算的精度。3.3 施加荷载并求解施加结构边界条件，定义时间步长并求解：设定 Time/Frequenc 选项、非线性选项以及 输出控制等载荷步选项，对塔基施加位移约束。塔架与导线连接处自动耦合，对导线施加均 布荷载同时考虑塔身自重，选择瞬态分析类型和时间历程荷载步进行求解。4. 数据处理与结果分析4 1402 1200 100Temperature-2 80ice thickness (mm)-4 60-6 40-8 20-10 0-120 5 10 15 20 2530Time (h)气 温 曲线 051015202530Time (h)冰厚曲 线图 5 气温-时间曲线图 6 覆冰厚度-时间曲线分析表明，温度随时间变化呈现特定的线性关系，从而推进覆冰的厚度递增曲线。骤然 降温引起覆冰厚度的急速增长，同时当风速和雨量一定时,温度较高,导线覆冰接近恒覆冰率 模型(具有半圆梯形状覆冰) ；温度较低,覆冰量有呈指数曲线增长的趋势,符合恒相对覆冰率 模型，冰厚产生的荷载是平方关系的增长。图 7 塔架体系结构应力和位移变化输电塔前后档距差过大, 当导线覆冰时, 输电塔前后档导线的张力差大, 其承受的不平衡张力也就大; 输电塔所在档距的高差角较大时, 导线张力在水平方向的分量减少, 导线的 水平方向张力差增加, 另一方面也增加了垂直档距, 使其承受的垂直荷载增加。当输电塔处 在档距或高差角很大线路段, 随着覆冰厚度的增加, 输电塔承受的不平衡张力必然增加, 当 不平衡张力使应力值达到材料的屈服强度时, 输电塔将失稳倒塌, 从而拉倒相邻的输电塔。 而那些前后档距和高差角小的塔架, 若没有其它塔架,倒塌所产生的拉力作用, 即便覆冰厚 度达到 2 倍设计值, 也不致于失稳倒塌。5. 结论本文基于 ANSYS 有限元分析软件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约为 60 mm 。输电线路前后档距差或高差角过大是引起不平衡张力的 主要原因，而不平衡张力是倒塔的主要原因，同时分析还表明塔线节点，导线中部等位置是 输电线路的薄弱点。500 千伏江城线事故段实例计算表明应用有限元方法对输电线路进行结构分析是非常 有效的。该方法既可应用于超高压输电塔线体系结构的极限覆冰荷载分析,又可应用于整体 塔线结构的设计强度校核。 以上有限元分析，为今后输电塔线体系结构覆冰研究提供理论 参考。6. 除冰建议（1）预防结冰：氟乙烯涂料在输送线路上使用以防止结冰；（2) 人工除冰方法：输电线路覆冰最严重的区段一般只是一条线路中的几或十几档, 最长 也只有几十公里至 100 公里左右。所以用木棍、竹竿等最原始的工具对最严重的覆冰线路 段进行敲击, 就可除去线路上的覆冰，这种方法我国比较常用；（3) 机械除冰法：使用机械外力手工或自动强制覆冰脱落；（4) 热力融冰法：采用增大导线的传输电流融冰和短路电流融冰以及低居里温度磁环融冰。 低居里温度磁力线可使导线自身发热, 温度升高。参考文献1Knight G M S,Sant hakumar A R.Joint effects on behavior of transmission towersJ.Journal of StructuralEngineering,1993,119(3):698-712.2Al-Bermani F G A ,Kitiporchai S.Nonlinear analysis of transmission towers J .EngineeringStructure,1992,14(3):139-151.3Keutgen R,Lilien J L.Benchmark cases for galloping with results obtained from wind tunnel facilities validation of a finite element modelJ.IEEE Transactions on Power Delivery,2000,15(1):367-374.4刘庆丰.输电线路不平衡张力分析和计算J.电力自动化设备,2006,26(1):93-95.5Hudon C,Amyot N,Jean D.Long term behavior of corona resistant insulation compared to standard insulation of magnet wireC.Conference Record of the 2000 International Sympo sium on Elect rical Insulation. Anaheim,CA,USA,2000:13-16.6Mesinger B. L.Equilibrium temperature of an unheated icing surface as a function of the air speedJ.J.Aero.Sci.,1953,20(1):29-41.7Y M Desai,P Yu,N Popp lew ell,et al. Finite element modeling of transmission line gallopingJ. Computers& Structures,1995,57(3):407-420.8蒋兴良,丽华.导线覆冰碰冻率及最大直径分析J.中国电机工程学报,1999,19(9):10-13.9A S V eletsos,G R Darbre.Dynamic stiffness of parabolic cables J.Int J.Earthqu. Engng StructDyn,1983,11:367-401.10 杨 帆,杜文风.输电铁塔结构非线性动力稳定研究的探讨J.电力建设,2003,24 (12):26-28.11 赵滇生,金三爱.有限元模型对输电塔架结构动力特性分析的影响J.特种结构,2004,21 (3):8-11. 12 王守礼.影响电线覆冰因素的研究和分析J.电网技术.1994,18.4:1824.The Finite Element Dynamical Research of TransmissionSystem Based on Icing MechanismZHANG Taolin1,FANG Tingyong1，2,PAN Xiaoguang1,WANG Qiang 11. Safety Engineering Department of Anhui University of Architecture（230601）2.State Key Laboratory of Fire Science inUSTC (230026)AbstractBased on finite element analysis method, this paper establish whole element model of 500kvJiangcheng line 16251627transmission system , which used the beam element and the cableelement. Considering the impact of transmission systems ice thickness under the wind load and low temperature load ,critical ice thickness was figured out. The research analysed the cause of transmission towers collapse, indicated weakness location and advised how to deice effectively.Key words: ice covering; finite element; unbalanced tensile force; transmission system作者简介: 章涛林（1987），主要研究建筑结构安全与火灾消防技术。 方廷勇，博士，副教授，主要研究火灾安全和热能工程。