强风作用下耐张输电杆塔承载力特性研究

摘要

全世界电力的主要来源为水力、火力、风力和核能，这些能源具有很强的地域性或对地理环境要求高，分布极为不均。为满足整个社会对电力资源的需求，平衡各地区能源分配，全世界各国电网都在升级，超高压大跨越输电线路的重要性也日益凸显。据数据统计，全世界造成输电线路毁坏的自然因素中，风灾导致的输电线路瘫痪占大部分且呈现整体上升趋势。随着随着全球气候变化，台风等极端天气频率在不断提高，台风登陆时中心风速也在提高。输电线路在强风的破坏受到社会广泛关注，准确评估输电塔承载力也成了电力系统的一大难题。 目前我国架空输电线路设计规范将输电塔结构设计和输电导地线设计分开计算，忽略塔与线之间的耦合效应。本文以某耐张输电塔为实际工程背景，分别建立单塔有限元模型和输电塔线体系有限元模型，分析了输电线对塔线体系动力特性的影响，说明后文采用输电塔线体系有限元计算和试验的合理性。 由于实际输电塔的构件连接方式处于理想化的刚接或铰接之间，同时存在构件加工和施工安装误差，真实输电塔的关键参数只能通过现场实测来获取。本文采用实测自然环境激励下的输电塔关键节点的加速度响应，利用随机子空间法识别实际输电塔线体系关键参数。 为了尽可能真实模拟实际输电塔线体系的力学性能，本文研究了某耐张输电塔物理参数的灵敏度，并以耐张塔线体系现场实测的动力特性为目标，对塔线体系进行模型修正。 本文基于实际工程情况，将实测台风10min最大平均风速替换原有设计风速，采用规范设计方法计算杆塔静力响应。同时，采用实测台风数据模拟出输电线路风场，将台风荷载施加到输电塔和输电导地线，模拟出台风荷载作用下输电塔线体系动力响应。通过对比两种计算方法，说明了设计方法的不足和输电塔线体系模型动力计算的必要性。 根据模型试验相似理论，综合考虑实际条件，本文设计制作了耐张输电塔1:12的精细缩尺试验模型用以研究输电塔在台风荷载下的承载力特性。本文试验克服了现有试验设备的不足，研发一套针对于输电塔缩尺模型试验的多加载点同步逐级静力加载设备。选择输电线路平面外台风工况，对缩尺实验模型进行了静力加载试验，采集了台风作用下关键节点的位移和应力。通过与有限元计算结果对比，节点位移和应变规律以及整体变形相吻合，验证了有限元计算和试验的可靠性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2耐张输电杆塔研究现状

1.3输电线路塔-线体系抗风研究现状

1.4输电杆塔试验研究现状

1.5本文主要内容

第二章 耐张输电塔线体系力学模型

2.1引言

2.2耐张输电塔模型

2.3输电线线形模型

2.3.1 抛物线模型

2.3.2 悬链线模型

2.4输电线力学模型

2.4.1 两节点杆单元

2.4.2 三节点索单元

2.5本章小结

第三章 耐张输电塔线体系动力特性及现场实测

3.1引言

3.2 耐张输电线路动力特性分析

3.2.1 耐张塔线体系动力特性分析方法

3.2.2 耐张塔动力特性

3.2.2 耐张塔线体系动力特性

3.3 耐张塔线体系模态识别方法

3.3.1 NExT与特征系统实现算法

3.3.2随机子空间方法

3.4 动力特性现场实测

3.4.1测试方案

3.4.2实测数据

3.4.3耐张输电塔线体系动力特性识别

3.5本章小结

第四章 耐张输电塔参数灵敏度研究

4.1 引言

4.2 耐张输电塔参数灵敏度分析方法

4.3 耐张塔弹性模量灵敏度分析

4.4 耐张塔截面面积灵敏度分析

4.5 耐张塔截面惯性矩灵敏度分析

4.6 基于Bayesian的耐张塔线体系模型修正

4.6.1 Bayesian公式

4.6.2 先验分布的概念

3.6.3 基于Bayesian的模型修正

4.6.4 耐张塔模型修正结果

4.7本章小结

第五章 耐张输电塔线体系风致响应分析

5.1引言

5.2耐张输电塔静力风致响应计算

5.2.1依据规范的输电线路荷载计算方法

5.2.2塔线体系的等效强风荷载

5.2.3塔线体系风致响应

5.3耐张输电塔线体系风致动力响应分析方法

5.3.1 塔线体系动力响应非线性算法

5.3.2 收敛准则

5.3.3求解步骤

5.4非平稳台风风场模拟

5.5耐张输电塔线体系的台风动力响应分析

5.5.1耐张塔线体系部分节点响应

5.5.2耐张塔线体系部分单元响应

5.5.3耐张塔不平衡张力

5.6本章小结

第六章 输电杆塔缩尺模型试验

6.1 引言

6.2 相似理论与结构模型设计

6.3 缩尺模型设计

6.3.1试验材料

6.3.2缩尺比

6.3.3缩尺模型动力特性相似比

6.3.4 荷载相似比计算

6.4 实验模型制作

6.5 试验设备与加载方法

6.5.1 加载设备和加载方法

6.5.2 加载方法设计

6.5.3 静力试验的测量系统

6.6 耐张输电塔模型静力试验

6.6.1 静力加载方案

6.6.2 静力试验的测点布置

6.6.4 静力试验

6.6.4 静力试验的结果分析

6.7 本章小结

第七章 结论与展望

7.1本文所做工作与结论

7.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间科研成果

攻读硕士学位期间参与的研究课题

攻读硕士学位期间所受奖励

致谢