高压输电塔-线耦联体系风致非线性振动研究

摘要

高压输电塔线体系的风致破坏问题一直是困扰世界各国线路工作者的难题，自首条线路投入使用以来，对该问题的研究就从未间断，但至今仍未能真正解决。另一方面，作为重要的生命线工程，高压输电线路的风致破坏会给国民经济的建设和人民生活的安定造成巨大损失，甚至会威胁到国家社会局面的稳定性。因此，对高压输电线路体系的风致破坏问题进行深入研究具有重要的社会意义。本文采用有限元分析、风洞试验、非线性振动分析相结合的方式，对高压输电塔线体系的风致响应做了详细分析，建立了输电塔线耦合体系的非线性动力学分析模型，研究揭示出塔线耦联体系风致振动的本质非线性响应特点，并给出了高压输电塔线体系风致破坏的理论解释。
　　 建立了较为准确的高压输电塔线体系的三维有限元模型，采用基于随机Fourier波数谱的脉动风场数值模拟技术得到输电线路的设计风速场，同时根据现场观测风速数据，对单根输电线、单杆输电塔及塔线体系的自振特性和风振响应进行了详细分析。研究发现，对于输电线路中的单体结构，其自振频率之间有近似1：1和近似整数倍的关系存在，在风致振动过程中，输电线与输电塔成为一个整体振动，风速愈大，线与塔之间的耦合振动愈强，输电线路的风致振动是本质非线性的，强风时，输电塔与输电线的耦合非线性振动可使结构的动力响应显著增加，输电塔结构的内力增加受输电线的影响显著，线路的破坏是由于输电塔塔腿受压侧主材构件的弹塑性状态的失稳破坏引起的，按传统线性动力分析理论设计输电塔结构时，未考虑塔架与输电线耦合振动对塔架动力特性的影响，使得既有的输电塔结构在强风环境中偏于不安全。
　　 设计制作了高压输电塔线体系的气动弹性模型，对塔线体系的风振响应进行了风洞试验研究，观测到了塔线体系中的输电塔在强风时的破坏现象，其破坏特点与现场调查的高压输电塔的破坏较为相像。对于塔身无附加横隔的输电塔组成的输电线路，在输电塔破坏前可以看到塔身背风面构件在顺风向的强烈振动，在短时间内，塔体振动部位的杆件发生破坏，最终导致输电线路破坏。可知，强风时输电塔破坏既有弹塑性状态的失稳破坏，也有输电塔结构的气弹稳定性破坏。试验结果分析进一步证明，高压输电塔线体系在强风时的风致振动具有较强的非线性振动特性，输电线与输电塔之间的模态耦合作用较强；输电线路结构设计时，需考虑非线性振动对输电塔结构动力特性的影响。
　　 从非线性动力学入手，建立了输电线与输电塔的三维非线性运动方程，对输电线的面外与面内的非线性耦合振动做了研究；根据输电线与输电塔的连接条件，得到了简化的塔线体系耦合非线性动力模型，进一步研究了输电塔与输电线之间的非线性振动特点，揭示出输电塔与输电线组成的耦合体系的非线性振动易出现1：1和1：2的内共振模式，并讨论了不同内共振模式对塔线耦联体系振动能量及输电塔内力的影响特点，揭示出输电线与输电塔之间的非线性内共振是造成线路中输电塔在强风时破坏的一个重要原因。
　　 最后，对今后的研究工作方向进行了简要讨论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 引言

1.1概述

1.2高压输电线路结构的组成

1.3国内外研究综述

1.3.1国内外风致输电塔破坏灾害调查

1.3.2设计荷载的研究

1.3.3塔-线耦联体系的风振试验研究

1.3.4塔-线耦联体系的风振控制研究

1.3.5输电塔-线耦联体系的动力分析模型及非线性动力响应分析

1.4本文的主要工作

第2章 高压输电塔-线耦联体系风振响应有限元分析

2.1引言

2.2输电塔-线耦联体系三维有限元建模

2.2.1输电塔有限元建模

2.2.2输电线有限元建模

2.2.3绝缘子有限元模型

2.3输电塔-线耦联体系的模态分析

2.3.1输电塔模态分析

2.3.2输电线模态分析

2.3.3输电塔-线体系的模态分析

2.4输电塔-线耦联体系风振动力响应分析

2.4.1塔-线体系动力响应有限元分析计算方法选取

2.4.2风荷载时程计算

2.4.3 U10=25.3m／s时塔线耦连体系的风振响应

2.5理论分析与现场实测的对比研究

2.5.1现场实测背景介绍

2.5.2理论分析与现场实测的对比

2.6输电塔线耦联体系风致动力响应的深入研究

2.6.1单根输电线与塔线耦联体系中输电线风振响应比较

2.6.2不同风速下塔线耦联体系风振响应对比研究

2.6.3设计风速作用时塔线耦联体系风振响应与规范拟静力响应对比研究

2.7小结

第3章 高压输电塔线耦联体系完全气弹模型风洞试验研究

3.1引言

3.2风洞模型试验的方法及相似理论

3.2.1确定输电塔线体系风洞模型试验方法

3.2.2模型设计的相似理论

3.3高压输电塔线耦联体系气弹模型设计

3.3.1高压输电塔气弹模型设计

3.3.2导地线气弹模型设计

3.3.3绝缘子串和间隔棒设计

3.3.4边界条件设计

3.4风洞试验装置和测试内容

3.4.1风洞设备和测试仪器

3.4.2流场模拟

3.4.3测试内容与测点布置

3.5试验结果数据分析

3.5.1动力特性识别

3.5.2单塔与塔线体系体系动力响应比较

3.5.3有附加横隔塔线体系(模型1)动力响应分析

3.5.4有／无附加横隔塔线体系动力响应比较

3.6小结

第4章 高压输电线非线性动力学分析

4.1引言

4.2输电线三维弹性动力方程

4.2.1导线三维动力方程

4.2.2铰支导线的面外／内耦合运动方程

4.3水平铰支输电线的平面内与平面外非线性振动分析

4.3.1输电线的面内与面外非线性耦合内共振特性分析

4.3.2输电线的非线性内共振数值分析

4.4输电线的非线性强迫振动分析

4.4.1简谐激励作用下铰支导线的非线性强迫振动分析

4.4.2风荷载作用下输电线的非线性强迫振动分析

4.5小结

第5章 高压输电塔线耦合系统非线性动力学分析

5.1引言

5.2输电塔-线耦合体系非线性动力学方程

5.2.1输电线悬索面内运动方程的建立

5.2.2弹性输电塔的简化运动方程

5.2.3输电塔与输电线的边界连接条件

5.2.4输电塔-线耦合运动方程

5.3输电塔—线耦合体系特征值分析

5.4输电塔—线耦合体系内共振分析

5.4.1输电塔—线耦合体系自由振动时的内共振分析

5.4.2输电塔—线耦合体系自由振动时的内共振数值分析

5.4.3输电塔—线耦合体系的内共振对主共振影响的数值分析

5.5输电塔—线耦联体系风致非线性振动分析

5.5.1风速U10=6.03m／s时输电塔—线耦合体系的风致非线性振动

5.5.2风速U10=25.3m／s时输电塔—线耦合体系的风致非线性振动

5.6输电塔—线耦合体系内共振能量转移

5.7小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2进一步工作的展望

附录A 高压输电塔非线性动力学分析

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果