不同边界条件的非线性抗震性能地震载荷作用下输电线路系统

文摘

不同边界条件的非线性地震行为传输线系统在地震荷载下进行。输电线路是由电缆建模元素占电缆的非线性。悬架类型,三塔两跨线弹簧模型(模型1)和三塔和四个跨线”,分别建立了模型(模型2)。紧张性,三塔两跨线”模式(模式3)和三塔和四个跨线的模型(模型4)创建,分别。的频率传输塔和输电线路的悬挂类型和张力计算类型,分别。悬浮型和紧张型的反应研究了使用非线性时程分析方法,分别。反应的结果表明,两个模型的输电杆塔和输电线路的悬挂类型略有不同。然而,输电塔的反应和输电线路的两个模型紧张性明显不同。因此,为了获得准确的结果,应该考虑一个合理的模型。结果可以提供参考的地震分析传输tower-line系统。

1。介绍

输电线路是一个重要的设施和一个连续的结构是由输电塔和输电线路(1]。它的失败可能会导致电力供应的中断2]。然而,没有代码传输tower-line耦合系统抗震设计规定(3,4]。由于相邻塔之间的相互作用,传播tower-line系统是一个复杂的空间塔线耦合的系统,所以它的准确计算是困难和复杂的5]。是不现实的假设传输tower-line系统是安全通过地震没有足够的分析。当传输tower-line系统位于强震区,地震作用下结构的反应可能会比风荷载和冰载荷。最近也有几起破坏传播tower-line系统在地震。在1994年北岭地震、85年电缆受损当他们掉塔和两个输电塔倒塌由于高地震(6]。在1999集集地震,输电塔线受损最严重,很多线路坏了,一些塔倒塌7,8]。在2008年的汶川地震,四川电网是严重受损9]。一些输电线路在2013年庐山地震破裂。因此,地震活动可能控制传输tower-line系统的设计在高强度地震区域。

研究人员做了一些分析传输tower-line系统在地震荷载作用下的反应在过去几十年。李等人。10,11)已经完成了一定数目的输电塔的地震反应的研究和验证,在抗震设计的影响不应忽略。铃木et al。12)应用频率响应方法的地震反应分析研究特点塔关心架空电线。Ghobarah et al。13)调查的影响multisupport励磁的架空输电线路的反应。李等人。14)作用下的力学模型,提出传播tower-cable系统在平面和导出相应的运动方程。Lei,简15)研究了一群输电塔的动态行为联系在一起通过电线和受到强烈的地面运动。白等。16)调查的反应在峡谷传输tower-line系统网站空间不同的地面运动。结果表明,地震动的空间变化的影响应该纳入tower-line传播系统的地震分析。王等人。17]研究的进步崩溃分析传输tower-line系统地震。结果表明,该程序可以提供崩溃模式和脆弱点用于抗震性能和改造的评价结构。吴et al。18)的地震响应大跨越输电相比tower-line系统由于受到pulse-like地面运动和普通的地面运动。田et al。19]分析了边界条件的影响,地面运动的空间变化,地震波入射角,相干损失,和波旅行的反应传输tower-line系统的紧张性,分别。的纵向响应的比较两个模型得到,但比较两个模型的横向和纵向响应研究。传输tower-line系统不同于一般的土木工程结构。最显著的特性是它包含了复杂的输电线路、机械性能和几何非线性传输线是非常重要的。所以合理的传输模型tower-line系统是非常重要的。然而,很少有研究在地震激励下传输线系统的边界条件。更不用说下系统的边界条件分析多组分multisupport地震波。

不同边界条件的非线性抗震性能在非均匀传输线系统研究了地震波。梁的输电塔建模元素,而输电线路是由电缆建模元素占输电线路的几何非线性。输电塔的频率和线的悬挂类型和紧张类型计算根据动态特性分析,分别。悬挂类型和张力的反应类型的传输tower-line系统在多组分和multisupport地震波执行使用非线性时程分析方法,分别。地震分析的结果可以提供一个参考tower-line传输系统。

2。结构模型

图1显示了输电塔模型。选择两种不同类型的输电塔:(a)悬架类型和(b)紧张性。悬挂式塔的高度和张力类型塔是53.9米和58.1米,分别。塔的结构两种类型的成员是由角钢与206 GPa的弹性模量。基于真实项目,建立了三维有限元tower-line系统使用SAP2000软件。成员是刚性连接的,它已经被批准,输电杆塔使用梁单元的数值结果是接近的测试结果(20.),所以梁元素选择的模拟传输塔。

考虑其他的影响输电线路的一部分,应模拟系统的边界条件。比较不同边界条件下的响应,建立了不同的模型。图2显示了悬架类型传输tower-line系统模型。三塔两跨线弹簧模型(模型1)和三塔和四个跨线”,分别建立了模型(模型2)。弹簧的刚度常数是由邻输电线路。紧张性传输tower-line系统模型如图所示3。三塔两跨线”模式(模式3)和三塔和四个跨线的模型(模型4)创建,分别。

悬挂类型输电杆塔的接地线的类型和导体LGJ-95/55 LGJ-400/35,分别。地面线和导线悬挂类型的属性如表所示1。上两个电缆每跨接地线和更低的6个每跨四个捆绑电缆导体。紧张性输电杆塔的接地线的类型和导体jlb40 - 150, LGJ-400/35和LGJ-240/30分别。地面线和导线张力类型表中列出的属性2。上两个电缆每跨接地线和低12每跨越两个捆绑电缆导体。

相邻的跨越塔的悬架和紧张类型都是400米。输电杆塔的基础点是固定在地上。输电塔之间的连接和线条的悬挂类型和紧张类型由悬架铰接,紧张绝缘体,分别。元素是用于模拟绝缘子。

电缆的初始轴向力和大变形效应考虑在内。在自重下,电缆空间配置是一个链。基于坐标系如图4数学表达式,用于定义的初始几何电缆配置文件在下列表格(21]: 在哪里,,在这代表初始水平张力可以从静态分析和初步获得表示均匀分布的重力载荷沿传输线。

3所示。地震波的选择和分析方法

3.1。地震波的选择

埃尔森特罗波(1940年5月19日)被选中。地震波包括两个水平分量和垂直分量。NS,我们,和竖直分量地震波与纵向、横向、垂直方向的传输tower-line系统,分别。峰值地面加速度调整到0.4 g,和增加的其他两个方向的地震波峰值加速度相等比例。纵向扩展结构如传输tower-line系统通常multisupported,和波的影响旅游被认为是视速度1000米/秒。

3.2。分析方法

自由度线性系统接受支持运动可以写成矩阵形式22,23]: 在哪里是位移矢量的不受约束的自由度。是位移矢量的规定支持。,,是质量、阻尼和刚度矩阵与无约束的自由度,分别。,,是矩阵与支持相关的自由度。,,是耦合矩阵与两组自由度,和是向量的反应部队支持的自由度。

定义响应的方程的自由度””是由

解决方案(3)取决于地震运动方程的定义在右边。方程(3)是绝对位移的运动方程。假设质量矩阵是对角是被忽视的,(3)可以表示为

方程(4)可以扩展到三个组件: 在哪里,,和输入地面运动位移在两个水平方向和垂直方向,分别。

4所示。不同系统的频率的比较

基于有限元模型的传输tower-line系统如图2和3,悬架类型的频率和紧张类型系统使用动态特性计算分析,分别。输电塔的主要模态频率和线,分别为(24]。

4.1。悬挂类型模型的频率的比较

悬架类型的基本频率的比较模型如表所示3。在纵向方向,传输线的基本频率和塔模型2小于模型1,但差异可以被忽略。在横向方向,传输线的基本频率之间的差异和塔模型1和模型2非常小,最大的区别是只有1.15%,所以差异不能被考虑。

4.2。频率的比较紧张类型的模型

张力的基本频率的比较类型模型如表所示4。在纵向方向,基本频率的输电杆塔模型4是比模型3,和频率的增加18.4%。然而,模型4的传输线的基本频率小于3的模型,和频率的降低7.4%。在横向方向上,之间的差异基本频率的输电杆塔模型4和模型3是小。模型4的传输线的基本频率大于3的模型,和频率的增加6.8%。

输电塔的基本频率的变化和输电线路的悬挂类型和紧张类型可以获得基于上述分析。悬架类型,输电塔的基本频率之间的差异和线的两个模型很小,差异可以被忽略。紧张性,输电塔的基本频率之间的差异的两个模型是显而易见的纵向方向,但在横向方向上的差异很小。因此,为了获得准确的系统的频率,也可能采用模型1和模型2的悬架类型,但模型4应该用于张力类型。

5。数值分析和讨论

分析悬架的类型和紧张类型如图2和3在多组分和multisupport地震波计算使用非线性时程分析方法,分别。塔的阻尼比和线是假定为2%和1%,分别。Hilber-Hughes-Taylor的逐步积分方法用于动态分析。纵向、横向和垂直响应的两个模型悬架类型和紧张类型进行比较,分别。一个合理的模型可以根据获得的比较的反应非均匀地震波下的输电杆塔和线。

5.1。的比较悬架类型的反应

的最大轴力的比较两个模型的输电塔悬挂类型的非均匀下地震波图所示5。从图可以看出5的轴力的输电杆塔模型1大于2的模型,但最大增量仅为5%。

位移时间历程的比较的输电塔的顶部悬挂类型的两个模型在非均匀地震波在图所示6。从图可以看出6纵向和横向位移的输电杆塔模型1大于2的模型,但位移响应的两个模型之间的差异非常小,且随时间的变化曲线的形状大约两个模型是一致的。

从上面的分析,反应之间的差异的输电塔模型1和模型2的非均匀很小,地震波下的悬架类型和最大的区别是只有5%。因此,模型1和模型2可以给出令人满意的结果。

输电线路的最大位移的比较两个模型的悬架类型如图7。从图可以看出7横向位移的差异,输电线路的两个模型很小,和位移变化略跨越不同。模型1的输电线路的垂直位移大于2的模型,但曲线的垂直位移的两个模型是相似的。由于悬式绝缘子,地震波的视速度和频率的输电线路、输电线路的垂直位移是对称的,主要原因是输电线路的频率。中间跨的垂直位移的输电线路跨度最大的是由于输电线路的反对称模式。

根据上面的分析,模型1和模型2的悬架类型,模型1可以满足要求,因为两个侧向弹簧的影响。因此,模型1和模型2可以用于计算模型当系统受到非均匀地震波。

5.2。的比较紧张的反应类型

的最大轴力的比较两个模型的输电塔紧张类型如图8。从图可以看出8的轴力的输电杆塔模型3明显小于模型4,最大降低30%,两个模型之间的轴力的差异在不同的输电杆塔高度变化明显。

图9显示的位移时间历程的比较两个模型的输电塔的顶部。从图可以看出9纵向位移时间历程之间的差异在塔顶的模型3和模型4是明显的,和塔顶的纵向位移模型4是明显大于3的模型。由于外部输电杆塔的效果,两个模型有相位差的反应。然而,横向位移之间的差异时间历史模型3和4的塔顶很小。

根据输电杆塔的结果分析,反应之间的差异的输电塔模型3和模型4是重要的,特别是对于轴向力和纵向位移在输电塔的顶部。因此,为了获得准确的响应,模型4应该用于地震的分析系统。忽略了边界条件的影响,轴向力和纵向输电杆塔的最大位移可能低估了超过30%和45%,分别。

的比较最大张力的力量的输电线路表中给出了两个模型5。从表可以看出5张力之间的差异部队的输电线路模型3和模型4小,和最大的区别是只有8%。紧张部队的传输线模型4可能大于或小于3的模型。边界条件的影响可以被忽略紧张部队的地震分析的输电线路。

图10显示的最大位移的比较两个模型的输电线路张力型的。从图可以看出10横向位移的差异,输电线路的两个模型虽小,但输电线路的垂直位移的差异的两个模型是重要的。的最大垂直位移的传输线模型3是模型4的近两倍。

根据输电线路的结果分析,反应之间的差异的输电线路模型3和模型4是显而易见的,尤其是对输电线路的垂直位移。双方的输电杆塔倾斜容易由于输电线路外,失踪和输电线路的大型垂直位移会发生。

上述结果表明,轴向力和纵向位移的输电杆塔顶部的紧张性低估了使用模型3,但是输电线路的垂直位移会严重高估了。输电塔的地震反应和输电线路不合理使用模型3。因此,模型4应该用于系统的地震分析非均匀地震波下的紧张性。

6。结论

非线性地震行为不同的传输线系统的边界条件下非均匀地震波进行了研究。悬挂类型和张力的反应类型的传输tower-line系统研究了使用非线性时程分析方法,分别。根据计算结果,是得出以下结论:(1)频率的两个模型悬架类型在纵向和横向方向略有不同,但频率的紧张性明显不同的两个模型在纵向方向上由于边界条件的影响。获得一个精确的频率,模型3不应该被采纳。(2)输电杆塔的反应之间的差异和输电线路的两个模型悬架类型非常小,所以模型1可以得到准确的结果,可以用于地震分析非均匀地震波下当系统。(3)输电杆塔的反应和输电线路的两个模型紧张性明显不同。忽略了边界条件的影响,输电塔的反应会被低估,但传输线的反应将是高估了。为了获得准确的结果,模型4应该用于地震分析非均匀地震波下当系统。(4)获得准确的反应系统,模型1和模型2的地震分析可用于悬挂类型传输tower-line系统,但模型4应采用的地震分析紧张性tower-line传播系统。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究由中国国家自然科学基金支持下授予51208285和51208285号。这项研究的支持深表感谢。

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