文摘

三维有限元模型的500 kV高压输电tower-line耦合系统是使用ANSYS软件并与实测验证。tower-line系统的动态响应在不同风速和方向进行了分析并与设计代码。结果表明,风速tower-line耦合效应中起着重要的作用。在低风速下,耦合效应不明显,可以忽略。随着风速的增加,耦合效应对塔的反应逐渐突出,可能导致tower-line系统的过早失效的风险。基于准静态设计方法目前的设计规范规定的不安全,因为无知的耦合振动的不利影响输电塔。在实际工程中,当准静态方法仍然是用于设计,设计风速的结果应该乘以相应的tower-line耦合效应放大系数 。

1。介绍

高压传输tower-line系统是重要的生命线工程的基础设施,这是对社会的和谐和可持续发展至关重要。高压输电tower-line系统由传输塔和输电线路之间的刚度差异大。因为他们的特征,包括几何非线性和密集的振动模式,输电线路的动态行为具有显著的对输电塔的风致振动响应的影响。高压架空输电线路损坏造成的环境影响,特别是风致振动,工程师和研究人员一直是一个重要的问题在世界各地的电力行业(1- - - - - -8]。自第一个高压输电线路的引入,这一问题一直不断地学习,但尚未得到合理的解决方案。输电线路造成的损害强风(平均风速10米的高度大于10.8米/秒,对应于一个波数大于6)仍经常发生。在阿根廷、澳大利亚、巴西、加拿大、日本、南非和美国,80%以上的这些国家的输电线路损坏是由极端风(9]。例如,1961年9月,卡拉飓风造成超过150万美元的损失在休斯顿的公用事业公司,美国(10]。1989年9月,雨果飓风严重损坏电线从弗吉尼亚的瓜德罗普岛,美国。最严重的受感染地区蒙特塞拉特地区,所有高压和低压输电线路被飓风(11]。2002年10月1日,21号台风登陆日本,造成了严重的事故,导致崩溃的高压输电塔在茨城县(102]。在2005年卡特里娜飓风登陆美国和导致中断290万客户。威尔玛飓风还导致600万客户失去电源(2]。2009年11月10日,一场严重的暴风雨袭击了输电线路在巴西南部,导致崩溃的三个输电线路连接圣保罗伊泰普水电站,导致大面积停电;超过6000万人受到影响在12个州在巴西12]。中国的情况不是更好。从1988年到2009年,超过105500 kV高压输电线路发生故障(2,3]。因此,高压输电线路结构的风致破坏一直是全世界共同的问题。上述发现的问题事故是深远的警告,电力行业和国家安全机构在世界各地。

中国和其他国家的研究人员已经进行了实验研究和理论分析关于高压输电tower-line风致动力响应的耦合系统。利用气动弹性模型风洞实验研究都集中在tower-line耦合系统的风致响应特性(13- - - - - -19),气动阻尼线(20.),冰雪覆盖的动态张力线(21),和风致响应在冰雪覆盖的线结构22- - - - - -26]。研究人员还进行了现场动态测量输电线路结构的研究(27- - - - - -32),但由于现场试验条件,现有的实地测试大多集中在输电塔结构的动态特性27- - - - - -30.]。现有的现场测量研究关于结构风致响应tower-line耦合系统仍然是不够的。目前,有限元分析是最常用的风致振动响应的理论分析方法传输tower-line耦合系统,因为与风洞试验和实地测量技术相比,有限元分析不仅考虑了输电塔和电缆之间的耦合振动效果还更好的描述输电线路的几何非线性振动。此外,有限元分析可以用来方便地分析传输tower-line的风致振动响应系统在不同风速下。由于这些原因,有限元分析已广泛应用于输电线路结构的风致振动的研究(33- - - - - -37]。然而,由于测试数据和测量领域风致响应数据有限,有限元分析模型的适用性tower-line系统还没有被验证。因此,构建可靠的高压传输tower-line耦合系统有限元分析模型是一个共同的目标。

由于全球电力需求的增加,输电线路的电压水平继续提高。传输tower-line系统逐渐被开发使用悬挂结构、大跨度和更高的开销,因此的风致振动影响输电线路已成为更为突出。相比之下,由于频繁发生的极端风与全球气候变化相关的概率大规模停电造成的输电线路行程和塔倒塌在强风下进一步增加。因此,它是特别重要的输电线路进行详细的动态分析和设计,以确保输电塔设计服务时间内能够安全操作。

目前,tower-line传播结构的设计规定在当前大多数国家准则要求输电塔和输电线路分别设计。耦合振动的不利影响的输电塔tower-line系统下设计不考虑风载荷。脉动风荷载的作用下,输电线路的动态张力会不断变化,这可能会导致输电杆塔的部队成员在一个复杂的应力状态和可能导致成员之前产量达到设计承载力,由于塔的动态特征和失效模式发生了变化。此外,动态特性和失效模式38塔的改变。因此,研究高压传输tower-line系统的耦合振动行为下的风荷载具有十分重要的理论意义。与此同时,它可以为输电线路结构的设计提供指导。

近年来,研究人员已经意识到的影响塔和线之间的耦合传输tower-line系统动态响应的输电塔不容忽视。有人建议的不利影响塔和线之间的耦合传输线结构设计时应考虑。然而,研究的具体特点和tower-line系统的耦合振动响应的影响下的风荷载仍然有限。

解决上面讨论的话题,在这项研究中,使用500 kV高压输电tower-line系统在中国东部作为工程实例,实际tower-line匹配系统的有限元分析模型。基于风速和压力转换理论,传输线上的风速记录转化为风载。风致振动响应的有限元分析tower-line系统。结果与实测数据进行比较来验证有限元模型的准确性tower-line传输系统。在此基础上,使用修改后的达文波特光谱模拟风速随时间的变化,动态响应的输电塔tower-line不同风速下系统进行了分析。提供的结果与静态计算方法规定在中国的“技术规范设计110 kV - 750 kV架空输电线路”(gb50545 - 2010) [39]。基于这种分析的结果,塔比成员的压力tower-line系统准静态压力的一个塔被定义为tower-line耦合效应放大系数, 。的变异系数在不同风速和方向进行了探讨。提出了一种定量设计方法。本研究的目的是提供技术支持的风的阻力设计高压输电tower-line系统。

2。高压输电Tower-Line系统的有限元模型

2.1。工程背景和计算参数

研究中的500千伏高压输电线路位于江苏省,中国。沿着输电线路,tower-line系统组成的3输电塔(塔数字159、160和161年)和2-span输电线路选择在这项研究中,如图1。输电杆塔160号有一个身高47.1米的地面上横臂42米。之间的间距159号和160号的中部,跨越平场,280,和中部之间的间距160号和161号,与复杂的地形,穿过一条河是380米。输电线路在两层。上层是闪电电线,和较低的电导体。159号和160号之间的最大凹陷闪电电线和电导体是4.3米和5.6米,分别,而160号和161号之间的最大凹陷闪电电线和电导体是7.92米和10.32米,分别。

输电塔是角钢塔。他们的主要成员,模型,和位置如表所示1。主要成员是Q345钢,而斜成员Q235。输电线路的设计参数如表所示2。瓷绝缘子的一端铰接在导体。另一端铰接在塔的横臂。三个伞状悬挂绝缘子使用字符串。每个字符串由27块,每一块重达12.0公斤。字符串的总长度是4米,直径330毫米,总重量是370.29公斤。

平均风速10米的高度是25.3 m / s。这是作为这些输电线路设计的风的阻力条件。

2.2。建立有限元分析模型

准确地计算传输tower-line的风致振动响应系统,精确和合理的multi-tower-line耦合系统的有限元模型是必需的。张(40传播)数值研究了有限元建模tower-line系统相比,利用ANSYS软件包和four-tower三线制的风致振动响应与主桥双线式系统。结果表明,主桥双线模型可以满足计算精度要求较低的计算成本。因此,在这项研究中,ANSYS软件包仍用于建立空间有限元分析模型对主桥双线系统根据实际输电线路的特性。

在模型中,输电杆塔的角钢成员模拟使用BEAM24元素。这个元素是一个三维薄壁塑料梁单元。所有梁的截面拉伸、弯曲和扭转轴承的能力,该模型可以模拟梁元素与任何机会。元素有塑料、蠕变和膨胀轴向承载力和定制的横截面方向。元素的材料模拟的基于双线性模型,弹性和塑性性质同时容纳。详细的材料参数如下:在屈服之前,弹性模量是2.06×10⁵泊松比为0.3 MPa,设计屈服强度310 MPa (Q345钢)或者215 MPa (Q235钢)。屈服后,切线模量是4120 MPa。

输电线路是一种典型的悬索结构。任何导体(地线)任意偏转可以离散成一系列相互连接的电缆元素。离散化后,span-to-sag每个电缆元素的比例小于原来的电缆。因此,电缆小挠度理论可以用来分析每个电缆元素。通常有两种方法目前使用模拟电缆的元素。在一个方法中,电缆连续元素被认为是一个酒吧只有一个张力,和所有节点上的加载行为。该方法相对简单,工作准确只有当电缆自负远远大于电缆自重引起的张力(即。的span-to-sag比有线电视元素是足够小,通常不到1/12)。另一种方法是考虑每个电缆元素作为一个抛物线电缆元素,假设垂直荷载(包括载重)沿着电缆跨度是均匀分布的。同样,这种方法还需要一个小rise-to-span电缆元素的比例,通常不到1/8。考虑到最大跨度凹陷比( )本研究输电线路的大约1/37,远低于1/12,我们选择第一个方法使用LINK10的传输线模型元素。每个元素覆盖1米的长度。这个元素可以模拟杆成员应用紧张或轴向压缩载荷下,它也可以用来模拟放松悬挂或链结构。这个元素还强调加强和几何非线性分析功能,因此可以满足输电线路模型建立的要求。电缆之间的跨度159号和160号的中部是离散成280 LINK10元素,和电缆之间的跨度160号和161号的中部是离散成380 LINK10元素。与其他研究相比(见Gani和Legeron [34范和et al。41]),网格相对比较密集。

在实际输电线路中,每个阶段线由four-split电线;为了简化计算,在有限元分析模型中,每个four-split阶段线简化为一条线,假设每个分裂导线迎风截面相同,因此,这条线的操作紧张应该相当于总操作紧张,和它的密度应该相当于每个分裂的平均密度。这个简化的输电线路的参数表3。

当建立有限元模型的输电线路,是非常重要的,确定其初始配置。一方面,平衡方程和变形协调方程的输电线路应确定基于悬链线理论,确定输电线路的空间位置。另一方面,有必要把传输线从初始无应力状态的初始负载状态按照某些shape-determining方法。确定电缆平衡方程的主要方法是悬链线理论法和抛物线理论方法。前者是一个精确的方法,而后者是一种近似方法,但当电缆的span-to-sag率小于1/8,抛物线理论方法还提供了一个相对准确的解决方案。因为最大跨度凹陷比( )本研究输电线路的大约1/37,远低于1/8,抛物线法可用于确定初始形状的输电线路。假设输电线路上的垂直载荷沿跨度均匀分布,如图2,空间形状传输线方程

在(1),垂直荷载应用于输电线路,只有传输线的体重正在考虑在本研究;输电线路的初始水平张力, ;的水平跨度传输线(半两个相邻基站之间的距离);之间的高度差是输电线路的两端;和是中间的凹陷的输电线路。使用中列出的参数表2和3可以确定,空间形状方程。总是存在于输电线路的初始应变导致初始压力和初始张力的存在在系统中。因此,shape-determining分析是进行有限元模型建立时的金属元素。目的是建立初始应力状态,以确保后续分析结果是正确的。

MPC184的绝缘子模拟刚性元素,具有刚性杆特性模拟空间绝缘子的刚体运动。这个选择,因为瓷绝缘子的刚度高于传输线。MPC184元素可用于模型两个变形的身体之间的刚性约束或作为刚性组件用来传输力和时刻在工程应用中。这个元素是适合线性、大幅度转动和/或高应变非线性应用程序。

为了简化分析,模型的三个输电塔是建立基于塔160号的参数。单一的三维有限元模型塔和tower-line耦合系统在图所示3。在模型中,每个输电塔的底部四个节点刚性约束,和位移约束坐标方向对输电线路之间的连接连接和传输塔。一个塔模型总共有1971个元素和839个节点,而tower-line系统模型总共有9210个元素和5972个节点,25936度的自由。

3所示。Tower-Line传播系统的自由振动分析

在传输tower-line耦合系统中,塔和线一起工作。的基本动态特性tower-line系统可以获得基于模态分析。动态特性包括振型和频率。通过模态分析,系统的振动响应,当受到外部激励可以预测。

输电杆塔的自由振动和tower-line系统上面讨论使用有限元模型分别进行了分析。最初的300个订单tower-line耦合系统的固有频率和对应的振动模式进行了分析。第一个订单5的结果是刚体运动系统中绝缘子,其固有频率接近于零。然后,订单6到15是输电线路的振动,其固有频率在0.232和0.323赫兹之间。16、17日,19日,40,112,119,120,128,和161订单代表整个tower-line耦合系统的振动模型。其他高阶振动模式的结果没有列出。在振动模型中,16阶模式主要代表的振动闪电电线和输电塔的方向(图4(一)),一个相应的0.38赫兹的频率。17阶振动模式的扭转振动是闪电电线和输电塔(图4 (b)),一个相应的0.39赫兹的频率。19阶振动模式是输电线路的振动和扭转振动的输电塔(图4 (c)),一个相应的0.467赫兹的频率。40阶振型也代表了扭转振动tower-line输电线路的输电塔(图4 (d)),一个相应的0.724赫兹的频率。112年th-vibration模式是输电线路的振动和输电塔方向(图4 (e)),一个相应的2.228赫兹的频率。119阶振动模式的振动也代表了输电线路的输电塔方向(图4 (f)),一个相应的2.295赫兹的频率。120阶振型的振动是输电线路和输电塔设在(图4 (g)),一个相应的2.318赫兹的频率。128阶振型的振动是输电线路和输电塔方向(图4 (h)),一个相应的2.384赫兹的频率。161阶振动模式是输电线路的振动和扭转振动的输电塔(图4(我)),一个相应的3.138赫兹的频率。

结果的固有频率和特征的振动模式tower-line系统表中列出4。当tower-line耦合系统振动作为一个整体,输电塔的动力特性是断然地不同于一个单一的输电杆塔。固有频率的输电杆塔tower-line耦合系统远低于个人单塔在相应的振动方向。tower-line系统,输电塔的振动——和扭转方向更容易发生在低频段,而振动方向仍然发生在高频率。tower-line系统,整个塔的振动和线特点是低频,dense-mode振动,这是不同于一个塔的振动特征,表明,在传输tower-line结构的设计,tower-line耦合效应对输电塔的动力特性应该被考虑。

4所示。比较实地测量和有限元模拟传输Tower-Line风致振动响应的系统

4.1。介绍了实地测量

垂直高度的风速计放置10,20,28岁和43米塔上160号记录风速在输电杆塔的不同部分。三个风塔安装在输电塔159号和160号之间。两个超声波风速计安装在风塔在10米和20米的高度。1日风塔从输电塔160号40米,第二风塔80米第一风塔,和第三风塔120米第二风塔,从输电塔159号40米。所有管乐器的布局图如图5。垂直加速度传感器安装在塔不同高度160号,指出作为位置A, B, C, D图5(一个)。进行实地测量时,风速计的采样频率是10赫兹,和加速度传感器的采样频率为100赫兹。总共有165秒的加速度响应为每个样本都被记录下来。

2007年9月,当台风韦帕袭击中国东部,上面讨论的测量设备成功地记录这些地点的风速和加速度响应下的输电塔160号台风的影响。登陆后台风韦帕的强度衰减很快。因此,高度的平均场风速10,20日和28 m分别为6.03,7.43,和8.13 m / s,分别。图6显示了数据集的风速时间历史记录的风速计在10和20米输电杆塔数量160。图7显示了脉动风速功率谱密度(PSD)记录下风速计在输电杆塔和20米风塔。

4.2。计算风荷载的不同位置测量输电线路

有限元模拟提供基础的风致振动响应测量输电线路,风速记录的字段必须被转换成线的风载。当计算风载荷测量输电线路输电杆塔数量160,考虑到风速沿高度的变化的影响的输电塔,如图8垂直,塔可以分为八个部分。记录风速的风速计的高度选择43米的风速部分1 - 3,在一个高度28米用于部分4和5,在20米的高度是用于第六节,在10米,用于部分7和8。

风载荷对输电线路应分开计算按照实际布局的风速计和风塔。因为这三个风塔安装在输电塔160号和159号之间,如图5,这个跨度的输电线路可分为四个部分从塔160号大厦159号,与风荷载可以一段一段的计算。其中,风速风速计记录的在塔160号43米的高度作为第一节的风速和高度为20米1日风塔用于第二节;速度20米的高度在2日风塔是为第三部分,在20米的高度第三风塔用于第四部分。之间的输电线路输电塔160号和161号,没有wind-measuring设备安装,因为它们之间的水道和复杂地形条件。当计算风载荷对输电线路在本节中,风速计的风速记录在输电杆塔高度的43米160号使用。

计算风荷载应用于绝缘体可以根据风速记录在相应的输电塔的高度。

在现场wind-measuring设备的矩阵,每个风速仪可以记录的主要方向的风速,风速垂直于主方向,垂直风速在它的位置。在正常情况下,风速在主方向上的速度远远大于垂直和垂直方向。考虑到传输塔刚度大,应把重点放在水平风速的影响,而垂直风荷载的影响可以忽略。相对灵活的输电线路,两个水平和垂直的影响应考虑风载。因为实际的测量方向之间的夹角的主导风和输电线路的大约106°,主要主导风速和风速垂直于主导风向可以分解为风速垂直于线方向和风速线平行的方向。

获得风速矢量后,单位长度上的风荷载的细长结构可以根据提出的方法计算Dyrbye和汉森42]。风荷载tower-line结构可以表示如下:

在(2),是空气密度;和 平均风速、脉动风速高度 ,分别; 振动速度的高度吗 ; 是结构的高度垂直于风向;和结构的风荷载体型系数是高度吗 。

方程(2)表明,结构上的风荷载取决于气动风和的运动之间的耦合结构。为了简化分析,本研究不考虑这种耦合效应的计算。因此,风荷载计算基于准定常假设。方程(2)可以简化如下:

在详细计算,风载荷应用于输电线路的输电塔,每个部分可以根据计算(3)。在计算风载时输电塔,塔的迎风宽度可以计算使用其迎风区域, 。输电杆塔的迎风区域对应于每一段160号在图8表中列出5。

4.3。有限元模拟的风致振动响应活动区实测传输Tower-Line系统

传输的风致动力响应的分析tower-line系统可以概括为解决动态方程。

4.3.1。计算原理

基于有限元分析方法和边界条件,实际传输tower-line系统的动态响应可以表示为离散动力学方程的初步解决方案 在哪里 , ,和结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,分别; 和结构的位移矢量,速度向量,和加速度向量,分别;和是风的节点加载力向量。

解决方案可以在时域离散。的运动方程可分为不同的离散方程的时刻,通过逐步一体化,结构的反应可以得到一系列离散的时刻。此方法不仅考虑了非线性因素的结构也地址的反应不同的结构模式。因此,计算非常准确。

当计算传输tower-line的阻尼系统时,瑞利阻尼矩阵使用基于正交阻尼假设。它是表示为 在哪里和分别系统的质量和刚度系数。方程如下:

在(6),和是系统的阶,阶循环频率,和和是系统的阶,阶阻尼比。只要确定任何两种模式,系数和可以计算。

由于采样频率测量风速计的领域是10赫兹和相应的风速记录是165年代,1650年加载在有限元分析步骤的设计。风载荷计算每个部分的测量输电线路作为输入用于有限元模型。tower-line耦合系统的风致动力响应计算使用隐式纽马克-β逐步积分法。输电线路的几何非线性计算)。准确地获取结构的高阶振动响应,0.0025秒选为积分时间步,和66000年加载子步骤必须计算。

4.3.2。有限元(FE)的比较结果和现场测量(FM)值

图9显示了一个比较有限元计算结果与现场测量结果的位置,B, C, D在输电杆塔数量160。左边是加速时间的比较历史,右边是一个加速PSD的比较。总的来说,有限元计算结果与测量结果显然是在良好的协议。计算加速度时间历史和PSD位置与测量结果有很好的一致性。在位置B, C, D,加速时间历史的有限元分析结果与实测结果吻合良好。然而,加速度PSD展品相对较大的错误,这可能发生,因为加载输入或错误的,因为在这些位置受到multiple-vibration-mode反应的结构和测量噪声的影响。

生动的比较有限元分析计算的结果和实测振动特征,简要地变换(HHT)方法用于这项研究确定测量的动态响应和动态响应计算的有限元分析方法。频率和阻尼结果列在表中6。表中的振动频率主要由风荷载引起的结构振动频率在这些测量位置。因为位置B和C的振动是累积多个振动的振动模式,只有高阶振动模型的结果在这两个位置是给定的表6。表7提出了一种比较的最大加速度和均方根响应在每个测量位置。

表6揭示了振动频率的有限元计算方法研究与现场测量值一致,但确定阻尼比率从两种方法有很大的不同。这种差异主要是因为瑞利阻尼公式用于有限元分析,而实际传输tower-line系统维持风致振动时,它不仅影响结构的阻尼也由气动阻尼的影响,从而导致更大的阻尼比之间的差异的有限元分析和实地测量。然而,表7礼物,这些位置的加速度响应的最大偏差不超过11%,而均方根响应的最大偏差不超过20%,在工程实践中是可接受的偏差。因此,tower-line传输系统的有限元模型建立在这项研究是可靠的,可以用于模拟更多的工程实例。

5。输电塔的动力响应比较Tower-Line系统与相应的单一的塔

传输tower-line系统是复杂的耦合系统。塔之间的耦合效应和强风下的线有很大的影响对输电塔上施加的力的大小。然而,现有的对架空送电线路设计规范独立的输电塔的设计和线条。风载荷持续的输电线路应用作为静态负荷挂点的输电塔,而风荷载调整因素是用来近似风致振动的影响输电线路和塔。这个线性设计理论是容易实现,但它低估了负面影响tower-line耦合振动的输电塔,不能真正反映tower-line系统的负荷条件下强烈的风载荷,并可能导致不安全的设计。定量分析的影响在输电杆塔tower-line耦合振动,本节进一步计算输电塔的动力响应传输tower-line系统在不同风速条件下。计算结果与基于准静态设计方法在当前设计规范规定相应的单一的塔。

5.1。模拟风场的传输Tower-Line系统

因为风速数据记录的风塔实地测量有限,相当于设计风速风速数据没有记录。因此,确定动态响应传输tower-line系统在设计风速下,比较它与响应获得基于准静态法规定在当前设计代码,和理解风致振动的特点tower-line系统在不同风速下,风tower-line的字段必须模拟系统。

基于风的基本特征的描述Simiu和斯坎兰43),我们知道,风速在一定的高度,可以表示为之和平均风速和脉动风速。平均风是一种稳定的风不会改变一段时间了。其循环周期时间比大多数的基本自然振动周期结构,及其对结构的负载效应可视为一个静态负载。高度随机脉动风的特点是,与一个循环周期类似于常见的基本自然振动周期结构和动态加载对结构的影响。三维湍流的脉动风就是风,包括风吹的方向平行,横向的风的方向,垂直湍流。然而,在一般情况下,横向风和动荡的值相对较小,他们可以在高层结构通常被忽略。因此,在这项研究中,风的仿真领域侧重于风速的模拟时间的历史脉动风吹的方向平行。

按照中国的“建筑结构荷载规范设计”gb50009 - 2012 (44),地形粗糙度的测量传输tower-line系统类别b .地形粗糙度指数, ,是0.24。根据长期的调查所收集的数据数组风塔,高10米的湍流强度是10%。在这项研究中,修改后的达文波特光谱是用来模拟风速时间的历史传播tower-line系统。模拟风速时,采样频率, ,是10 Hz,模拟平均风速10米的身高是14日,16日,17日,18日,19日,20日,21日,22日,23日,24日,25.3 m / s。这些选择包括设计风速和速度,工程的目的,还强大的风速高概率的发生。因此,这些速度可以用来分析tower-line的风致振动系统的特点在不同的风速。由于实际测量输电线路的几何规模大,为了简化计算模型的工作负载,本研究仅模拟了风速选择代表tower-line系统的节点。代表节点的位置和分布如图所示10。方向的脉动风速模拟作为方向,垂直的输电线路。

8点风速模拟节点每个输电杆塔的位置沿垂直方向。由于大型输电塔之间的水平距离,风速之间的相关性在相邻的输电塔很弱,因此只有垂直相关性是模拟风速时输电塔的历史。

输电线路,因为两侧水平距离tower-line系统是不平等的,模拟风速、之间的输电线路输电塔160号和159号分为7部分,和之间传输塔161号和160号分为9部分。两端之间的高度差的输电线路通常是小的,和双方的输电线路满足小凹陷的假设。因此,不同风速高度差引起的输电线路可以忽略,只有水平风速的相关性。此外,风被认为在相同的速度两个代表节点之间的输电线路,如图10。

来验证仿真结果的准确性的风速度场、风速在10到20米的高度,在输电杆塔160号也模拟并与实地测量,如图11。模拟领域平均风速10和20米的高度是6.03和7.15 m / s,分别。它可以观察到,模拟结果与测量结果通常是在良好的协议。

根据上述条件,设计风速时, 米/秒(即。,the average wind speed at 10 m in height is 25.3 m/s), is set as the target wind speed, the wind speed time history at certain representative nodes in the tower-line system is shown in Figures12和13。图14显示了风速功率谱密度在一些代表节点模拟在这项研究中,当设计风速设置为目标。风的能量耗散地区字段在输电线路部分在0 - 0.2赫兹频段。

5.2。风致振动响应的输电杆塔Tower-Line系统在两种不同的风速

计算后的风速随时间的变化,它可以转化为风荷载tower-line系统基于部分中讨论的方法4.2。风载应用的方向被认为是垂直于输电线路(方向);也就是说,风角度是90度。在这种情况下,输电杆塔的迎风成员主要承受拉应力,而背风侧成员主要承受压应力。

通过使用隐式纽马克- - - - - -β逐步积分法,可以执行一个瞬态动态时程分析。因为设计风荷载是如此巨大,以至于可能导致非弹性响应的角度,角度成员的材料非线性和几何非线性传输线同时占的分析。更准确地确定结构的高阶响应,积分时间步长设置为0.0025秒。输入负载10赫兹的采样频率和一组时期的150年代,60000加载子步骤计算。

为了更好地理解的风致振动响应的计算结果塔tower-line系统的计算结果,比较相应的单一塔在不同风速下,在本节中,测量位置在输电塔160号tower-line系统描述。如图15,字母“N”表示该节点,“E”代表元素,后面的数字字母是节点或元素的序号,并在括号中对应的字母加速度传感器的放置位置塔160号(见图5)。

5.2.1。反应低风速下的输电塔( 米/秒)

提出工作主要是集中在位移和加速度响应在塔顶和塔的最大应力。

(1)节点的位移和加速度响应顶部的塔。节点位移和加速度随时间的变化反应和相应的PSD输电杆塔顶部的160号下的风速 m / s在塔顶上两个不同的节点图所示16和17。

可以从上面所示的数据观察,塔的顶端位移tower-line系统远远大于相应的单一的塔。的方向加速度随时间的变化曲线表明没有明显区别tower-line系统和相应的单的塔塔在低风速( 米/秒),而方向结果两者之间有很大的不同。从频谱图,我们也可以看到塔振动能量方向是主要分布在1.8 - -2.2赫兹的频率带,这是非常接近的基本固有频率对应的单一塔方向。然而,在方向,有一个很大的区别,表明了输电塔的振动更为复杂tower-line系统比单个塔。

(2)塔的压力反应。压力随时间的变化和PSD tower-line系统中不同的元素塔风速 m / s数据所示18和19,分别。

图18表明,在低风速( m / s),多个成员的最大应力的塔tower-line系统远小于材料的屈服强度设计。图19显示的最大拉应力或压应力的主要成员塔tower-line系统是由多模振动引起的。振动能量主要分布在0 - 0.5赫兹的频率带,这是远离的基本固有频率对应的单一的塔。每个高阶振动的峰值频率的模型有一个大约乘关系的频率的峰值1模型。甚至一些高模型的峰值的频率也有一个大约相乘的关系。

5.2.2。反应的输电塔在设计风速下, 米/秒

(1)节点的位移和加速度响应顶部的塔。节点位移和加速度随时间的变化反应和相应的PSD的顶部设计速度风荷载作用下输电塔160号( 米/秒),在两个不同的节点顶部的塔图所示20.和21。

演示风致振动的影响在输电杆塔tower-line系统,相应的动态稳态响应单塔设计风速下( m / s)也计算。比较的位移和加速度响应表中给出的相应的节点8和9,分别。

表8表明,在设计风速( 米/秒),在塔顶位移tower-line系统远远大于相应的单一的塔。最大的位移方向tower-line系统大约是5.2倍,对于单一塔。的位移方向在塔顶可以一样伟大的7厘米,而在相应的单一的塔,这个值接近于0。表中给出的结果9证明的最大加速度和均方根值方向在tower-line塔顶系统的响应值小于相应的单一的塔,而在数据随时间的变化曲线20.和21揭示两者之间没有明显的差异。此外,的最大加速度方向在塔顶tower-line系统是5.9倍,在相应的单一的塔,和均方根响应值的4.3倍,在单一的塔。

类似于前一节中描述的结果,我们也可以发现,从频谱图中人物20.和21,主塔的频带振动能量方向是窄峰值接近的基本固有频率对应的单一塔方向,而的方向分布广泛,有明显的高峰值在低频率范围。

(2)塔的压力反应。压力随时间的变化和PSD的几种不同的元素塔tower-line系统设计风速(下 m / s)如图22和23,分别。

图22表明,在设计风速下( m / s),多个成员的最大压应力的塔tower-line系统可以达到310 MPa,接近材料的屈服强度设计。图23证明了最大应力的主要成员塔tower-line系统是由多模振动引起的。振动能量主要分布在0 - 1 Hz的频段,也远远的基本固有频率对应的单一的塔。同样,每个高阶振动的峰值频率的模型有一个大约乘关系的频率的峰值1模型。

进一步了解振动的影响的输电线路的主要成员塔tower-line系统稳态时间历史响应的主要成员在相应的单一塔设计风速(下 本节计算m / s)。当计算相应的单一塔的动态响应,应用风载塔的高度,如图8。同时,无谓的导体,地面电线,绝缘体,配件应用挂点的塔。此外,所承受的风载下的输电线路设计风速也应该同时应用于塔的挂点。压力PSD的主要成员也相应的单一塔(图计算24)。

图24表明,峰值频率对应的应力PSD元素数量3800年和3944年在单个塔0.05和2.07赫兹,分别。振动能量主要集中在模式对应于2.07赫兹,这是非常接近自由振动模式2.1481赫兹的频率,由单一塔沿着弯曲引起的方向,表明应力增加单个塔的成员主要是由风荷载和塔本身的振动。

比较数据23和24,塔的压力PSD tower-line系统主要分布在0 - 0.5赫兹的范围,和PSD的峰值对应的频率接近1 st-4th tower-line系统的低阶固有频率和固有频率远离单一塔(见表4),从而表明压力增加输电杆塔tower-line系统主要是由输电线路的振动引起的。

表10提出了一种比较的塔的动态应力tower-line系统和相应的单塔设计风速(下 米/秒)。结果总结表10证明,在相同的设计风速下,最大应力的多个成员tower-line系统可以达到设计钢的屈服强度。tower-line系统应力值远远大于相应的单一的塔。因此,在设计风速下,输电杆塔tower-line系统可以被摧毁,但相应的单一塔仍然是安全的,证明的放大效应之间的动态耦合传输线的输电杆塔tower-line系统动态响应的输电杆塔不容忽视。

在一般情况下,输电线路之间的耦合效应的内在属性和输电塔tower-line系统。因为tower-line系统的耦合效应,输电塔的振动更为复杂和强大tower-line系统比单个塔;即塔和线之间的耦合效应放大了振动对输电塔的影响。在数据比较频谱结果16,17,20.,21下,耦合效应不太明显的低风速(即,= 6.03 m / s),在强风的速度(即, 米/秒)。虽然结果如图19表明,多个成员的最大应力的塔tower-line系统包含重要的耦合振动的贡献,经常被忽视的耦合效应是由于小压力的绝对值。然而,在强风的速度(即,= 25.3 m / s),耦合效应对塔的反应变得非常突出,导致潜在的过早失效tower-line系统,这表明风速tower-line耦合效应中起着重要的作用。

5.3。风致振动响应的比较分析的输电杆塔Tower-Line系统和相应的准静态响应单塔楼

目前,在传输tower-line系统的结构设计,从输电线路输电杆塔通常是分开。在输电塔的设计,静态方法。在这种方法中,输电线路的风载持续应用于输电塔作为外部集中力。风致振动的影响输电线路的输电杆塔的动态特性是无视。定量分析tower-line系统耦合振动的影响在输电杆塔的结构设计,根据中国规定的设计方法“技术规范设计110 kV - 750 kV架空输电线路”(gb50545 - 2010) [39),在本节中,不同风速强劲的风载对输电线路应用于输电杆塔的悬挂位置作为外部力量。输电杆塔上的风载又分为八段,如图10。

不同风速条件下的比较包括以下:10米高的平均风速14日,16日,17日,18日,19日,20日,21日,22日,23日,24日,25.3米/秒;为了便于识别的风速在以下的分析中,使用以下符号: 米/秒, 米/秒, 米/秒, 米/秒, 米/秒, 米/秒, 米/秒, 米/秒, 米/秒, 米/秒 分别m / s。

在实际环境中,风的方向加载更复杂,和各种角度之间的风和输电线路存在。因此,理解的程度的复杂性的影响风的方向,在这一节中,风荷载垂直地适用于输电线路(即。,wind angle of 90 degrees) is first calculated and analyzed, and the results are directly compared to the dynamic calculation results of the tower-line system discussed previously. Then, wind direction angles of 60, 45, and 0 degrees (i.e., parallel to the transmission line direction) are analyzed and compared.

5.3.1。比较的风致响应的输电杆塔Tower-Line系统和准静态响应不同风速下相应的求解

塔的动态分析的结果在tower-line系统与相应的静态(QS)计算结果单一塔在不同风速下。比较塔顶位移的提出了表11。比较的压力塔成员提供在表的结果12。

表11和12透露,在不同风速下,塔的顶端位移和塔的压力成员tower-line系统的动态分析提供的是更大的比相对应的准静态方法单一的塔,证明了耦合振动之间的输电线路和输电杆塔发生。这种耦合效应增加塔的侧向位移和轴向压应力塔的成员。因此,应该考虑耦合振动影响塔在高压传输tower-line系统的设计。

因为工程师更关心在设计过程中内应力的输电杆塔成员,为了便于分析,塔的成员压力的比值tower-line系统的动态分析和静态(QS)计算相应的求解是定义为动态放大系数, 。

从表明显12,当风速小于 m / s,塔楼底部(0 m)和塔(高19.8米),tower-line耦合效应与风速增加。当风速大于 米/秒,减少随着风速的增加。当风速达到 米/秒,最大轴向压应力的主要成员压塔的底部(0米)达到设计屈服强度(310 MPa)。当风速达到设计风速 m / s,更多成员的最大压应力达到或超过屈服强度(310 MPa)。在更高的风速,随风速增加,可能是因为成员后的应力再分配的收益。随着风速的增加,主要成员由准静态分析的压力继续增加,但仍在弹性范围内。然而,根据动态时程分析结果,相应的成员的压力tower-line系统方法或已经达到材料屈服强度,因此压力增加的范围相对较小。因此,随着风速的增加会减小。此外,塔的应力分布将导致产生更多的成员,特别是塔底部附近的成员(0米)。由于这些原因,塔的底部(0 m)将进一步减少与上塔(例如,19.8米)的高度。

在工程设计中,主要成员的实际压力扮演决定性的角色。当风速时, ,增加从14到18米/秒,尽管大小的增加造成的压力的主要成员在tower-line系统耦合振动效果明显(相应的值变化从1.19到1.48),表12表明,压力仍在弹性范围内;也就是说,塔仍然是安全的。在这种情况下,即使设计仍然是基于准静态方法在当前的设计代码,结果仍然是安全的。当风速范围 25.3米/秒,造成成员压力的绝对值tower-line耦合振动的影响高(相应的值是在1.39和1.06之间)。一些主要成员的压力接近或已经达到材料的屈服强度,而绝对压力值计算的准静态方法设计规定的代码显示,成员仍在弹性范围内。因此,tower-line耦合振动效应将导致输电塔的主要成员的压力达到材料的屈服强度,即使风速低于设计风速。在这种情况下,设计基于准静态分析方法在当前设计规范是不安全的。换句话说,输电杆塔设计按照目前的设计规范规定的现有的静态方法只能名义上承受风荷载等效的设计风速(即, m / s),但实际上它只能承受风荷载小于设计风速(即, 米/秒)。

因为当前的静态分析方法设计代码相对比较简单,很容易为设计师。因此,基于目前的结果,在设计输电塔,以适应tower-line耦合振动的不利影响,设计结果的静态方法的代码应该只是乘以相应的tower-line耦合效应动态放大系数, 。显示在表12例如,在设计风速下( m / s),从底部到顶部的塔值是1.06,1.09,1.51,1.10,1.67,和1.41,对应塔成员高度的0,9日,15日,19.8,23.4,和25.8 m,分别。因为成员的绝对应力值附近的塔下很大,设计的控制压力。因此,为了满足这些需求,整个塔的准静态分析结果必须乘以tower-line耦合效应动态放大系数,(例如, ),塔的底部。

5.3.2。比较的风致响应输电杆塔Tower-Line系统和相应的准静态响应单一塔在不同风的方向

在实际环境中,不同角度之间存在输电线路,风的方向。分析这些不同的风力的影响方向的应力主要成员的塔,在这一节中,基于两个工程情况下,风速, ,是20 m / s, 25.3 m / s,轴向压应力的主要成员(见表12)计算使用tower-line的动态分析系统在不同风向角(即。,90年,60岁,45岁,和0度)。结果如图所示25。随着风向角的增加,轴向压应力的主要成员塔也会增加。因此,风90度角产生最不利影响。

因为塔附近的成员底部(见表12)通常是主导设计,tower-line耦合效应的变化动态放大系数, ,在不同风方向(即。,90, 60, and 45) are also shown in Figure26。随着风向角减少,也会减少,从而表明tower-line耦合振动的放大效应削弱。总的来说,随着风速的增加,价值曲线发展,折叠后行式模式。然而,在设计风速 m / s,值对应于三个风方向大致相等,表明tower-line耦合效应动态放大系数, ,对风速的变化更敏感。因此,实际工程设计可以安全地完成假设风向角90度。

6。结论

在这项研究中,一个有限元模型建立了传输tower-line系统根据实际高压输电线路在中国东部。tower-line系统的风致振动响应进行了分析使用建立了有限元模型,并验证了有限元模型的准确性通过比较结果与实地测量。基于风速和风压转换理论和修改达文波特谱,风荷载时间历史模拟。的动态响应输电杆塔tower-line系统在不同风速和方向进行了分析,结果与计算使用静态方法规定在中国的“技术规范设计110 kV - 750 kV架空输电线路”(gb50545 - 2010)对相应的单一的塔。以下是本研究的主要结论:(1)输电线路之间的耦合效应的内在属性和输电塔tower-line系统。当传输tower-line自由振动作为一个整体系统,塔的基本的自然频率远低于相应的单一塔在相应的方向,和塔的整体振动和线的特点是低频率和密度模式。(2)风速tower-line耦合效应中起着重要的作用。风致振动的输电杆塔tower-line系统是更复杂的比单一塔因为耦合效应。在低风速下,耦合效应不明显,可以忽略。然而,在强风的速度(即,the average wind speed at a height of 10 m is greater than 10.8 m/s, corresponding to a Beaufort number greater than 6), the coupling effect on the responses of the tower gradually becomes prominent, possibly resulting in the risk of premature failure of the tower-line system.(3)在相同的设计风速下,压力的主要成员塔tower-line系统增加更多的塔。多个成员的最大应力接近或达到设计钢的屈服强度。然而,在相应的单一的塔,成员的压力远小于设计钢的屈服强度,和塔仍然是安全的。在相同的设计风速下,成员压力增加tower-line系统主要是由振动引起的输电线路由于耦合效应,而压力增加单个塔主要是由其自振引起的。(4)90度的不同速度的风下,塔顶的位移和应力的主要成员大于静态分析的结果对应的单一的塔,证明动态耦合的放大效应响应的输电杆塔tower-line体系中不容忽视。塔的成员压力降低的风向角减少,从而表明风向90度角(垂直于输电线路的方向)是最不利风向。(5)基于准静态设计方法目前的设计规范规定的不安全,因为无知的耦合振动的不利影响输电塔。在实际工程中,当准静态方法规范仍在使用,塔的内力成员给出的设计风速下的准静态分析可以简单地乘以tower-line耦合效应动态放大系数, ,近似的副作用tower-line输电杆塔上的耦合。例如,推荐的值≥1.06基于tower-line系统的设计参数提出了。因此,塔的截面成员应该设计基于内部压力调整通过塔的放大系数,以确保安全。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究已经由中国国家自然科学基金资助(授予号。51578512和51578512)和郑州大学的优秀青年人才研究基金(批准号1521322004)。