输电塔—导线体系非线性动力反应分析

论文摘要

输电塔是一种工程数量巨大而且很重要的高耸结构。作为重要生命线工程的电力设施,输电线系统的破坏会导致供电系统的瘫痪,这不仅严重地影响人们的生产建设、生活秩序,而且可能会引发火灾等次生灾害,给社会和人民生命财产造成严重的后果。输电塔线体系是由导线和各个钢塔连接而成的连续体系,是一种复杂的空间塔线耦联体系,其导地线的质量很大,将对输电塔的动力特性产生较大的影响。本文针对110kv现役输电线路为工程实例,利用有限元分析软件ANSYS建立了该体系的有限元分析模型。采用子空间迭代法分析研究了该体系的动力特性和单塔的动力特性,为了便于比较,分别从单塔、塔和导线、以及塔、导线和绝缘子的联合振动来分析输电塔的动力特性。通过在各种情况下对塔的振动频率和振型的比较,表明导线对输电塔的动力特性有一定的影响,不可忽略,并宜作进一步的研究和实验。另一方面,本文以体系有限元分析模型为研究对象,预先进行自重荷载作用下的静力分析。以静力终态的位形和应力作为瞬态分析的初始态,然后输入El-Centro波,采用Newmark-β逐步积分法和Newton-Raphson法反复迭代进行的双重非线性（弹塑性和几何非线性）地震反应分析,了解了输电塔线体系地震反应的一些特点。文章针对导线对铁塔的地震影响进行了研究,通过在不同档距下有导线和无导线的铁塔地震反应的对比分析,进一步揭示了导线对输电塔的耦合作用规律。分析结果表明,输电塔结构考虑导线影响后的动力特性有较大改变,非线性分析结果验证了导线的影响随着档距的增加而增大的结论,与线性分析结果相比输电铁塔顶点位移反应有了加大。因而在输电塔结构抗震设计中,有必要考虑导线影响时的非线性分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 输电线路震害及原因
• 1.3 输电塔线体系的基本概况
• 1.3.1 输电铁塔的结构型式和发展
• 1.3.2 导（地）线的力学特性
• 1.3.3 绝缘子串结构体系的特点
• 1.3.4 大跨越输电塔线体系
• 1.4 输电塔线体系抗震研究现状
• 1.4.1 输电塔体系的动力特性研究
• 1.4.2 动力计算模型的研究
• 1.5 本文研究的主要内容
• 1.5.1 本文的研究思路和研究方法
• 1.5.2 本文的主要工作
• 1.5.3 本文采用的分析工具和数值分析方法
• 第二章 输电塔结构的计算理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 几何非线性有限元基本理论
• 2.2.1 空间梁单元的切线刚度矩阵
• 2.2.2 空间杆（索）单元的切线刚度矩阵
• 2.3 材料非线性有限元基本理论
• 2.3.1 非线性材料应力-应变曲线
• 2.3.2 理想弹塑性材料与线性强化塑性材料
• 2.3.3 弹塑性力学增量理论的基本法则
• 2.4 双重非线性
• 2.5 本章小结
• 第三章 输电塔-导线体系非线性有限元静力分析
• 3.1 引言
• 3.2 有限元的基本理论
• 3.2.1 有限元概述
• 3.2.2 有限元建模的基本要求
• 3.2.3 有限元建模及加载过程的基本假设
• 3.3 体系有限元模型的建立
• 3.4 导线的张力和形状
• 3.5 ANSYS 有限元分析模型
• 3.6 体系非线性静力平衡方程及求解
• 3.6.1 非线性静力平衡方程
• 3.6.2 非线性静力计算分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 输电塔-导线体系动力特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 体系的自由振动方程及求解
• 4.3 ANSYS 模态分析原理
• 4.3.1 振动力学通用运动方程
• 4.3.2 质量矩阵
• 4.3.3 模态分析
• 4.3.4 在 ANSYS 中模态提取方法
• 4.4 动力特性分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 地震作用下输电塔线体系的非线性动力反应分析
• 5.1 引言
• 5.2 地震动的输入
• 5.2.1 地震波的选取
• 5.2.2 地震动特性
• 5.3 非线性时程分析
• 5.3.1 体系的增量运动方程
• 5.3.2 体系阻尼矩阵
• 5.3.3 增量运动方程的求解
• 5.4 输电塔线体系地震反应分析
• 5.4.1 设防烈度地震反应分析
• 5.4.2 输电塔线体系地震反应特点
• 5.4.3 导线影响下输电塔非线性动力反应分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间已发表的学术论文及科研成果
• 致谢