高压输电塔—线体系气象条件致灾因素分析

论文摘要

高压输电塔—线体系具有塔体结构高、跨度大、整体结构柔性强,兼有塔状高耸结构和大跨度结构的共同特点,对气象条件作用反应敏感,容易发生振动疲劳损伤和极端条件下的动态倒塌破坏。对于输电塔—线体系的设计和使用,气象条件起着决定性作用。本文以湖南地区挂靖线220kV输电线路覆冰倒塔为例,考虑水平垂直档距、高差、不均匀覆冰和风荷载影响,对覆冰和风荷载作用下输电塔-线体系进行非线性屈曲分析,计算出覆冰荷载以及风荷载与覆冰共同作用下输电塔结构的极限承载能力,分析了倒塔的主要原因。研究表明,过载和不均匀覆冰引起的不平衡张力以及风荷载是倒塔的主要原因,重冰区覆冰架空输电线路技术设计规程的荷载水平需要进一步提高。依据流体诱发振动原理,结合已有覆冰计算模型,考虑降雨的分类,模拟了输电塔—线体系不同高度导线的覆冰和风荷载,对覆冰输电塔—线体系在稳定风速激励下的动力响应进行分析,并与不考虑塔线耦联的导线舞动分析结果及覆冰塔线拟静力的分析结果进行对比,研究结果表明,塔-线耦联体系对覆冰导线风振有很大影响,覆冰输电塔抗风设计安全度需要进一步提高。分析导线脱冰时的非线性动力过程,建立适用于导线脱冰跳跃分析的两塔三线模型,确定采用差分显式积分作为计算方法。计算得到了输电塔-线体系导线脱冰跳跃的时程响应,并分析了档距、转角、高差等因素的影响。根据荷载和结构体系的特性,在考虑风荷载梯度剖面分布、湍流脉动方向性、湍流强度和功率谱密度的基础上,对输电塔-线体系进行了脉动风速模拟。计算出在一定风速情况下雨的冲击力。以舟山输电塔为工程背景,建立了输电塔-线体系的精细化有限元分析模型,研究了在风单独作用与风雨共同作用下的输电塔-线体系的动力响应,探讨了雨荷载对输电塔-线体系风振响应的影响。研究结果表明,雨荷载激励对超大跨越输电塔-线体系的影响不能忽略。对输电导线不均匀覆冰条件下塔-线体系在稳定风速激励的动力响应进行分析。采用基于扭振激发机理的防舞动装置——失谐摆,对失谐摆的参数进行了优化计算,根据单塔模态分析得到的频率计算TMD优化参数,分别计算了四种工况下塔—线体系时程响应。模拟了目标场地风场,对比了输电导线均匀覆冰条件下塔—线体系脉动风激励无控和控制的风振响应。研究结果表明,失谐摆和TMD的联合控制,对输电塔—线体系在舞动和风振两方面具有“双功能”控制效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 输电线路的分类和组成
• 1.1.1 输电线路的分类
• 1.1.2 输电线路的组成
• 1.2 输电线路防灾的重要性
• 1.3 输电线路气象条件致灾因素
• 1.3.1 覆冰过负载
• 1.3.2 覆冰舞动
• 1.3.3 脱冰跳跃
• 1.3.4 风雨激励
• 1.4 输电塔-线体系研究现状
• 1.4.1 输电塔-线体系分析模型
• 1.4.2 荷载及作用机理
• 1.4.3 动力试验与现场实测
• 1.5 本文主要研究工作
• 2 高压输电线路覆冰倒塔非线性屈曲分析
• 2.1 引言
• 2.2 结构的非线性屈曲分析
• 2.2.1 特征值屈曲分析
• 2.2.2 非线性屈曲分析
• 2.3 工程概况
• 2.4 数值分析
• 2.4.1 覆冰荷载作用下塔-线体系屈曲分析
• 2.4.2 风荷载和覆冰荷载共同作用下塔-线体系屈曲分析
• 2.5 本章小结
• 3 覆冰输电塔-线体系风致动力响应分析
• 3.1 引言
• 3.2 舞动的集中参数系统运动方程
• 3.3 输电塔-线体系覆冰与风荷载计算方法
• 3.3.1 导线覆冰计算方法
• 3.3.2 作用在导线上的风荷载
• 3.3.3 输电塔和绝缘子覆冰计算方法
• 3.4 数值分析
• 3.4.1 工程概况
• 3.4.2 有限元模型的建立
• 3.4.3 结构动力特性
• 3.4.4 施加风荷载
• 3.4.5 计算结果
• 3.5 本章小节
• 4 输电塔-线体系覆冰脱落致振响应分析
• 4.1 引言
• 4.2 脱冰模拟
• 4.3 显式动力分析
• 4.4 数值分析
• 4.4.1 模型的建立
• 4.4.2 结构动力特性
• 4.5 动力分析结果
• 4.5.1 塔线体系分析结果
• 4.5.2 高差的影响
• 4.5.3 转角的影响
• 4.5.4 档距的影响
• 4.6 本章小节
• 5 超大跨越输电塔-线体系风雨激励动力响应分析
• 5.1 引言
• 5.2 雨荷载模拟
• 5.2.1 雨滴与雨滴谱
• 5.2.2 雨滴降落的末速度
• 5.2.3 雨荷载的力学建模
• 5.3 数值分析
• 5.3.1 工程概况
• 5.3.2 有限元模型
• 5.3.3 结构动力特性
• 5.3.4 风荷载时程
• 5.3.5 降雨冲击力
• 5.3.6 计算结果
• 5.4 本章小节
• 6 覆冰输电塔-线体系的风振控制研究
• 6.1 引言
• 6.2 失谐摆机理及其参数计算
• 6.2.1 失谐摆机理
• 6.2.2 失谐摆参数计算
• 6.3 TMD模拟及其优化
• 6.4 工程概况
• 6.5 不均匀覆冰风振控制
• 6.5.1 风荷载
• 6.5.2 计算结果
• 6.6 均匀覆冰风振控制
• 6.6.1 风场模拟
• 6.6.2 计算结果
• 6.7 结论
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢