钢管组合大跨越输电塔线体系抗震减震分析研究

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大跨越输电塔线体系是应用极广的一类高耸大跨结构体系,作为一项重要的生命线电力工程设施,确保主结构体系在地震作用下的安全可靠运行,具有重要的经济、社会意义。该体系区别于其它土木结构的一个最显著特点是它由导地线和各个钢塔连接而成的连续体系,是一种复杂的空间塔-线耦联振动体系。高压输电塔是该体系的主要承重结构,目前国内外多采用角钢组合构件铁塔。由于钢管构件的截面型状力学特性比较好,外型美观,近年来,钢管塔和钢管组合塔在输电线路中得到了比较广泛的使用。输电铁塔除了受静荷载外,大部分时间主要经受动荷载的作用,振动是引起输电铁塔破坏的主要原因,确保输电塔线体系在地震作用下的安全运行越来越受到工程实践和研究人员的重视。 本文结合跨越珠江的一段220kV输电线路为工程实例,利用有限元分析软件ANSYS建立了该体系杆梁混合有限元分析模型。采用子空间迭代法分析研究了该体系的动力特性、单塔的动力特性,并对SZK系列单塔的动力特性变化特点修正拟合了工程上常用的一阶周期近似估算公式。通过分析体系中输电塔的动力特性参数和没有考虑导地线的单塔的动力特性,得到了几点关于悬挂的导地线在输电塔纵向和侧向的耦合效应的定性认识。此外,结合前人有关输电塔线体系抗震简化模型的研究,得到了输电塔的等效刚度模型,并引进侧向和纵向等效刚度系数α、β,对输电塔线体系的抗震简化模型进行了动力特性的分析对比。分析可知,体系的振型比较密集,且多以导地线的振型为主。为了更加直观准确的得到输电塔的动力特性,本文首先参考环境振动测试的思路,通过对体系有限元模型施加有限宽带白噪声激励,对铁塔时程响应进行了频域分析识别,可精确得到耦合了导地线的输电塔振动模态;为进一步验证有限元模型和输电塔振动模态的正确性,利用环境激励对输电塔进行了现场振动模态测试。 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、Taft、场地波,采用Newmark-β逐步积分法和Newton-Raphson法反复迭代进行7度设防和7度罕遇情况下的双重非线性(弹塑性和几何非线性)三向地震反应分析,了解了输电塔线体系地震反应的一些特点。此外,文章还针对导地线对铁塔的地震影响进行了研究,通过有导地线和无导地线的铁塔地震反应的对比分析,进一步揭示了导、地线对输电塔的耦合作用规律。上述研究对体系在地震作用下的响应特点和规律进行了归纳总结,对输电线路的抗震抗风设计、研究有一定的借鉴和参考意义。文章最后对输电塔线体系的减震控制进行了初步的探讨。结构消能减震技术和结构被动调谐减震控制技术(TMD)因其减震机理明确、减震效果明显等特点而被工程界广泛采用于高层建筑、高耸塔架等结构中。本文研究了在输电塔上布置粘滞耗能阻尼器和调谐质量阻尼器后铁塔的响应特点,对比分析了体系有无上述两类控制装置的减震效果。
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