悬索拉线塔的风振分析

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悬索拉线塔是一种高耸、高柔、大跨的结构,属于风敏感结构,风荷载在拉线塔结构的设计中往往起到控制荷载的作用。拉线塔因为柔度大,在受到脉动风荷载作用时,会出现较大的几何变形,具有几何非线性。拉线塔结构的塔-线相互耦合,输电线会对拉线塔立柱的刚度和内力产生影响,所以拉线塔的内力响应也具有非线性。特高压输电线路与超高压输电线路的差异使特高压输电塔的塔头尺寸,塔身高度有所提高,杆塔承受的荷载和塔身自重也相应增加。考虑了这些因素,本文进行了特高压拉线塔结构在脉动风荷载作用下的动力时程反应分析。输电塔结构一般分为自立式输电塔和拉线塔两大类。悬索拉线塔是拉线塔结构的一种形式。自立式铁塔自重大,工程量大,造价高,但适应性广,可应用于各种地形之中。而拉线塔则自重较轻,工程量较小,造价较低,但其使用会受到一定的地形条件的限制。从以往的工程经验中得知,与自立式铁塔相比较,拉线塔的自重可减少20%~50%,其节约成本作用明显。因此,在地势起伏不大的地区,采用拉线塔结构比较合适。本文中的风振分析,是基于一条经过新疆戈壁荒漠地区的±800kV特高压直流线路进行的,主要研究内容和结论有以下几个方面:①结构的静力特征研究。建立悬索拉线塔结构精细的有限元模型,运用有限元分析软件ANSYS分析结构的静力特征。文中通过分析钢索的最大设计应力确定了拉线的最大初张力。文中给出了考虑非线性变形的影响下,拉线内力、悬索内力和立柱内力在自重无风作用下的关系曲线。分析了不同初张力对结构内力的影响。分析结果表明,在不同的悬索初张力和自重作用下,结构内力随初张力增大而线性增大。②结构的动力特征研究。文中首先通过索单元的预先找形,完成了导地线在自重和风荷载下的坐标找形定位。然后进行了动力特征分析。结果表明:立柱的第一阶频率为绕自身的扭转;单塔的立柱扭转频率和塔线体系的立柱扭转频率几乎一致;由于导地线的作用,塔线体系中立柱侧弯频率较单塔较低;拉索张力会显著增大立柱的扭转刚度;随着拉索张力的增大,扭转频率非线性增大;当悬索初张力较小时,悬索初张力对立柱的模态影响较小;当悬索张力较大时,悬索初张力增大,立柱的频率减小。③结构风振响应研究。文中分别建立了带弹簧的简化梁模型,简化立柱单塔模型和实际单塔模型,来研究单塔的风振响应特征。接着又建立了简化立柱塔线线模型和实际塔线模型,研究塔线模型的响应。文中讨论了立柱风振系数随导线张力和拉线张力的变化。研究发现,随着导地线张力的增大,立柱位移平均值减小,动力值略微增大,风振系数增大,但变化都不是很明显。随着拉线张力增大,立柱的位移平均值变小,而动力响应增大,总体动力放大系数增大。文中进行了导线的气动弹性时程分析,结果表明考虑气动弹性比不考虑的风振系数要小。④拉线断裂研究。文中建立了断线的有限元分析模型,实现了断线工况模拟与分析。分析结构表明,随断线数目的增加,立柱位移均大幅增大,并且呈现出明显的非线性关系,导地线的张力和立柱内力也明显增大。拉线断线可能会导致地线断线,但由于导线的放大系数不是很大,所以预计结构仍然是稳定的。
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