基于概率密度演化的输电塔-线体系抗风可靠性分析

以三线两塔直线段输电塔-线体系为工程对象,应用有限元数值模拟,建立了基于概率密度演化的输电塔-线体系抗风可靠性分析方法。首先,应用谱表示-降维方法模拟结构脉动风场,生成风荷载的代表性样本集合。然后,结合概率密度演化理论,分析了输电塔-线体系考虑气弹效应的随机动力反应。最后,应用等价极值思想构建了风荷载作用下输电塔-线体系失效准则,进而对输电塔-线体系的抗风可靠性进行精细化分析。本文结合谱表示-降维方法与概率密度演化理论,实现了仅用较少数量的代表性样本来精细地分析结构的抗风可靠性,为工程实践提供参考。     

输电塔-线体系的风致动力稳定

结合增量动力分析法和弧长法有限元分析了安徽某输电塔-导地线结构的风致动力稳定,通过杆塔顶侧移比、底层受压侧主材应力和导线挂线点反力、张力和振幅的变化规律分析了塔-线相互作用及结构动力失稳前、后的受力特征。根据非线性静力与动力失稳塔顶侧移比相等原则得到了不水平档距塔-线结构动力失稳临界平均风速。研究结果表明,塔-线结构动力失稳过程主要为杆塔挂线点杆件屈服、塔身底部受压侧主材屈服、塔顶侧移比增大、塔底主材压屈;随着水平档距增加,塔顶侧移比增大,挂线点反力增大,导地线张力减小,导地线振幅增大,动力失稳临界平均风速减小;输电塔的风致稳定性设计应考虑动力效应及塔-线相互作用的影响。     

高压输电塔线体系风致非线性振动气弹模型风洞试验

基于边界层风洞气弹模型试验的方法,对高压输电塔线耦联体系的风振响应进行了试验研究,首次在风洞中重现了输电塔线体系倒塔破坏现象.研究表明:在紊流风场中,高压输电塔线体系的风致振动呈现较强的非线性振动特征,随风速增加,非线性振动程度加剧,且输电塔结构振动呈现出混沌振动特征;由于输电线与绝缘子振动的影响,塔线体系中输电塔高阶模态的振动非常显著,且随风速增加,高阶模态的能量甚至强于低阶模态的能量;导地线与绝缘子对输电塔结构的影响随风速增加而增强.塔线体系的风振响应计算需考虑高阶模态的影响.结构设计时,需合理考虑大风时导地线与绝缘子的非线性振动对输电塔的影响.     

输电塔-线耦合体系参数振动的离散元模拟与分析

分析了塔-线体系的研究现状及存在的问题,建立了塔-线耦合振动问题的简化力学模型来描述塔与线之间的作用机理,利用Hamilton原理推导了塔-线组合结构的非线性运动方程,最后应用离散元数值模拟方法验证了其在分析输电塔线体系参数振动中的有效性,并揭示了该体系耦合振动中存在的参数振动的规律.     

High-voltage transmission tower-line system subjected to disaster loads

The high-voltage power transmission system is an important lifeline structure. It is significant for wide researches on the features and ability of the system subjected to earthquake and environmental loads. The promising prosperity of the system has been demonstrated around the world. The corresponding advances of the system with respect to the mechanism of loading action, analytical methods, experimental research measurements, structural vibration control, fatigue damage, lifetime prediction, and design methods are comprehensively discussed herein. Finally, further research work on dynamic response characteristics of high-voltage transmission tower-line system in the near future is predicted.     

大跨越输电塔线体系风振控制新策略

为了抑制输电塔线体系的风振并考虑体系动力特性存在的不确定性,基于多目标优化理论设计了鲁棒H2/H∞控制器.运用达朗贝尔原理建立了输电塔线耦合体系平面内外振动的受控运动方程,在状态方程的摄动矩阵中引入塔线体系模型的不确定性,运用MATLAB的线性矩阵不等式(LMI)工具箱设计了鲁棒H2/H∞的输出反馈控制策略,并结合改进的限幅最优(MCO)控制算法设计了H2/H∞_MCO半主动控制器.以汶河-青云大跨越输电塔线体系为工程背景,分别对其进行在无控制、调谐质量阻尼器+黏弹性阻尼器(TMD+VED)控制、铅芯橡胶阻尼器(LRD)控制、固定增量(FI)控制和H2/H∞_MCO控制下的风振响应数值计算.结果表明:H2/H∞_MCO控制策略对输电塔的位移、加速度和塔底内力的峰值和均方差的减振效果比TMD+VED、LRD及FI控制策略的都要显著.     

特高压格构式输电塔线体系振动台试验设计

特高压输电塔线体系具有跨越档距大、塔体高的特点,进行地震模拟振动台试验测试时,现有结构试验方法难以完成.本文以特高压交流单回路输电线路工程为背景,设计制作了三塔两线体系缩尺模型,文中详细阐述了振动台试验的模型设计工作,其中包括试验材料的选取、动力相似关系的确定、模型的制作以及试验方案设计等方面.针对由强几何非线性的导、地线与弹性输电铁塔这两种不同形式的结构所组成的耦联体系提出了动力参数分离式模型设计方法,解决了塔线体系按统一比例无法满足振动台台面尺寸要求的问题.理论分析和实测对比验证了该模型较好地满足了振动台试验要求,该方法使得通过振动台试验研究特高压输电塔线体系的地震反应得以实现.     

台风作用下输电线路风振系数及抗风性能研究

为研究良态风与台风作用下的输电线路风振系数,以广东省国古线一铁塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法模拟了台风风场,并开展了动力分析.首先,对比了5种国内外设计规范的风振系数计算方法,发现各规范均未单独考虑台风的强脉动特性;然后,基于惯性力法获取了铁塔风振系数并揭示了塔线耦联效应的影响.最后,利用生死单元法定量评估了两种风场下输电线路的抗风性能.结果表明:台风的高湍流特性导致顺风向风振系数大于良态风对应值;导线可增大铁塔横风向基频,并使铁塔振型由单塔的弯曲型变为塔线体系的弯剪型,塔线体系横担处风振系数大于单塔;湍流度从0.14提高至0.20,临界倒塌风荷载降低约11%.因此,台风多发地区的输电塔设计应适当提高湍流度取值,必要时还应考虑塔线耦联效应.     

考虑桩-土-结构相互作用的输电塔-线体系风振响应及减振控制

为研究风荷载作用下考虑土与结构相互作用(soil-structure interaction, SSI)对输电塔-线体系的动力响应与减振控制的影响。根据实际工程,建立输电塔-线体系模型和桩-土-输电塔-线体系模型,然后分别对软土条件下考虑SSI效应的输电塔-线体系和刚性地基的输电塔-线体系进行风振响应分析。将多个粘滞阻尼器安装在考虑SSI效应的输电塔上,对输电塔风致振动进行控制。研究结果表明：考虑SSI效应后,输电塔的位移响应明显增大,其中塔身代表节点的位移最大值、均方根值分别增大64.73%、79.09%,塔身和塔腿的轴力响应减小。阻尼系数相同时,速度指数为0.3的阻尼器对输电塔风振控制效果最好。速度指数相同时,阻尼系数越大塔顶位移响应和塔身单元的轴力响应越小。速度指数为0.3,阻尼系数低于30 000 kN·(s/m)^0.3时,不同阻尼系数的阻尼器对塔顶节点的位移控制效果差距明显,阻尼系数小于15 000 kN·(s/m)^0.3时,不同阻尼系数的阻尼器对塔身单元的轴力控制效果差距明显。     

输电塔线体系断线动力响应及杆塔破坏模拟研究

利用ABAQUS软件建立500kV典型输电线路段塔线耦合体系的精细有限元模型,数值模拟覆冰塔线耦合体系断线后的动态响应和杆塔破坏过程。对杆塔引入等效塑性应变破坏准则,当单元的最大等效塑性应变达到许用值时,删除单元以模拟杆塔的破坏。数值模拟结果与按我国电力设计规程以及IEC设计规程的计算结果比较表明:地线断线时用塔线模型和规程计算得到的杆塔应力的差别较导线断线时大,地线和导线断线时杆塔的最大应力均大于两种规程的计算值;杆塔上与地线连接的角担是断线时的薄弱区域。现行电力设计规程中采用静力分析方法对断线产生的冲击动力作用的估计不足。