输电塔结构风振响应分析

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1、输电塔结构风振响应分析第1章绪论1.1研究背景随着经济水平的发展以及科学技术领域的创新，人们对电力的安全性和稳定性提出了更高的要求，在这些因素的共同影响下我国的电力电网建设飞速发展。近些年来，因为电压级数的不断提高和输电距离的日益加长，使得在安全性和稳定性上有较大优势的铁塔成为了送电线路中最适用的杆塔。根据国际大电网会议的定义[1]：对交流输电而言，220KV及其以下的电压等级被称为高压；330～750KV的被称为超高压；1000KV及其以上的被称为特高压。对直流输电而言，±100KV以上的电压等级被称为高压；将超过±60

2、0KV的称为特高压。我国高压输电电网建设起步较晚发展较快，1972年首次建成一条330KV输电线路，之后二十几年，我国电网不断完善，逐步建成了跨省区高压输电电网。此外，输电塔的形式随着国家电网等级的不断升级也在发生变化，自立式铁塔逐渐取代原来的钢筋混凝土输电塔，其在结构以及形式上都有新变化，例如钢管塔和组合角钢塔等。这些创新也使得输电塔在设计以及其他方面的要求不断提高。输电塔作为电能输送载体，一般建在地形及气候等环境非常复杂的地方，这导致其很容易受到风荷载影响而产生较大的动力响应，所以安全性受到极大关注。输电塔是一种高度高、外形细长、重量较轻以及刚度

3、较小的高耸柔性结构[2]，这些特点使得风荷载成为了输电塔在设计过程中主要考虑的因素。近些年来，输电塔受大风影响坍塌破坏的事故不断出现[3]。风致输电塔破坏已经成为其坍塌的关键因素。2002年7月至今，辽宁省数次受天气影响发生输电塔坍塌事故，引起辽宁电网500KV辽沙I、Ⅱ线，丰徐I线和Ⅱ线220KV线路系统瘫痪。2005年5月青海贵德县的输电线路系统受强风影响，出现倒塌事故，使输电塔塔基毁坏(如图1-1所示)。2005年，美国受飓风天气影响也多次出现了输电塔倒塌事件。.........1.2输电塔结构国内外研究进展输电塔主要用来支撑高压送电线路，各个

4、国家的施工工艺基本类似，多使用热轧等肢角钢为主，并通过螺栓进行连接。输电塔根据其受力特点以及稳定性一般分为拉线式和自立式铁塔。拉线式铁塔通常用在电压等级不太高的输电线路中，其主要特征为塔身与基础刚性连接或者半刚性连接，实现受力平衡与稳定则主要通过拉线固定塔架，并在架设过程中通过利用钢绞线的抗拉性能特点可以减小所需材料的用量，但是在相关理论、稳定性、占地面积以及结构位移等方面还有待改善[4]。自立式铁塔则与拉线式铁塔有显著不同，其主要特征是实现塔身与基础刚性固定，使塔所承受的力都传递给基础。两者的电缆搭置方式也存在差异，拉线式铁塔一般分为能纵向自立的内

5、拉门塔型和呈水平搭置的V字型、八字型以及呈三角形搭置的猫头型、鸟骨型、上字型等[5]；自立式塔架(如图1-2所示)一般分为呈水平搭置的鼓型、酒杯型以及呈三角形搭置的猫头型、鸟骨型、上字型、干字型等[6]。输电塔的主要杆件通常划分为主材、斜材以及辅助材三种。主材又被称为弦杆，具有截面尺寸相对较大、刚度也较大，一般在节点处不断开等特点，是主要的受力杆件。塔脚起固定作用，并将整座塔的荷载传到塔基。.........第2章输电塔风荷载的数值模拟2.1前言风是由空气流动而形成的，通常是从高压区流向低压区。因此，有风就会有风速的产生。空气在流动的过程中遇到某一建

6、筑物时会受到阻碍从而形成高压气幕，它会使风速减小，该建筑物所受的压力也会随之减小，也就是说，高压气幕起到了一定的缓和作用。若该建筑物前空气的流动速度处于一直减小的状态，后面流动过来的空气则会带动建筑物前气流的速度而使其变得更大，这样该建筑物前就再次出现了高压气幕。风压会随着风速的变大而变大，这样作用于某一建筑物时可能会使其发生偏移，甚至会出现在偏移位置振动强烈等状况。风荷载对比较高的建筑物的作用较为明显，如输电塔、烟囱、电视塔等，是建筑物所承受的其中一种侧向荷载。若建筑物的自振周期与风的卓越周期(一般为20～60s)趋于一致，风对建筑物的作用则会更加

7、明显。输电线塔、烟囱、电视塔、大跨度悬浮桥等自振周期与风的卓越周期非常接近，一般都在0.05～1Hz之间，所以这些结构极易受到风荷载的影响而出现大的振动响应。因此，在输电塔的设计工作中，对风荷载的研究必不可少，且应该将其作为着重考虑的控制荷载。本章以某一输电塔结构为研究对象，基于该结构在风场中的几何特性，借助AR法模拟得出其相应的脉动风速时程曲线，并与目标风速谱Davenport进行对比分析，为后面章节研究输电塔的风振响应问题提供基础。.........2.2风荷载的基本特性在进行工程结构的设计工作中，考虑到作用在其上的风力时常借助风压来表示，它随风

8、速的变大而变大。一般情况下，在不同高度处的平均风速大小不一，因此，各个地区在进行平均风速的测量时需要在同一个