典型输电塔气弹模型设计及动力特性研究

输电塔结构受到风荷载激励,极易引起其气动弹性失稳,造成大幅振动,严重威胁着输电线路安全稳定运行。为研究高压输电塔结构风振动力特性,以某典型输电塔为原型,按照结构动力学相似准则,采用一种新型设计方法制作输电塔气弹模型,并利用有限元分析软件以及相关测试系统对其进行动力学分析,验证气弹模型的准确性。最后,进行不同风速和风向角下的气弹模型风洞试验。试验结果表明:输电塔模型的响应随风速增大而增大;输电塔横风向响应显著;通过对试验结果的对比分析,揭示了典型输电塔结构动力特性和风振响应特点,为高压输电线路抗风设计及改造提供依据。     

格构式输电塔结构多质点简化模型研究

采用“串联多质点系”力学模型,建立了典型500kV酒杯型输电塔和鼓型输电塔简化模型。根据高频动态测力天平风洞试验结果,计算了输电塔简化模型的风致响应,与根据实际结构有限元模型的结果进行了比较,对简化模型的计算误差及适用性进行了分析。结果表明,简化模型不适合用于格构式结构局部杆件的响应分析,但在计算反映结构整体特性的响应时具有较高的精度。     

大跨越输电塔-线体系的平面内塔-线耦合效应与TMD减震控制研究

建立了典型的大跨越输电塔-线体系的有限元模型,分析了独立塔和大跨越塔-线耦合体系的动力特性,基于"模态组"概念,通过两者动力特性的对比研究了大跨越输电塔-线体系的塔-线耦合效应,结果表明塔-线耦合效应对大跨越输电塔动力特性有较大影响。分别基于独立塔和塔-线耦合体系的动力特性对两个调谐质量阻尼器(tunedmass damper,TMD)的参数进行了优化,对两个TMD方案在地震动激励下的减震控制效果进行了对比。结果表明,大跨越塔-线耦合体系与独立塔的动力特性存在很大差异,在大跨越输电塔-线体系TMD减震控制中考虑塔-线耦合效应,能够更好地发挥TMD振动控制的作用。     

一种组合式屈曲单元及其在输电塔结构倒塌仿真分析中的应用

为准确模拟输电塔构件的屈曲特征,该文提出了一种组合式屈曲单元。该单元基于有限元基本理论,用宏观塑性铰来实现构件材料的非线性,采用拉压弹簧模拟轴向塑性伸长,采用转动弹簧模拟塑性弯曲。基于MATLAB程序编写了该单元的静动力仿真程序,并应用于输电塔结构的静力推覆分析和倒塌仿真。通过对比自编程序和ABAQUS软件的仿真结果,验证了自编程序在几何非线性和动力求解方面的正确性;同时与钢支撑实验数据对比,验证了该组合式屈曲单元对非线性行为模拟的精确性和适用性;采用该单元对输电塔足尺实验进行了模拟,结果表明,该组合式屈曲单元可以有效地预测输电塔的极限承载力、失效位置及倒塌过程。     

螺栓连接对基础非均匀沉降输电塔的影响研究

对传统结构分析软件分析输电塔在基础非均匀沉降工况下已经破坏,而现实中仍在正常运行的情况。首先,通过试验研究了输电塔中有代表性的螺栓连接接头特性,把试验得到的螺栓连接接头的位移-载荷关系曲线引入到输电塔的有限元模拟中,并且考虑了连接偏心的影响。其次,通过对输电塔的位移、应变和倾角的测量,给出了输电塔在基础非均匀沉降时的受力-变形特性。最后,基于ANSYS开发了滑移梁模型和偏心滑移杆模型,改进了现有的螺栓滑移引入方法,并将数值分析结果与试验结果进行了对比。研究结果表明:螺栓滑移在塔腿中产生附加内力,引起结构内力的重新分布,并且在相同载荷作用下增加了输电塔的变形量;考虑螺栓连接影响的有限元模型分析结果更加接近真实测量值;滑移梁单元模型不仅能够更好地反映输电塔的受力变形特性,而且能够降低现有的螺栓滑移引入方法的工作量。     

高压输电塔-线耦联体系的实用简化抗震计算方法

在现阶段的输电塔线体系抗震设计计算中均不考虑导线对塔的影响,然而大量的研究表明,按照现行<电力设施抗震设施规范>设计的高压输电塔线体系在强震作用下是偏于不安全的.根据5个实际工程,分别建立了高压输电塔线体系的三维有限元模型,并且考虑导线的几何非线性,以模拟两者间振动耦联效应的模型,进而验证输电塔-线耦联体系的简化抗震计算方法.分析结果表明,在纵向振动下,塔线耦联体系有限元模型结果与简化方法计算结果吻合得比较好,最大平均误差在5%以内;在侧向振动下,塔线耦联体系有限元模型结果与简化方法计算结果相差稍大,但最大平均误差也仅约为8%,由于某个输电塔共振引起的,这样的误差在实际工程中是完全可以接受的.最后,这些结果可供编制有关输电塔体系的设计规范提供参考.     

两相邻输电塔的同步环境脉动实测试验研究

基于随机振动及系统识别理论,对两相邻自立式直线输电塔进行同步环境脉动实测,识别两相邻输电塔耦合导地线的动力特性及绝缘子在输电塔的横向和纵向的振动频率。试验结果表明：在塔两侧导地线的初始张拉力一致的情况下,相邻直线输电塔的动力特性较为接近,与输电塔档距无关;同时分析得出输电塔的阻尼比均大于《高耸结构设计规范》（GB50135－2006）规定的阻尼比0.01。由于导线的影响,测试出绝缘子在塔-线体系横向振动频率大于输电塔的振动频率,而在纵向小于输电塔的振动频率,频率的差异对输电塔-线体系在风荷载作用下的振动情况不利。     

基于位移测量的输电塔等效静风荷载研究

以输电塔气弹模型为试验对象,基于非接触式精密位移测量系统,在风洞中测量了不同风向、风速下输电塔的位移响应。采用荷载响应相关法,建立了基于输电塔气弹模型位移响应的等效静风荷载试验分析方法。结果表明:输电塔在两轴向的风振响应均以一阶模态为主,且顺风向的脉动响应要大于横风向;计算得到的输电塔顺风向等效荷载要远大于横风向,且顺风向等效荷载中平均量占优,背景次之,共振不显著;对比分析显示,该文所建立的输电塔等效静风荷载试验分析方法合理、有效。     

输电塔减震主动控制中GMM作动器的优化布置研究

利用大型分析软件ANSYS建立输电塔有限元模型,并对模型进行简化,从中提取模型的质量矩阵和刚度矩阵,然后基于遗传算法对输电塔简化模型进行自主研发的GMM（Giant Magnetostrictive Material）主动杆件布置位置的优化计算,得出不同数量的GMM主动杆件在输电塔抗震控制中的最优布置位置。同时采用LQR算法对比分析了在一维和三维El—Centro地震波作用下有、无减震控制措施的输电塔位移和加速度地震响应。通过有关参数分析计算,分析表明采取GMM主动杆件进行主动控制能明显衰减输电塔模型的地震响应,具有比较理想的减震效果。     

基于HFFB试验的特高压输电塔风振响应分析

以建设中的向家坝-上海、锦屏-苏南±800kV特高压直流输电线路工程为背景,针对输电塔风致响应复杂的特点,进行了气弹模型风洞试验及高频天平测力试验。利用高频动态测力天平基本原理,在脉动风荷载准定常假设的基础上,估计出输电塔脉动风荷载的空间分布。然后对输电塔进行风振响应分析,并与气弹模型风洞试验的结果进行了对比。计算结果表明:该方法能较好反应风荷载空间分布特性,是对高频天平测力实验局限性的一种可靠方便的扩展,并能很好的反应输电塔结构的横风向风振响应。     

Investigation of transmission line tower failures

This paper presents different types of premature failures observed during full-scale testing of Transmission line towers at Tower Testing and Research Station, Structural Engineering Research Centre, Chennai. Failures that have been observed during testing are studied and the reasons are discussed in detail. The effect of non-triangulated hip bracing pattern and isolated hip bracings connected to elevation redundants in ‘K’ and ‘X’ braced panels, on tower behaviour are studied. The tower members are modeled using beam-column and plate elements. Different types of failures are modeled using finite element software and the analytical results and the test results are compared with various codal provisions. The non-linear finite element analysis program NE-NASTRAN has been used to model the elasto-plastic behaviour of towers. Importance of secondary member design and connection detail in overall performance of the tower was studied. Non-linear finite element analysis is useful in understanding the system behaviour and for prediction of failure pattern and ultimate load. Based on the test results the importance of studying the failures is highlighted. The need for testing of transmission line towers is emphasized.     

考虑主材节点刚域影响的钢管输电塔变截面梁单元有限元模型

为了准确、快捷地计算加劲板和连接板形成的主材节点刚域对输电塔受力的影响,将考虑节点刚域影响的主材视为若干段段不同截面梁单元的组合。首先,推导了主材两端节点刚域横截面转动惯量和面积的公式;然后,根据能量原理,推导了变截面梁单元的单元刚度矩阵,并采用C++语言将它引入开源有限元软件OpenSees;最后,将主材及节点刚域采用变截面梁单元,常截面梁单元,变弹性模量梁单元及壳单元离散的有限元模型计算结果和塔架试验的实测结果进行对比。结果表明:常截面梁单元会低估主材的弯矩和最大正应力,而变弹性模量梁单元会低估输电塔的挠度,均会使设计偏于不安全;变截面梁单元和壳单元的计算结果均实测结果很接近,但前者计算量远小于后者。可见:变截面梁单元有限元模型兼顾了计算效率和精度。     

导线覆冰脱落的数值模拟和参数分析

导线覆冰脱落产生的纵向不平衡张力会严重威胁到输电线路的安全。在塔线体系模型基础上利用冰单元的生死模拟导线覆脱冰,通过与以往的模型试验比较验证该模拟方法的适用性,进行建模参数的敏感性分析以确定合适的计算模型,最后进行导线脱冰的参数分析。计算结果表明,脱冰前输电塔的基底剪力和基底弯矩为零,脱冰后两者大幅增加,且越靠近脱冰档数据越大。当档距越大、覆冰越多、脱冰位置越靠中间和脱冰比例越大时,脱冰响应越显著;当导线的初始张力越大时,脱冰响应越小。     

高压输电塔同步环境脉动实测分析与对比

基于随机振动及系统识别理论,对两相邻直线输电塔和两相邻转角输电塔进行双向同步环境脉动测试,并对实测结果进行了分析与对比。实测结果表明,直线杆塔的前三阶振动分别为沿导线方向和垂直导线方向的平动及扭转振动。与转角塔相连的输电塔与两相邻直线杆塔的杆件型号、材料完全相同,而该塔动力特性与直线杆塔相比,其频率增加,阻尼比减小了。阻尼和刚度的变化在一定程度上影响着输电塔-线体系的风振系数,最终引起输电塔-线体系的风振反应发生变化。而转角输电塔位于两个方向的转角处,其位置特殊,加上其结构本身的不对称性,分析得到该转角输电塔的前几阶振动形式为扭转振动和纵横向的耦合振动。     

基于向量式有限元的输电塔风致动力响应研究

该文以某大跨越格构式输电塔风致响应为例进行向量式有限元的应用分析,采用C++语言编写杆系结构向量式有限元的计算程序,获得输电塔的响应并与传统有限元结果进行比较,探讨阻尼处理方法和计算步长对计算结果的影响,最后针对输电塔进行风荷载作用下的倒塌分析。研究表明,两种方法算得的位移响应非常接近;向量式有限元法的计算效率比传统有限元高,该文算例中计算时间相差约20倍;计算步长对有限元计算结果有影响,建议计算时进行试算;向量式有限元可以用来求解输电塔的倒塌问题。     

超大型冷却塔风致倒塌全过程数值仿真与受力性能分析

历史上强风作用下大型冷却塔风毁事件多次发生,现有研究关注的重点大多为风致塔筒局部强度超限或失稳破坏,均忽略了由局部损坏引发的整体连续倒塌破坏的后续现象,且难以揭示大型冷却塔风致倒塌过程及作用机制。鉴于此,基于计算流体动力学（CFD）与显式动力分析算法（LS-DYNA）技术提出了大型冷却塔风致倒塌全过程数值仿真模拟方法,并以山西潞安电厂世界最高220 m超大型冷却塔为例,建立了考虑材料非线性塔筒-支柱三维有限元模型,并分析了结构动力特性;基于显示动力时程分析方法,加载基于CFD获得的塔筒三维平均风压进行拟动力分析,数值再现了超大型冷却塔风致倒塌全过程;研究了塔筒应力分布变化规律与倒塌全过程的扭曲变形姿态等特征,提炼出冷却塔风致倒塌的受力特点与作用机制,并讨论了单元失效参数的影响。结果验证了该文数值方法可以有效模拟超大型冷却塔风致倒塌全过程;其倒塌过程始于塔筒喉部迎风面大变形,并在两侧30°范围内呈现褶皱现象,最终因变形不协调而相互牵扯垮塌。研究表明,强风致超大型冷却塔倒塌受力机制可划分为弯拱机制与悬绞线机制,材料模型的单元失效参数对于超大型冷却塔风致倒塌的影响不可忽略。     

Static and dynamic characteristics of multi-cell jointed GFRP wind turbine towers

An extensive research project is currently being carried out at the University of Manitoba, Canada, involving the development of glass fiber-reinforced polymer (GFRP) wind turbine towers. The towers consist of multi-cell segments, each segment constructed from eight filament wound cells jointed together with resin applied over their interface. The present paper mainly addresses the static and dynamic characteristics, such as failure static loads, modes of failure, fundamental frequencies and periods of such segmented composite towers. Both experimental and numerical results are presented. The experimental investigation involved the testing of two jointed scaled towers. These specimens had a total height of 4.88-m (16-ft) and were tested as cantilevers under static and dynamic loading. The testing was conducted at the W.R. McQuade Structural Engineering Laboratory of the University of Manitoba. Finally, finite element models were developed to analyze the structural behavior, static and dynamic, of single and multi-cell composite segments and towers. The results from the finite element models under static loading were validated through comparison with the experimental results.     

Numerical modelling of the boundary conditions on beams stuck transversely by a mass

In this paper, numerical results of a drop weight impact test examining the dynamic response of a clamped steel beams struck transversely at the centre by a mass with a rectangular indenter are presented. The numerical simulation showed that the results are very sensitive to the way in which the supports are modelled and thus this paper studies the modelling of the structural supports used to clamp the specimen beam in the experiment. The first approach simplifies the structural support as boundary condition on the nodes; the second model represents the entire support as the real approximation; the last approach uses simplified support plate model acting with the beam to simulate the experimental set up. The complete force-displacement curve is used to compare the plastic deformation of the impacted beams, thus the best approximation is selected for further calculations. The finite element model was performed using the LS-DYNA non-linear, dynamic finite element software. The numerical calculations can predict accurately the response of deflections, forces and absorbed energies, when proper boundary conditions are applied, in this case with shell elements representing the support plates.