特高压大跨越输电塔关键技术研究

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2018/5/8来源:《电力设备》2017年第36期文/许乃文 任虹 曾颖 靳涛
[导读]摘要:近些年来,高压、特高压输电技术不断进步,远距离和大容量的特高压输电线路正在大规模建设。

        (辽宁省送变电工程有限公司  辽宁沈阳  110021)
        摘要:近些年来,高压、特高压输电技术不断进步,远距离和大容量的特高压输电线路正在大规模建设。我国具有大江大河和高山深谷多的地理特点,输电线路不可避免地穿越这些地方。当跨越较宽的江河或深谷时,输电铁塔档距达到上千米,高度超过百米。由于大跨越输电塔结构自身体型庞大,承受荷载也大,传统角钢塔无法满足其承载力的要求,而钢管塔具有构件截面力学性能好、风阻系数小、杆件数量较少和外形简洁等优点,因此大跨越输电塔通常采用钢管塔结构型式。
        关键字:特高压;大跨越输电塔;关键技术
        1输电塔概述
        输电塔主要用来支撑高压送电线路,各个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。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。
        2输电塔的风振响应分析
        输电塔结构受风荷载作用的影响可能会产生顺风向响应、横风向响应以及扭转响应。输电塔通常是质量中心与刚度中心互相重合的双轴对称结构,多数情况下可以不考虑其扭转响应。输电塔的风振响应一般以顺风向响应为主,其横风向响应通常是在顺风向响应的基础上进行分析。时域法和频域法是进行结构动力响应分析主要的两种方法。其中频域法并不适用于输电塔这类高耸塔架结构,主要是因为频域法具有一定的局限性,例如,频域法不适合对非线性问题进行分析,且若通过结构的振型叠加求解结构的动力响应问题时容易出现振型截断能量损失的情况等,这些限制因素共同影响了频域法对输电塔结构进行分析的准确性。而时域法避免了频域法无法考虑非线性的不足,可以直接求得结构运动微分方程的解,精确地得到风振时程响应过程。因此,将采用时域法进行输电塔风振响应相关问题的求解。
        3大跨越输电塔杆端次弯矩研究
        大跨越输电塔采用钢管构件,由于钢管构件规格较大、主材法兰连接、节点板较厚、连接螺栓较多和节点构造复杂等因素影响使得节点刚性强于常规输电塔,杆件端部受到很大的嵌固作用,节点限制杆件间夹角的变化,造成杆件弯曲,由此产生的杆件弯矩具有二阶效应,称为次弯矩。采用有限元软件ABAQUS建立大跨越输电塔的有限元模型,并考虑几何非线性,研究了杆端次弯矩对构件的应力的影响。弯矩对关键杆件的影响极为明显,不容忽视。因此,进行大跨越输电塔设计时应对变坡处和塔腿处等弯矩较大位置留一定余度。此外,大跨越输电塔杆端弯矩的大小与其长细比有关,当钢管的长细比较小时,弯矩产生的应力较大。因此,对于大跨越输电塔设计时,在满足强度和稳定性要求的同时,宜选用径厚较小的杆件,获得较大的长径比,以使计算模型符合实际受力情况。当构件长细比不满足要求时,需通过有限兀软件,米用梁杆混合单兀对结构进行校核,确保大跨越输电塔的安全性。
        4大跨越输电塔节点设计研究
        节点是大跨越输电塔设计中的重要环节,关系到整个结构的承载能力和安全性。由于节点构造复杂,受力性能和破坏机理还不清楚,简化成符合实际受力的计算模型比较困难,设计规范中也未给出已有全部节点型式的计算方法,因此这也是设计中的难点。在大跨越输电塔的设计中,主要采取三种连接方式:法兰连接、插板连接和相贯焊接。
        刚性法兰实验表明,法兰盘的破环包括法兰板变形过大,法兰钢管被拉断和焊缝破坏三种情况。按照“强节点弱构件”的要求,首先要严格控制法兰板与钢管的连接焊缝质量,使焊缝部位与主体金属等强,避免出现焊缝破坏。同时,要按照规范要求,控制法兰盘厚度不小于16mm。法兰板厚度过小,法兰板上的应力集中现象越明显,容易产生过大的塑性变形,引起法兰板破坏。因此,为充分发挥法兰盘的塑性变形能力和承载力,应控制法兰盘的最小厚度。
        插板连接主要用于斜材之间以及斜材和主材之间的连接。插板连接具有能自由调整节点板尺寸,连接简单,易于保证施工质量等优点。对于受力较小的构件采用槽型插板连接,受力较大的构件采用十字插板连接。插板节点的破坏主要由主管管壁塑性变形过大和节点板局部屈曲造成。防止节点板局部屈曲的措施主要是增大节点板平面外的刚度,一般通过增加节点板厚度或设置加劲肋的方式实现。主管局部变形的主要原因是节点板对主管的附加弯矩作用所导致的节点板与主管交界处的局部应力,剪力造成的影响相对较小。计算表明,节点板厚度与主管厚度比的增大对提高主管抵抗变形能力的影响不大。主管所受轴向压力会加大节点的局部变形,降低节点的承载力;主管所受轴向拉力较小时会对提高节点承载力,主管所受轴向拉力较大时会降低节点承载力。节点板端部主管管壁是整个节点部位的最危险区域,可采取在节点板端部焊接环向短肋等加强措施,提高插板连接的承载力。
        4基于动力特性的输电塔动力优化设计
        4.1动力优化问题的提出
        根据动力特性的计算结果,可以很直观地看出结构的振动形态并快速确定出结构中可能存在的薄弱环节。固有频率和振型是输电塔承受动力荷载设计时的主要参数。由于特高压输电塔的高柔特性,其在风荷载作用下的振动常表现出多振型的共同作用效应,但总体来讲仍以低阶振型贡献为主,特别是第一阶振型的形式对输电塔整体的动力响应特征起着决定性的作用。一般来讲,输电塔设计时,体现脉动风效应的风振系数是基于整体的侧向弯曲振型进行计算的,扭转振型和结构局部振型的过早出现将会对结构产生不利的影响。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)3.4.5条规定,结构扭转为主的第一周期TI与平动为主的第一周期T,之比,A级高度高层建筑不应大于0.9;B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及复杂高层建筑不应大于0.85。与高层结构一样,输电塔的设计中也要求扭转频率不能提早出现,更应该避免第一阶振型即为扭转振型。
        4.2优化数学模型
        优化分析是将系统构造成带有设计变量的数学模型,通过设计变量的选取来实现设计要求,并满足设计中所受到的限制。建立数学模型是优化设计的基础,结构优化有三个要素:设计变量、目标函数和约束条件。目标函数:使输电塔的一阶扭转频率和一阶弯曲频率的比值大于要求的限值,同时控制塔身的局部振型。设计变量:根据动力特性分析得到的各振型图,结合输电塔实际的受力,确定出结构可能的薄弱环节,以影响该薄弱环节的结构参数为基本的优化设计变量。设计变量为根开、变坡宽度、瓶口尺寸和交叉材规格等。约束条件:对根开、瓶口尺寸、变坡宽度等尺寸变量,主要是满足电气间隙和受力合理等要求,交叉材规格的变化则是在满足受力的情况下,以合适的长细比限值来控制。
        结语
        本文基于实际工程,建立了大跨越输电塔有限元模型,计算了大跨越输电塔的风振系数,研究了杆端次弯矩对构件应力的影啊,论述了节点设计要点和连接方式要注意的事项。
        参考文献:
        [1]李喜来,董建尧,段松涛.特高压输电线路钢管塔设计关键技术与试验研究[J].特种结构,2012,29(4):1―6.
        汪楚清,王虎长,李亮,等.大跨越输电钢管塔结构多尺度有限元分析[J].工程力学,2013,30(7):147―152,166.