特高压拉线塔非线性静动态特性分析

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拉线塔需要靠柔度较大的拉线保持稳定,这导致拉线塔具有小应变大位移的非线性特性,并且其力学特性与自立塔显著不同。结构轻便、高柔度、强非线性的特高压拉线塔的分析、设计理论与方法,是输电工程技术人员关心的热点问题。因此研究特高压拉线塔的非线性静动态特性分析理论,具有重要的理论价值和现实意义。本文分析了拉线的非线性静动力特性,给出了适合特高压拉线塔拉线的有限元分析方法,以某工程中推荐使用的特高压单柱拉线塔为例,研究了该拉线塔的非线性静动力特性及风振响应。本文的主要成果有:(1)推导了描述拉线弦向变形与受力关系的状态方程,给出了拉线对主柱支撑刚度的定量描述,并讨论了拉线的非线性静力特性;建立了拉线的动力分析模型,推导其自由振动方程,求解其自振频率和振型,并讨论了拉线的动力特性。(2)结合特高压拉线塔拉线的静力特性,分析了基于双线性杆单元的拉线精细化有限元模型,提出了基于多分段线性杆单元的拉线整体简化有限元模型,结合工程实例分析计算并与理论解进行了对比研究。结果表明:基于多分段线性杆单元的拉线整体简化有限元模型具有较高的精度和效率,是进行特高压拉线塔拉线静力有限元分析的有效方法。(3)采用基于多分段线性杆单元的整体简化模型模拟拉线,建立了特高压单柱拉线塔的有限元模型,研究了拉线塔在大风载荷状态下的结构受力特性,提出了拉线塔拉线临界初应力的概念,并讨论了拉线初应力对拉线塔受力性能的影响规律。结果表明:特高压单柱拉线塔主柱在顺风向产生了绕主柱底端铰接点的刚体转动,同时发生了弯曲变形;提出的拉线临界初应力的概念,有助于理解和描述拉线初应力对拉线塔受力的影响规律。(4)建立了基于双线性杆单元的拉线精细化模型,分析了拉线的动力特性;在此基础上,建立了拉线塔的动力特性有限元分析模型,研究了拉线初应力对拉线塔动力特性的影响;针对特高压单柱拉线塔的结构特点,研究了其扭振机理。结果表明:特高压单柱拉线塔拉线系统的第一阶振型为整体绕主柱中心线的扭转振动;提出了特高压单柱拉线塔的两自由度扭振模型,通过该模型计算得到的扭振频率,与精细化有限元模型的结果相当吻合。(5)采用基于双线性杆单元的精细化模型模拟中间拉线塔的拉线和导地线,采用基于多分段线性杆单元的整体简化模型模拟两侧拉线塔的拉线,建立了三塔四线塔线体系有限元模型,采用Newmark法分析了拉线塔的风振响应时程规律。结果表明:在90。大风作用下特高压单柱拉线塔产生了绕主柱轴线的扭转共振;拉线塔风振响应的顺风向节点位移、主材轴力、斜材轴力的最大值,均远大于静态等效风载荷作用下的相应值。
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