【摘 要】
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变电构架避雷针结构作为变电站的重要组成部分,对保护变电设备免遭雷击影响具有重要的作用,然而近些年中,构架避雷针结构的断裂事故偶有发生,在一定程度上引发了直接或间接经济损失。现有研究结果表明,疲劳破坏是导致事故避雷针断裂的主要原因。因此,本文以某500kV变电站出线侧构架避雷针断裂倒塌事故为背景,对构架避雷针结构的承载能力和疲劳寿命展开了研究,定量分析了风振与残余应力对结构疲劳寿命的影响程度,为变电
【基金项目】
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郑州大学青年教师自然科学基础研究培育基金项目（JC21539028）；
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变电构架避雷针结构作为变电站的重要组成部分,对保护变电设备免遭雷击影响具有重要的作用,然而近些年中,构架避雷针结构的断裂事故偶有发生,在一定程度上引发了直接或间接经济损失。现有研究结果表明,疲劳破坏是导致事故避雷针断裂的主要原因。因此,本文以某500kV变电站出线侧构架避雷针断裂倒塌事故为背景,对构架避雷针结构的承载能力和疲劳寿命展开了研究,定量分析了风振与残余应力对结构疲劳寿命的影响程度,为变电构架的加固及检修周期提供了参考。具体的研究内容及结论如下:（1）建立了包含焊缝的构架避雷针多尺度有限元模型,并根据静力试验结果对模型进行了验证。在静力试验的基础上采用有限元模拟的方式对加固前后构架避雷针相贯节点的承载能力进行分析,从静力学的角度评价相贯节点及加固方案的合理性。分析结果表明,未加固的构架避雷针相贯节点的应力集中现象严重,节点承载力较低,构造不合理;加固后构架避雷针相贯节点的承载力有了极大的提高,节点应力集中现象得到了明显的改善。（2）运用有限元模拟的方式对构架避雷针相贯节点的焊接全过程进行模拟,同时采用焊后热处理法对节点焊接残余应力进行了消除,分析消残前后构架避雷针相贯节点的焊接残余应力场。（3）在热点应力法的基础上对疲劳寿命分析方法进行了改进,提出了一种考虑残余应力的疲劳寿命分析方法,并对构架避雷针结构在考虑残余应力下的疲劳寿命进行了计算。采用有限元模拟与风洞试验相结合的方式,将节点残余应力场作为有限元分析的初始应力场,结合风洞试验得到的应变响应时程数据,基于线性疲劳累积损伤理论和疲劳强度S-N曲线,综合考虑场地的风速风向信息,计算构架避雷针结构的疲劳寿命。（4）对构架避雷针结构在6种不同残余应力消除比例工况下的疲劳寿命进行计算。计算结果表明,焊接残余应力对结构的疲劳寿命有较大的影响,随着残余应力消除比例的增大,结构的疲劳寿命逐步提高。然而无论是否考虑残余应力,构架避雷针相贯节点的疲劳寿命均低于规范要求的设计使用年限,在实际工程中,建议在服役5年内及时对使用此类节点的变电构架进行检修及加固。（5）对加固后结构的疲劳寿命进行计算,从疲劳性能的角度评估加固方法的可行性。计算结果表明,加固后的构架避雷针结构在设计使用年限期间不会发生相贯节点的疲劳破坏,这种加固方法可以显著提高构架避雷针相贯节点的疲劳性能,加固方法高效便捷,可以应用于此类节点的工程加固。
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