输电铁塔在冰风耦合作用下失效概率分析

覆冰灾害严重威胁输电线路的安全运行。在冰灾过程中,往往伴随着风荷载的作用,为提高输电塔抵御覆冰灾害的能力,提出了一种基于Jones覆冰模型的输电铁塔失效概率评估框架。首先以湖南郴州、永州、邵阳3市气象站数据为基础建立了超级站,在此基础上利用Copula函数建立了考虑冰厚-风速、风速-风向相关性的联合概率分布,最后以一条实际输电线路为算例,计算了该线路铁塔在冰风荷载耦合作用下倒塌状态的失效概率。结果表明,提出的方法可以有效地评估输电塔在冰风耦合作用下的失效概率,考虑冰厚-风速、风向-风速相关性后,输电塔失效概率的计算更加科学合理。受风向概率的影响,输电塔失效概率的最大值出现的角度并不固定,该文章可为输电线路抗冰灾设计提供参考。

不同参数条件下双螺母螺栓连接松动过程的实验研究

针对工程中常见的双螺母螺栓连接,建立了螺栓上下螺母拧紧力矩与预紧力之间的关系,并验证了其正确性,通过横向振动实验得到了不同参数条件下双螺母螺栓连接剩余预紧力的百分比,分析了在横向载荷作用下振动幅值以及上下螺母拧紧力矩配比对双螺母螺栓连接松动的影响,给出了双螺母螺栓连接中上下螺母的最佳拧紧力矩配比,分析了双螺母螺栓连接螺纹磨损机理。

输电塔螺栓搭接节点滞回性能试验研究

在输电塔受力振动期间,节点往往承受往复荷载的作用。为研究输电塔典型螺栓节点在往复荷载作用下的力学性能,设计了21组典型螺栓节点试件。通过进行3组单调加载试验及18组低周往复荷载试验,得到了节点试件的荷载-位移曲线,研究了荷载类型及节点参数对螺栓节点力学性能的影响,并分析了节点在往复荷载下的力学行为。结果表明:荷载的类型对节点的破坏模式以及滑移荷载影响不大,主要影响了节点的极限荷载以及其相对应的位移;螺栓在螺孔中位置的不确定性以及多螺栓行为不一致性导致了试验与模拟结果之间的差异;螺栓节点的强度随着螺栓规格和等级的增加而增大,但孔距对其影响较小;节点的极限承载力随着螺栓数量的增加而增大,但并不都是呈线性增加。所得结果为输电塔力学分析提供参考。

火灾环境下特高压钢管塔的最小安全距离研究

为了得到森林火灾时特高压钢管塔与火场的最小安全距离,进行了森林火场火灾动力学模拟计算;研究了不同火灾场景下特高压钢管塔主材的最高温度的变化规律、火场对主材的传热规律,得到了不同高度处主材的屈服强度折减系数,给出了主材构件失效准则;研究了常遇风速下特高压钢管塔的失效规律。研究结果表明:在特高压钢管塔与火场的距离小于14m时,其主材局部可能会发生失效;在垂直高度50 m处,主材所受热辐射强度最强,主材温度也最高;在主材与火场距离由14m过渡到13m的过程中,其屈服强度下降幅度由12%变为36%;主材与火场距离大于15m时,虽然材料屈服强度受到高温影响会有所折减,但仍满足标准要求。故最小安全距离建议取15 m。

螺栓连接滑移的不确定性对输电铁塔结构内力的影响研究

输电铁塔中螺栓连接节点的连接滑移现象十分普遍,并且其载荷-变形过程具有很大的不确定性,传统输电铁塔分析方法常常采用空间桁架模型计算结构内力,有时不能准确反映输电铁塔中构件的真实受力情况。以输电铁塔的塔身部分为研究对象,考虑螺栓连接滑移的影响建立了塔身模型的参数化有限元模型,确定了随机输入变量和输出变量,并采用拉丁超立方抽样方法,通过直接蒙特卡洛模拟,得到了弯曲和扭转载荷工况下输电铁塔结构内力,研究了螺栓连接滑移对铁塔结构内力的影响规律。通过研究发现:考虑螺栓连接滑移不确定性影响后,杆件轴力大于空间桁架模型计算结果的概率有时很大,尤其是在扭转载荷工况条件下,斜材轴力大于空间桁架模型计算结果的可能性甚至会超过75%;不同载荷工况条件下,螺栓连接滑移对杆件轴力的影响程度也不相同,在弯曲载荷工况条件下,螺栓连接滑移对主材轴力的影响相对较小,而对斜材轴力的影响相对较大,在扭转载荷工况条件下,螺栓连接滑移对载荷所在侧面的斜材轴力影响较大,而对另外两个侧面的斜材轴力影响相对较小;实际工程中可以按照不同的载荷工况以及杆件所处的位置,对采用空间桁架模型计算得到的杆件轴力进行修正,以考虑螺栓连接滑移不确定性的影响,保证构件设计阶段所用轴力的可靠性。

输电铁塔主材角钢的低温拉伸和冲击试验

低温会影响输电铁塔钢材的力学性能,容易导致塔材的脆性断裂事故,危及铁塔乃至整个电力系统的安全。笔者针对Q345B和Q420C高强度钢材角钢及其焊接接头,通过低温拉伸试验和夏比冲击试验,研究了不同材质、不同厚度角钢及其焊接接头的低温力学性能。结果发现,Q345B角钢和焊接接头、Q420C角钢和焊接接头的韧脆转变温度分别为-2.59,-15.28,-32.33和-6.76℃,低温会使4种钢材的的抗拉强度和屈服强度均有所提高,在-45℃的高寒地区的输电铁塔,选择Q420C角钢可以满足设计要求,但是应该尽量避免对Q420C进行焊接处理。

钢轨中超声导波模式激励方法研究

超声导波具有传播距离长、探测范围大的优点,可应用于铁路快速、远距离的检测。较为单一导波模式的激发和传播有利于信号处理和损伤识别。本文基于正交模式展开方法对钢轨中较单一波模式的激励方法开展研究,给出考虑切向激励的横截面振幅因子经验公式,分析不同位置激励时钢轨中不同导波模式的振幅因子;通过有限元仿真对激励方法进行验证,使用上述激励方法对轨头和轨底缺陷进行检测,结果表明该激励方法激励的波模式较为单一,可明显识别伤损回波信号。该方法可用于开发适用于损伤识别的单一波模式激励策略,显示无损检测和结构健康监测应用的潜力。

含螺栓连接输电铁塔主材的承载性能研究

输电铁塔主材与主材之间通过螺栓节点进行连接。大量输电铁塔倒塌事故大多是由于主材发生了破坏,且破坏位置距节点位置较近。为了保障输电铁塔有良好的承载性能,研究含螺栓连接输电铁塔主材的力学性能尤为重要。以220 kV的ZMC2输电铁塔的主材节点部位为研究对象,建立了含螺栓连接主材构件的有限元模型,分析了长细比、螺栓直径、螺栓预紧力、螺栓松动个数和主材装配间隙等参数对构件极限承载力的影响。结果表明:由于螺栓连接的存在,含螺栓连接主材的极限承载力相对于不含螺栓连接主材下降了35%左右,且长细比越小,主材极限承载力下降幅度越大。

输电铁塔十字形夹具式主材加固方法研究

格构式输电铁塔主要以单角钢作为主材。大量输电铁塔倒塌是由于铁塔的塔腿主材部位发生失稳。因此,对存在安全隐患的输电铁塔主材进行加固补强尤为重要。以单根主材为研究对象,应用十字形夹具式主材加固方法,建立了主材加固前、后的有限元模型,分析了夹具数量、夹具间距、副主材长度、螺栓预紧力和摩擦系数等参数对主材极限承载力的影响规律。结果表明:随着夹具间距的减小和夹具数量的增多,主材极限承载力先逐渐增大后趋于平缓;副主材长度过短起不到加固的作用,建议副主材长度不小于主材长度的1/2。

开/合角等边角钢的整体稳定性和经济性分析

角钢具有储存、运输方便,节点构造简单的特点,因此在输电铁塔结构中得到广泛应用。为了构造方便,新型非四边形截面杆塔采用等边角钢时需要对角钢进行开/合角处理,而角钢开/合角会改变其截面特性,因此研究开/合角等边角钢轴心受压时的稳定性和经济性对于新型非四边形截面杆塔的设计具有重要意义。采用逆算单元长度法并结合ANSYS非线性屈曲分析,计算了开/合角等边角钢的柱子曲线,经过拟合给出了轴心受压开/合角等边角钢的稳定系数与长细比的关系,通过ANSYS分析结果、试验结果与逆算单元法计算结果的对比分析,研究了等边角钢开/合角后的整体稳定性和力学性能,给了开/合角角钢经济性的评价指标,研究了开/合角等边角钢的经济性,所得结论对于新型非四边形截面杆塔的合理选材具有理论指导意义。

横向载荷作用下螺栓连接松动过程仿真研究

工程中,螺栓连接节点常常受到交替变化的横向动态载荷作用,螺栓预紧力会降低而发生松动,从而改变螺栓连接乃至整个结构的固有力学特性,影响设备的安全运行。针对承受横向载荷作用的螺栓连接节点,建立了考虑螺纹的精细化螺栓连接模型,通过有限元仿真得到的螺栓连接节点滞回曲线、螺纹接触状态以及螺栓预紧力的变化曲线对循环载荷作用下螺栓连接节点的松动过程进行了分析,研究了摩擦系数对螺栓连接节点松动过程的影响,给出了其影响规律。

角钢塔中斜材的布置方式对其极限承载力的影响研究

采用通用有限元分析软件ANSYS,对角钢塔中不同布置方式的斜材进行有限元分析,使用壳单元建立4种斜材布置方式的有限元模型,考虑节点板厚度的影响,经过非线性屈曲分析得到各构件的极限承载力。通过对4种布置方式下构件极限承载力的比较发现,斜材布置方式对构件的极限承载力有较大影响,采用现行规范计算得到的构件承载力有时会过于保守。

输电铁塔主材螺栓连接节点滞回性能研究

针对输电铁塔中典型的主材双肢螺栓连接节点,考虑主材节点中螺栓与螺栓孔间为最小间隙、正常间隙和最大间隙三种不同情况,通过有限元仿真分析,研究了主材节点在循环载荷作用下的滞回性能,获得了节点的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线和耗能系数曲线。给出了螺栓构造间隙对节点滞回曲线的影响规律,为输电铁塔动力响应分析提供了理论基础。

螺栓连接滑移对输电铁塔力学性能的影响研究

为了施工和安装方便,输电铁塔节点构造时多采用普通螺栓连接,螺栓预紧力较小,容易产生螺栓连接滑移。对于输电铁塔这种超静定结构,螺栓连接滑移将影响构件的内力分布和铁塔的整体刚度特征。采用一种简化的螺栓连接滑移模型,在输电铁塔分析时引入了螺栓连接滑移的影响,分别对5种不同载荷工况下螺栓连接滑移对构件内力及铁塔整体位移的影响进行了研究。结果表明:当铁塔整体受到以弯曲为主的载荷作用时,螺栓连接滑移对整个铁塔变形的影响不大;而当铁塔整体受到以扭转为主的载荷作用时,螺栓连接滑移对铁塔变形影响很大;螺栓连接滑移对构件内力的影响随着载荷工况的不同而变化,但影响最大的杆件均位于塔头位置。

基于雨流计数法的锅炉汽包寿命实时监测

建立了汽包温度场、应力场监测模型,基于从电厂DCS(分布控制系统)中取出的锅炉汽包启动数据,通过有限元分析确定汽包的危险点,并修正了该点的应力集中系数,给出了汽包瞬态温度场计算的隐式差分方法和危险点的当量应力计算公式,改进了雨流计数方法,提出了采用应力稳定原则作为判定汽包启停状态结束的准则,统计每次启停过程中不同应力幅的循环次数,并据此确定汽包的寿命损耗。通过对锅炉汽包一次冷启动数据分析,验证了本文方法的有效性,研制了锅炉汽包寿命实时监测系统,经600 MW机组锅炉汽包的监测运行表明,效果良好,达到了对锅炉汽包寿命损耗进行实时监测并指导运行的目的。

基于传递矩阵法的多支撑转子负荷灵敏度计算

应用传递矩阵法与力法给出了一种简便实用的标高灵敏度矩阵与负荷灵敏度矩阵的计算方法。分析了任意轴承负荷变化对多支撑转子各轴承负荷的影响,结果表明多支撑转子系统轴承负荷分布与各轴承的标高密切相关。应根据负荷灵敏度矩阵通过综合调整各轴承处的标高达到负荷在各轴承间合理分布的目的。

铁塔对重冰区双回输电线路脱冰跳跃的影响研究

为研究铁塔对重冰区高压双回输电线路脱冰跳跃的影响,以重冰区220 k V双回输电线路为对象,分别建立导线-绝缘子模型及考虑铁塔影响的塔线体系模型,并对比分析两种模型的计算结果。通过对比发现,无论是否有风,导线-绝缘子模型脱冰档导线的跳跃高度较塔线体系模型大,而未脱冰档导线的跳跃高度却小于塔线模型,并且差值均随着脱冰率的增大而减小。除此之外,改变铁塔的刚度,发现其跳跃高度变化很小。这说明铁塔的刚度对于塔线体系模型的计算结果影响很小,进一步说明造成两种模型差异的主要原因是塔线耦合效应。

低温条件下输电铁塔主材节点的强度及其分散性试验

为将钢材材料的现有研究成果直接应用在节点的设计上,分别进行输电铁塔材料(139个试样)和节点(216个试样)的低温拉伸试验,并提出一种考虑节点连接滑移时的强度处理方法,对不同温度下材料与节点的强度性能进行研究,依照国家标准研究低温下节点屈服强度的分布规律和统计参数。研究结果表明:低温条件下节点的屈强已经超出一般钢材的屈强比范围0.60~0.75,节点的抗力分项系数均小于规范中钢材材料的参考值,且节点强度设计值普遍超出规范中强度设计值10%以上。建议结合低温条件下节点屈强比的变化规律对节点的抗力分项系数以及屈服强度设计值进行合理取值。

基于传递矩阵法的风力发电机组塔架结构分析

风力发电机组塔架是锥筒形的高耸空间钢结构,作用载荷复杂.依据其几何特征和复杂的受力特征,将其简化成集弯曲变形、扭转变形、轴向压缩变形为一体的复杂梁柱变形与强度问题来处理,得到了复杂载荷作用下风力发电机塔架结构的梁柱力学模型和变形分析的挠曲线微分方程,导出了梁柱单元的各种传递矩阵公式,引入风力发电机塔架结构分析的全状态参数的概念,集成得到风力发电机塔架结构分析的全状态参量传递矩阵公式及传递矩阵分析方法.编制分析程序,实例分析表明:传递矩阵法是风力发电机塔架结构分析的快速有效方法,它不仅可以考虑具有非线性特征的风力发电机塔架的力-变形(P-Δ)效应,而且有编程简单,计算量小等特点.

加工方式对输电铁塔螺栓连接节点承载力影响的实验研究

输电铁塔主材通常由多段角钢通过螺栓连接而成,一旦主材节点发生破坏将造成倒塔事故发生,危及电力系统的安全稳定运行。输电铁塔主材节点多采用冲孔或钻孔方式加工而成,加工方式会影响节点的极限承载能力。针对500 kV输电铁塔中常用的Q345和Q420主材角钢,通过全尺寸节点拉伸实验,研究了冲孔和钻孔对不同螺栓直径、排列方式的螺栓连接节点的破坏载荷和破坏形式的影响,为输电铁塔设计和运行维护提供理论依据。