A new framework for evaluating along-wind responses of a transmission tower

In this paper, an analytical framework to evaluate the along-wind-induced dynamic responses of a transmission tower is presented. Two analytical models and a new method are developed： （1） a higher mode generalized force spectrum （GFS） model of the transmission tower is deduced; （2） an analytical model that includes the contributions of the higher modes is further derived as a rational algebraic formula to estimate the structural displacement response; and （3） a new approach, applying load with displacement （ALD） instead of force, to solve the internal force of transmission tower is given. Unlike conventional methods, the ALD method can avoid calculating equivalent static wind loads （ESWLs）. Finally, a transmission tower structure is used as a numerical example to verify the feasibility and accuracy of the ALD method.

Short-Term Reliability Evaluation of Transmission System under Strong Wind and Rain

The impact of strong wind and rain loads will adversely affect the reliability of the overhead lines, it’s necessary to study changes in risk of transmission system and establish the reliability model of overhead lines through the strong wind and rain loads. In this article, the stochastic properties of overhead lines’ strength and loads were used, according to principles of structural reliability, time-dependent failure probability model of overhead lines was established under the impact of strong wind and rain loads. Simulation of the IEEE-79 system demonstrates that failure probability model is effective. This simulation result also shows that the impact of strong wind and rain loads will seriously affect reliability indices of system loads, rain loads cannot be ignored under strong wind and rain loads.

不同类风场雨滴冲击荷载对输变电塔线体系动力响应的影响研究

输变电塔体系遭受风雨耦合作用破坏时常将原因归于风荷载,忽略了雨荷载耦合激励的放大效应。针对某输电线路“一塔两线”体系模型,以数值方法模拟良态风雨场与湿下击暴流场的风雨时程荷载,分别对塔线体系进行动力响应分析,结果表明:降雨对输电塔线体系的响应,具有显著影响,随着雨强变大,塔线体系响应增大明显;在极值降雨条件下,湿下击暴流场塔顶位移增幅最大,在X向和Y向分别达到31.30%和33.93%;两种风雨场中塔顶位移及加速度功率谱密度均出现明显增幅,体系共振响应增强,塔身关键位置主材应力分别增大了11.64%、37.07%;在不同类风场中,强降雨时雨滴冲击对塔线体系产生的激励增大作用不可忽略。

考虑二维等效静力风荷载的导线风偏刚性直棒法

刚性直棒法作为一种简单高效的输电导线风偏响应估算方法,在输电工程领域得到了广泛的应用,然而其适用对象仅限于水平风作用下的未覆冰导线,对于线路常遇的覆冰以及二维风荷载情况未能涉及。该文采用阵风荷载包络线法(GLE法)推导了二维等效静力风荷载的表达式,获得了考虑二维风荷载作用的导线风荷载调整系数,通过引入二维等效静力风荷载改进了现有刚性直棒法,改进后的刚性直棒法综合考虑了线路是否覆冰、二维风荷载、上升气流以及风的脉动效应。建立了某真型输电线路的精细化有限元仿真模型,采用覆冰导线气动力风洞试验结果和非线性数值仿真验证了改进后刚性直棒法的准确性。基于改进后的方法分析了竖向平均风速和导线覆冰厚度对风偏响应的影响。研究表明:考虑二维等效静力风荷载的导线风偏刚性直棒法是一种准确度明显提高的通用方法,能适用于常规的、覆冰的、有上升气流的多种工况下的导线风偏位移计算。

广播电视发射塔桅杆段风致疲劳寿命研究

高耸结构主要承受变化的风荷载,发生疲劳破坏对结构性能的影响较大,而对于塔架结构来说,风荷载是否被定义为疲劳荷载一直存在争议。针对这一问题,本文以宁夏广播电视发射塔工程为例,对桅杆段进行风致疲劳损伤及疲劳寿命研究。工程设计时对整体结构及桅杆段分别进行了风洞试验,通过雨流计数法得到风荷载作用下桅杆段构件的应力幅值的概率密度分布,采用时域法分析其风致疲劳寿命。结果表明,桅杆段构件最大应力幅值均小于疲劳截止限,无需计算疲劳寿命;连接法兰螺栓的疲劳寿命在500年以上,满足钢结构设计标准的疲劳要求。

服役输电线路风致响应及寿命预测分析

庞大的输电系统是国家最重要的基础设施之一,确保其在长期风荷载作用下的安全性和可靠性,是应该重视的关键问题。采用Abaqus建立了输电塔线体系的精细化有限元模型,对风荷载进行了模拟,考虑受压杆件失稳,通过动力计算方法分析了塔线体系响应并据此确定了其薄弱位置。进一步地,以薄弱杆件的应力时程为指标,基于Miner线性准则描述的损伤规律,采用雨流法预测了不同风速下塔线体系的寿命;随后研究了风荷载模拟关键参数对结构预测寿命的影响,对线路进行整体上的评估。结果表明:以构件失效作为塔线体系结构整体破坏的准则,可为塔线体系的寿命预测提供一定的参考;结构的预测寿命主要由薄弱构件(变坡处主材)控制;此外,风荷载模拟参数对预测寿命有较大影响,持时不同预测寿命差距较大,Kaimal谱模型预测寿命比随机Fourier谱更偏于保守;粗糙长度与预测寿命负相关。

随机脉动风场作用下输电塔线体系的动力响应分析

输电杆塔及塔线体系(简称塔线体系)是整个电力系统中输电环节的核心部分,沿海地区的强风对塔线体系有着重要影响。为研究在随机脉动风场作用下塔线体系的动力响应特性,文中以广东某地区的1W2C9型鼓型自立式输电杆塔为研究对象,建立输电杆塔的单塔及一塔两线的塔线耦联有限元模型,结合Davenport风速谱与四阶自回归法模拟具有空间相关性的单塔9节点及塔线体系49节点的脉动风场,研究在此脉动风场下的单塔及塔线体系的动力响应,并探究不同风向角对其动力响应的影响。研究结果表明:单塔及塔线体系的动力响应最大值大于其拟静力响应;由于塔线耦联效应的存在,输电线会增加塔线体系的稳定性,降低其动力响应;90°是输电杆塔单塔及塔线体系动力响应的最不利风向角。

强风作用下带横隔面输电塔动力响应及破坏机理研究

增设横隔面是对输电塔结构进行抗风加固的一种简单有效方式,但增设横隔面后输电塔的动力稳定性变化和破坏机理差异尚未明晰。以某220 kV同塔双回线路ZY2输电塔为研究对象,通过建立输电塔线耦联体系有限元模型,对比了增设横隔面前后的单塔及塔线体系的模态差异,验证了在靠近塔腿节间的交叉斜材处增设横隔面对于输电塔局部振型的抑制作用。采用随机风场模拟,计算不同风速下不同塔段处斜材增设横隔面前后轴力响应变化,结合动力不稳定区域理论计算斜材动力稳定性参数,将其与动力不稳定区域绘制在同一参数平面内并根据某一风速下斜材是否进入动力不稳定区域,来判断不同塔段处斜材增设横隔面前后的失稳风速。结果表明,合理增设横隔面最高可将杆塔破坏风速提高3 m/s。

强风下导线的等效随机静风荷载概率模型

输/配电线路是典型的风振敏感结构,而且导线风荷载往往大于杆塔自身风荷载。结构风荷载常呈现强随机性,合理地考虑这种随机性是输/配电线路抗风设计与风险评估的基础。该文以气弹模型风洞试验为依据,结合随机风振反应基本理论,获得导线等效静风荷载的计算方法;引入强风风场特性参数的随机性,推导并拟合得到导线的等效随机静风荷载概率模型;将建立的随机风荷载概率模型应用于配网结构的可靠度分析中,评估现有配网结构规范设计的可靠度水准。分析结果表明,导线风荷载效应占比大于5%时,按现有配网线路规范设计的构件可靠度指标低于构件呈现二级延性破坏所对应的目标可靠度水平。该文建立的随机风荷载概率模型,考虑了平均风荷载的随机性、脉动风荷载的随机过程性及其对结构的随机动力效应,同时引入了描述脉动风随机过程特性参数的随机性,可应用于强风下输/配电网的抗风设计和风险评估。

海岛大跨越输电塔线体系风振响应及动力失稳分析

跨海输电塔线体系具有铁塔高、跨度大、风速大、恢复困难等特点,是岛屿电网的关键薄弱位置,尤其受台风等灾害天气影响严重,为进一步认识跨海输电塔线体系的风振响应特点和强风作用下的铁塔风致失稳特征,以温州洞头某线路典型跨海段(耐—直—直—耐)线路为研究对象,采用ABAQUS软件建立该跨海段两塔三线有限元分析模型。首先分析导线、裸塔及塔线体系的动力特性参数,然后开展不同风向角下的风振响应分析及位移风振系数计算,最后,采用增量动力分析方法(incrementaldynamicanalysis,IDA)模拟强风作用下考虑塔线耦合效应的铁塔非线性倒塌过程。研究表明:大跨越导线、地线对输电塔在不同风向角下的风振响应影响存在差异,0°风向角下,大跨越导线、地线增大体系的阻尼,降低风振响应;90°风向角下,大跨越导线、地线在横向风作用下产生较大面外位移,增大塔线体系的风振响应;强风作用下,输电塔斜材相较于主材更容易发生动力失稳,引起结构内力重分布,使得塔身中上部受力集中,最终导致输电塔发生渐进式倒塌。

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。

强风下输电塔破坏分析与加固研究

为了提高服役输电塔抵抗极端荷载的能力,保障线路的安全稳定运行,结合输电塔的失效模式和破坏特点,提出了一种无损加固措施,通过加载试验和数值模拟验证了该加固措施的可行性.以220 kV典型输电塔为研究对象,运用多尺度分析手段,建立了加固前后输电塔精细有限元模型,模拟分析了输电塔动力特性,以及风荷载下输电塔的非线性响应和连续性倒塌模式,进而评估了无损加固措施对输电塔抗风性能的提升效果.结果表明,该加固措施能够有效降低输电塔风振响应和提高其抗风性能,临界倒塌风速由29.2 m/s提高至30.8 m/s,加固节间以及相邻节间的刚度得到了提升,且加固后节间内力分布更加均匀,该无损加固措施为提升服役输电塔抵抗极端荷载的能力提供参考.

±1100 kV特高压输电塔线体系风振响应分析

为研究角度风下长横担输电塔线体系动力响应,采用有限元时程方法分析准东—华东±1100 kV特高压输电线路单塔及塔线体系风振响应。首先,利用线性滤波法计算得到三维脉动风速场,并结合准定常理论得到单塔及输电塔线体系脉动风荷载。其次,建立单塔及输电塔线体系有限元模型,利用模态分析方法计算结构的动力特性,研究导地线及长横担结构对输电塔动力特性的影响。最后,利用有限元时程方法对单塔及塔线体系进行动力分析,研究了风向角、长横担结构及塔线耦合效应等因素对结构动力响应的影响。结果表明:长横担结构会导致扭转频率降低,扭转振型出现顺序前移;塔线耦合效应降低了塔架结构自振频率,提高了结构阻尼比;根据位移均值计算结果,最不利风向角为15°和75°;根据扭转角均方根计算结果,最不利风向角为0°;单塔顺风向响应主要受背景分量和1阶振型的影响,塔线体系还受到导地线低阶共振分量的影响,扭转角主要受扭转1阶振型影响。

随机风荷载下陡峭山区长短腿输电塔多构件可靠度评估

长短腿输电塔在陡峭山区的输电线路工程中应用广泛,准确评估该结构体系中各个构件的可靠度水平对其维护加固具有重要意义。鉴于此,基于拟蒙特卡罗法开展了随机风荷载作用下陡峭山区中长短腿输电塔多构件可靠度分析。根据《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》(DL/T 5486—2020),给出长短腿输电塔不同构件常见的5类失效模式及其功能函数;通过同时考虑材料和风荷载的随机性,采用拟蒙特卡罗法建立长短腿输电塔多构件可靠度分析框架;以某输送电压为500 kV的输电线路中长短腿输电塔为例,进行了多构件可靠度评估,并分析了不同塔腿级差、杆塔呼高以及设计风速对长短腿输电塔可靠指标的影响规律。分析结果表明:长短腿输电塔的所有构件可靠指标均在3.2以上,满足规范要求的Ⅱ级安全水准,短腿主材为长短腿输电塔最薄弱构件,可靠指标相比于长腿主材减小了23.25%,应予以重视;杆塔呼高每增大6 m,长短腿输电塔可靠指标最大下降3.37%,设计风速每增大1 m∙s^(-1),可靠指标最大降低2.83%;塔腿级差每增大3 m,可靠指标最大降低10.48%,建议杆塔设计时应尽量避免出现塔腿级差过大的情况。

覆冰荷载下高压输电塔有限元分析

在有限元分析软件ABAQUS中建立高压输电塔有限元模型,用梁单元模拟塔架,得到塔架在其自重、覆冰荷载,风荷载等共同作用下的承载能力,同时分析输电塔倒塌破坏的原因及破坏形式,在3种不同的特殊工况下确定出输电塔塔架中相对薄弱的位置,为工程设计提出理论依据,为输电塔的实际施工和整体形状设计提供参考方法。

海岛输电塔线体系风振响应及易损性分析

以温州洞头海岛3572线新建的单回路猫头塔ZMG32-28.5及其所在塔线体系为研究对象,对输电塔的抗风性能评估展开研究。首先,采用ANSYS软件建立输电塔及其所在塔线体系的有限元模型,开展单塔和塔线体系的动力特性理论分析。随后根据台风风谱,采用谐波叠加法,生成具有台风特性的脉动风速时程。对塔线体系进行风振响应分析,了解塔线体系在设计风速作用下的塔身响应。最后考虑输电塔结构参数和脉动风荷载的不确定性,通过拉丁超立方抽样方法生成了80组塔线体系随机样本;通过谐波叠加法模拟生成80组具有台风特性的脉动风速时程。将塔线体系随机样本与风荷载一一对应组合,进行80组塔线体系的风振响应分析。对风振响应结果进行回归分析,得到考虑塔线耦合效应的输电塔风荷载作用效应函数和塔顶位移响应的均值和标准差值;此外,对生成的80组输电塔随机样本开展了静力弹塑性分析,确定输电塔结构的各极限状态限值和标准差值。基于上述两种分析计算结果,进行了考虑塔线耦合效应的输电塔风灾易损性分析,得到0°(顺线路)、90°(横线路)风向角工况下轻微破坏、中等破坏和倒塌破坏的风灾易损性曲线。研究表明,55m/s极值风速作用下,横线路风向较顺线路风向发生破坏概率增加8.25%,在遭受重现期100年风速(41.95m/s)时,横线路方向发生倒塌破坏概率为20.19%,ZMG32-28.5塔还是有较大的倒塌风险。

输电塔风雨荷载特性的CFD数值模拟

本文基于欧拉多相流方法研究了输电塔表面的风雨荷载分布特性。首先基于现有某风驱雨实测模型建立CFD数值模型,基于欧拉多相流模型模拟获得结构表面雨滴抓取率,将模拟结果与现有实测数据进行对比,验证本文模拟结果的准确性。以某106.6 m高的钢管输电塔为例,基于输电塔结构特性将整塔沿高度分段,建立精细化输电塔CFD模型。采用SST k-ω湍流模型模拟输电塔周围的流场,获得各塔段阻力系数,将模拟结果与现有规范进行对比验证风场模拟的准确性。雨相基于欧拉多相流通过Fluent的用户自定义函数(UDF)求解。选择合适的雨滴谱和雨滴粒径,求得不同粒径雨滴在计算域入口处的末速度和体积分数,模拟获得雨滴冲击壁面时的速度和体积分数,进而求得模型壁面抓取率和风驱雨荷载。结果表明:本模拟所得雨荷载与公式方法所得结果吻合较好,输电塔的风驱雨荷载随着降雨强度增大而增大。当降雨强度为709 mm/h时,输电塔各段顺风向雨荷载的最大值为风荷载的5.1%。

杆塔荷载和降雨特征对边坡稳定性的影响分析:以滇东北山区输电线路为例

随着我国“西电东送”特高压电网的全面铺开,大量输电杆塔坐落在滑坡灾害易发的滇东北山区,这类山坡的稳定性直接关系着输电线网的安全稳定运行。然而,目前的研究尚未明晰输电杆塔修建对降雨型滑坡灾害的影响,需要进一步研究杆塔荷载和降雨特征耦合作用下的边坡稳定性变化趋势。基于Geo Studio模型,以西南山区输电线路典型边坡为例,从土壤含水率、孔隙水压力、边坡安全系数和土体位移等方面定量分析降雨强度、降雨历时、杆塔荷载大小及荷载组合等因素对边坡稳定性的影响机理。结果显示:(1)对于以超渗产流机制为主的滇东北红土边坡,降雨历时的延长、总降雨量的增加对边坡安全系数的削弱效应强于降雨强度的提高;(2)杆塔荷载对边坡稳定性的削弱效应明显,增加单个杆塔荷载的大小将大大提高滑坡发生的可能性,在长历时暴雨-入渗条件下杆塔失稳风险显著增加;(3)杆塔荷载的存在会延长近地表土体正孔隙水压力消散的时间,进而延长边坡欠稳定状态历时;(4)调整杆塔荷载组合的大小会对边坡整体稳定性产生不同影响:增大下坡段杆塔荷载重量,边坡整体稳定性提高,增大上坡段杆塔荷载重量,边坡整体稳定性降低。研究表明杆塔荷载在长历时暴雨条件下会提高输电线路途经山坡滑坡灾害的发生概率和破坏性,不合理的杆塔组合也会导致边坡向欠稳定甚至失稳状态发展,在输电线路滑坡灾害防治工作中需引起重视。本研究可为滇东北山区输电线路规划、运维及防灾减灾工作提供科学指导。

基于非线性结构分析的架空输电线路风致位移响应研究

高压输电线路的稳定性和可靠性是影响电网安全稳定运行的重要因素。因此,开展输电塔线体系的风致响应研究,一直是输电工程技术领域的研究热点。以220 kV输电线路为例,进行了脉动风场的数值模拟,分析了塔线体系的振动形态,重点研究了风载荷作用下导线的振动形态以及在不同工况下由导线振动引起的位移变化。深入分析了输电线路的瞬态动力学响应,包括对架空输电线路的模态分析、风载荷下的振动过程以及不同工况下塔线的位移变化。结果表明:铁塔与导线的振动主要为一阶模态、二阶模态低频振动;导线的振动模式主要影响塔线体系的振动,不同时刻下振动位移的最大值对系统安全运行有更严重的影响。研究分析结果对输电线路的防风抗灾、安全稳定运行具有指导意义。

风荷载作用下输电线路应力试验及金具失效分析

针对风荷载作用下架空输电线路存在线路共振、塔架倾斜和绝缘性能下降等缺点,本文提出了一种输电线路在风荷载作用下的应力评估方法及金具失效分析方法,将结构参数和风荷载的不确定性结合到一个数值模型中。首先,为了提高计算效率,提出了一塔两跨的简化模型,通过在静态和动态条件下与完整的塔线系统进行比较,验证了该模型。接着,介绍了风荷载作用下输电塔的应力分析过程,建立不确定性的风荷载模型并进行非线性动力分析。随后,确定随机变量及其相应的概率分布。最后,对一个实际运行的输电塔进行了风荷载作用下的算例分析。实验结果表明,与传统的FEM和改进的DLC-FEM等模型相比,本文所提的DLC-GFM-FEM模型考虑了风攻角、阻力和升力系数等因素,在塔移距离、输电线路应力和金具失效概率等方面的评估精度更高,鲁棒性更强,将有助于提高输电线路在风荷载作用下的安全性和稳定性。