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        ±500kV直流輸電線路小根開(kāi)鐵塔振型及周期分析研究

        2014-12-13 21:52:11陳國(guó)棟
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年35期
        關(guān)鍵詞:周期

        陳國(guó)棟

        摘 要:針對(duì)±500kV直流小根開(kāi)鐵塔ZA102Z進(jìn)行建模計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì),采用SAP2000軟件建立了小根開(kāi)鐵塔的三維數(shù)值模型,研究了其典型呼高的動(dòng)力響應(yīng)特征;比較了規(guī)范的近似計(jì)算周期和有限元計(jì)算的周期。

        關(guān)鍵詞:小根開(kāi)鐵塔;SAP2000;動(dòng)力特征;周期

        普通自立式鐵塔的高度與根開(kāi)之比(H/B)為4~6,而城市供配電常用到的“窄基塔”其高度與根開(kāi)之比(H/B)可達(dá)到10或更高;但對(duì)于±500kV直流輸電線路工程,采用“窄基塔”將難于滿足大荷載的要求,作者提出“小根開(kāi)鐵塔”的概念,即在普通自立式鐵塔的基礎(chǔ)上縮小根開(kāi),使其高寬比H/B介于普通塔和“窄基塔”之間,既能滿足荷載要求,又能符合山區(qū)局部地形陡峭的立塔需要??梢?jiàn),采用“小根開(kāi)鐵塔”可有效解決如下問(wèn)題:

        (1)拓寬陡峭、狹窄地形的立塔范圍和條件,以避免改線而造成較大的費(fèi)用變更。

        (2)減小征地、土石開(kāi)挖方量,達(dá)到環(huán)保設(shè)計(jì)。

        文章采用SAP2000有限元程序建立小根開(kāi)直線ZA102Z的數(shù)值模型,對(duì)高寬比H/B進(jìn)行優(yōu)化分析,分析了鐵塔的受力特征及動(dòng)力響應(yīng)特征,對(duì)比了規(guī)范方法的近似計(jì)算周期和有限元計(jì)算的精確周期。

        1 有限元計(jì)算小根開(kāi)鐵塔的振型及周期分析

        經(jīng)過(guò)SAP2000有限元軟件對(duì)塔型實(shí)例(ZA102Z)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算,鑒于輸電鐵塔頻譜較為稀疏,因此重點(diǎn)考慮前4階振型,如表1,得到前4階振型及周期如下:

        表1 前4階周期計(jì)算比較表

        桿塔的一階、二階及三階振型分別為X向的彎曲、Y向的彎曲及繞Z向的扭轉(zhuǎn)。X向一階與Y向一階的振型頻率非常接近,頻率相差2%,說(shuō)明鐵塔的X向及Y向剛度非常接近,扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在X向與Y向一階振型之后,說(shuō)明桿塔不易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。整體來(lái)說(shuō),鐵塔的體系形式及布置是合理的,動(dòng)力特性?xún)?yōu)良。

        2 “規(guī)范法”和“數(shù)值模擬法”的鐵塔自振周期對(duì)比

        根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄F結(jié)構(gòu)基本自振周期的經(jīng)驗(yàn)公式以及按《輸電塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究》(中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)輸電結(jié)構(gòu)四屆二次學(xué)術(shù)年會(huì)論文集)分別計(jì)算鐵塔的自振周期與SAP2000有限元軟件的計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析。

        2.1 依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的自振周期計(jì)算

        《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》F.1.1條一般高聳結(jié)構(gòu)的基本自振周期,鋼結(jié)構(gòu)可取下式計(jì)算的較大值,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可取下式計(jì)算的較小值:

        T1=(0.007~0.013)H (1)

        該公式的范圍太寬,而且它適用于具有連續(xù)變化外形和質(zhì)量的塔式結(jié)構(gòu),而輸電塔結(jié)構(gòu)并不符合這一特點(diǎn),這是因?yàn)檩旊娝Y(jié)構(gòu)在高度方向具有幾個(gè)較大質(zhì)量和幾何尺寸的橫擔(dān),使得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性發(fā)生變化,故而該近似公式的誤差較大。鐵塔實(shí)例全高59.1米,計(jì)算得自振周期為0.7683秒。

        2.2 按《輸電塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究》的自振周期計(jì)算

        根據(jù)我國(guó)電力部門(mén)所做的輸電塔實(shí)測(cè)研究,得到的輸電塔結(jié)構(gòu)自振周期近似計(jì)算公式為:

        T■=0.034H/■ (2)

        式中:H為全塔高度:b為塔頭寬度:B為根開(kāi)寬度。

        由于輸電塔結(jié)構(gòu)的形式多樣、高度不一,如干字塔,酒杯塔、貓頭塔等等,而不同類(lèi)型、不同高度的輸電塔自振周期具有不同的特點(diǎn),所以這一公式不能適用于所有類(lèi)型的輸電塔結(jié)構(gòu),在進(jìn)行輸電塔設(shè)計(jì)時(shí)需要更加精確的自振周期計(jì)算公式。

        以電力系統(tǒng)輸電塔實(shí)測(cè)得到的結(jié)構(gòu)自振周期近似公式為思路,以實(shí)際輸電鐵塔的空間模型計(jì)算為依據(jù),對(duì)其自振周期近似公式進(jìn)修正,修正后的計(jì)算公式為:

        (1)干字塔:塔高50~70m時(shí)

        T■=0.039H/■ (3)

        塔高70~80m時(shí)

        T■=0.038H/■ (4)

        塔高80~100m時(shí)

        T■=0.036H/■ (5)

        (2)對(duì)酒杯型塔:

        T■=0.036H/■ (6)

        注:以上節(jié)選自《輸電塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究》(中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)輸電結(jié)構(gòu)四屆二次學(xué)術(shù)年會(huì)論文集)

        根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)公式,塔型實(shí)例(ZA102Z)直線塔塔高59.1m,介于50~70m之間,上口寬度2.0m,根開(kāi)6.740m,由此算得T1為0.7709s。

        2.3 依據(jù)有限元軟件SAP2000的自振周期計(jì)算

        而通過(guò)SAP2000有限元程序的分析結(jié)果T1為0.8030s。分析原因,認(rèn)為采用負(fù)保護(hù)角的±500直流桿塔與傳統(tǒng)的干字塔在結(jié)構(gòu)形式上是有區(qū)別的,首先導(dǎo)線橫擔(dān)長(zhǎng)度較傳統(tǒng)干字塔大了很多,因此塔頭質(zhì)量增加很多,因此自振周期較經(jīng)驗(yàn)公式有所增加。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        3.1 采用SAP2000有限元軟件研究ZA102Z的動(dòng)力響應(yīng)特征如下:(1)扭轉(zhuǎn)振型對(duì)酒杯型小根開(kāi)鐵塔影響較大,設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略;(2)低呼高酒杯型小根開(kāi)鐵塔動(dòng)力特征與高呼高略有不同,前者以第1階模態(tài)為一階扭轉(zhuǎn),后者為一階彎曲。

        3.2 SAP2000有限元軟件計(jì)算的周期較規(guī)范近似計(jì)算方法計(jì)算的周期略有增加,認(rèn)為直流桿塔導(dǎo)線橫擔(dān)長(zhǎng)度較傳統(tǒng)干字塔大了很多,因此塔頭質(zhì)量增加很多,因此自振周期較經(jīng)驗(yàn)公式有所增加。

        參考文獻(xiàn)

        [1]GB50009-2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

        [2]GB50135-2006.高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [3]歐進(jìn)萍,王光遠(yuǎn).結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)[Z].

        [4]輸電塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究[A].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)輸電結(jié)構(gòu)四屆二次學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].

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