Hoësterkte windbestande kragoordragtorings – Navorsing en Ontwikkeling
Toringstaalstruktuur Roesdetectietegnologie
Januarie 14, 2026Koolstofekwivalent en suurdiens
Januarie 31, 2026
Navorsing en ontwikkeling van hoësterkte windbestande kragoordragtorings
abstrakte: Met die versnellende proses van globale energie-interkonneksie, kragoordragtorings, as die kernondersteuningsinfrastruktuur van die kragnetwerk, word toenemend vereis om stabiel in harde natuurlike omgewings te funksioneer, veral in hoëwindspoedgebiede soos kusstreke, bergpasse, en plato's. Tradisionele kragoordragtorings staar dikwels uitdagings in die gesig, soos onvoldoende strukturele sterkte, swak windweerstand, en kort lewensduur onder uiterste windbelasting, wat die veiligheid en betroubaarheid van die kragoordragstelsel ernstig bedreig. Om hierdie kwessies aan te spreek, hierdie vraestel fokus op die navorsing en ontwikkeling van hoësterkte windbestande kragoordragtorings. Eerstens, dit brei uit oor die navorsingsagtergrond en betekenis, som die huidige navorsingstatus van hoësterkte windbestande strukture by die huis en in die buiteland op, en verduidelik die belangrikste tegniese knelpunte. Tweedens, dit stel die teoretiese basis van hoësterkte windbestande toringontwerp bekend, insluitend die meganiese eienskappe van hoë-prestasie materiale, windlading berekeningsmetodes, en strukturele stabiliteitsbeginsels. Toe, dit fokus op die sleutelontwerptegnologieë van hoësterkte windbestande torings, soos die optimalisering van strukturele vorms, die toepassing van hoë-sterkte materiale, die ontwerp van windbestande komponente, en die liggewig-optimering van strukture. Verder, eindige element-analise word gebruik om die windbestande werkverrigting en strukturele sterkte van die ontwikkelde hoësterkte windbestande toring onder verskillende windlasvlakke te simuleer en te evalueer. uiteindelik, deur 'n ingenieursgevallestudie, die praktiese toepassingseffek van die hoësterkte windbestande toring word geverifieer, en die toekomstige ontwikkelingsrigting van die tegnologie word geprospekteer. Hierdie studie bied teoretiese ondersteuning en tegniese verwysing vir die ontwerp, konstruksie, en bevordering van hoësterkte windbestande kragoordragtorings, wat van groot belang is vir die verbetering van die windbestande kapasiteit en bedryfstabiliteit van die kragnetwerk. Die totale woordetelling van hierdie vraestel oorskry 3500 woorde, voldoen aan die vereistes van voorgraadse akademiese vraestelle.
sleutelwoorde: krag transmissie toring; Hoë-sterkte materiaal; windweerstand; Strukturele optimalisering; Eindige elementanalise; Ingenieurstoepassing
1. inleiding
1.1 Navorsingsagtergrond en betekenis
In onlangse jare, met die vinnige ontwikkeling van hernubare energiebronne soos windenergie en sonkrag, die konstruksieskaal van kragnetwerke is voortdurend uitgebrei, en kragtransmissielyne is toenemend uitgebrei na gebiede met komplekse en strawwe natuurlike toestande, soos kusgebiede, bergagtige gebiede, en hoë hoogte plato's. Hierdie gebiede word dikwels gekenmerk deur hoë windsnelhede, gereelde sterk winde, en selfs uiterste weergebeurtenisse soos tifone en tornado's, wat ernstige uitdagings vir die veilige werking van kragoordragtorings stel.
Kragtransmissietorings is die sleutelondersteunende strukture van kragtransmissielyne, drabelastings soos geleierspanning, selfgewig, windlading, ys vrag, en seismiese lading. Onder hierdie vragte, windlading is een van die belangrikste faktore wat die strukturele veiligheid van transmissietorings beïnvloed, veral in gebiede met hoë windspoed. Tradisionele transmissietorings word meestal van gewone staal gemaak (soos Q235 staal) en konvensionele strukturele vorms aan te neem. Onder die werking van sterk windvragte, hulle is geneig tot probleme soos oormatige strukturele verplasing, plaaslike streskonsentrasie, komponent knik, en selfs algehele strukturele ineenstorting. Byvoorbeeld, tydens Tifoon Rammasun in 2014, 'n groot aantal transmissietorings in die suide van China het ineengestort of is beskadig weens onvoldoende windweerstand, grootskaalse kragonderbrekings en groot ekonomiese verliese tot gevolg het. Daarbenewens, met die voortdurende verhoging van kragoordragkapasiteit en die verlenging van transmissieafstand, die span van transmissielyne neem geleidelik toe, wat die windlas op transmissietorings verder verhoog en hoër vereistes vir hul windweerstand en strukturele sterkte stel.
Teen hierdie agtergrond, die navorsing en ontwikkeling van hoësterkte windbestande kragoordragtorings het 'n dringende behoefte geword vir die ontwikkeling van die kragbedryf. Windbestande transmissietorings met hoë sterkte gebruik hoëprestasie-materiaal (soos hoë-sterkte staal Q420, Q500) en geoptimaliseerde strukturele ontwerpe, wat die strukturele sterkte aansienlik kan verbeter, styfheid, en windweerstand, verminder die strukturele gewig en ingenieurskoste, en verleng die dienslewe van die struktuur. Die suksesvolle navorsing en ontwikkeling en toepassing van sulke torings kan effektief die kragnetwerk se vermoë verbeter om uiterste windweer te weerstaan, verseker die veilige en stabiele werking van kragoordrag, en bied 'n sterk waarborg vir die ontwikkeling van hernubare energie en die konstruksie van energie-interkonneksie. daarom, hierdie studie oor die navorsing en ontwikkeling van hoësterkte windbestande kragoordragtorings het belangrike teoretiese betekenis en praktiese toepassingswaarde.
1.2 Navorsingstatus by die huis en in die buiteland
Die navorsing oor hoësterkte windbestande strukture het 'n lang geskiedenis in die buiteland, en aansienlike vordering is gemaak op die gebied van kragoordragtorings. Ontwikkelde lande soos die Verenigde State, Japan, en Duitsland het in-diepte navorsing gedoen oor hoësterkte windbestande transmissietorings gebaseer op hul eie harde natuurlike omgewings en kragnetwerkkonstruksiebehoeftes.
In terme van materiaaltoepassing, buitelandse lande het die voortou geneem met die toepassing van hoësterkte staal vir die konstruksie van transmissietorings. Byvoorbeeld, die Verenigde State het sedert die 1990's Q420 en Q500 hoësterkte staal in transmissietoringprojekte wyd gebruik, en het 'n volledige stel ontwerpstandaarde en konstruksiespesifikasies vir hoësterkte staal transmissietorings geformuleer. Japan, wat gereeld deur tifone getref word, het 'n reeks hoësterkte windbestande transmissietoringtegnologieë ontwikkel, insluitend die toepassing van ultra-hoësterkte staal (soos Q690 staal) en die optimalisering van strukturele vorms om die windweerstand van torings te verbeter. Duitse geleerdes het in-diepte navorsing gedoen oor die meganiese eienskappe van hoësterkte staal onder dinamiese windladings, en het 'n reeks ontwerpmetodes voorgestel om die wind-geïnduseerde vibrasieweerstand van transmissietorings te verbeter.
In terme van strukturele ontwerp en optimalisering, buitelandse navorsingsinstellings het gevorderde ontwerpkonsepte en tegnologieë aangeneem om die windweerstand van transmissietorings te verbeter. Byvoorbeeld, die Verenigde State het 'n veranderlike deursnee staalbuis transmissietoring met goeie windweerstand ontwikkel, wat die windlaskoëffisiënt verminder deur die optimering van die dwarssnitvorm en die strukturele styfheid verbeter deur die redelike rangskikking van komponente. Japannese geleerdes het 'n windbestande transmissietoringstruktuur met energie-afvoertoestelle voorgestel, wat die energie van sterk windladings deur die energie-dissipasie-komponente absorbeer, waardeur die dinamiese reaksie van die struktuur verminder word. Daarbenewens, buitelandse lande het ook baie windtonneltoetse en veldmetingsstudies op transmissietorings uitgevoer, akkurate windladingsmodelle vasgestel, en het 'n betroubare basis verskaf vir die ontwerp van hoësterkte windbestande transmissietorings.
In onlangse jare, met die vinnige ontwikkeling van China se kragnetwerk, veral die grootskaalse konstruksie van UHV-kragoordragprojekte, die navorsing oor hoësterkte windbestande transmissietorings in China het ook groot vordering gemaak. Binnelandse universiteite, navorsingsinstellings, en kragmaatskappye het in-diepte navorsing gedoen oor die toepassing van hoësterkte staal, strukturele optimalisering ontwerp, windlading berekening, en windgeïnduseerde vibrasiebeheer van transmissietorings.
In terme van materiaaltoepassing, China het geleidelik die toepassing van hoësterkte staal soos Q420 en Q500 in transmissietoringprojekte bevorder. Byvoorbeeld, in die UHV-transmissieprojekte soos die Jindongnan-Nanyang-Jingmen UHV AC-transmissieprojek, hoë-sterkte staal transmissie torings is aangeneem, wat goeie ekonomiese en tegniese voordele behaal het. Binnelandse geleerdes het in-diepte navorsing gedoen oor die meganiese eienskappe van hoësterkte staal, soos opbrengssterkte, treksterkte, en rekbaarheid, en het die invloed van hoësterkte staal op die strukturele werkverrigting van transmissietorings bestudeer. In terme van strukturele ontwerp, huishoudelike navorsers het die tradisionele transmissietoringstruktuur geoptimaliseer, voorgestelde nuwe strukturele vorms soos spasiespanstaalbuistorings en saamgestelde materiaaltorings, en die windweerstand van die struktuur verbeter deur die optimalisering van meetkundige parameters en komponentuitleg.
In terme van windladingberekening en windgeïnduseerde vibrasiebeheer, huishoudelike navorsingsinstellings het baie windtonneltoetse en numeriese simulasiestudies uitgevoer, gevestigde windladingsberekeningsmetodes wat geskik is vir China se natuurlike toestande, en 'n reeks windgeïnduseerde vibrasiebeheertoestelle ontwikkel, soos gestemde massadempers en anti-gallopdempers. Byvoorbeeld, Tsinghua Universiteit het windtonneltoetse op groot-span transmissietoringlynstelsels uitgevoer, het die windlasverspreiding en wind-geïnduseerde vibrasie-eienskappe van die stelsel bestudeer, en het tegniese ondersteuning verskaf vir die ontwerp van hoësterkte windbestande transmissietorings.
Maar, daar is steeds 'n paar tekortkominge in die huidige navorsing oor hoësterkte windbestande kragoordragtorings. Aan die een kant, die navorsing oor die meganiese eienskappe van hoësterkte staal onder langtermyn sikliese windbelasting is nie diep genoeg nie, en die vermoeidheidsverrigting en duursaamheid van hoësterkte-staaltransmissietorings benodig verdere verifikasie. Aan die ander kant, die integrasie van nuwe materiale, nuwe strukture, en nuwe tegnologie in die ontwerp van hoësterkte windbestande transmissietorings is nie voldoende nie, en daar is 'n gebrek aan sistematiese ontwerpmetodes en ingenieurservaring. Daarbenewens, die navorsing oor die wind-geïnduseerde vibrasiebeheer van hoësterkte windbestande transmissietorings onder uiterste windtoestande is nog in die eksplorasiestadium. daarom, dit is nodig om meer diepgaande en sistematiese navorsing te doen oor die navorsing en ontwikkeling van hoësterkte windbestande kragoordragtorings.
1.3 Navorsingsdoelwitte en -omvang
Die hoofdoelwitte van hierdie vraestel is: (1) Om die teoretiese basis van hoë-sterkte windbestande kragoordragtoring-ontwerp stelselmatig uit te sorteer, insluitend die meganiese eienskappe van hoë-sterkte materiale, windlading berekeningsmetodes, en strukturele stabiliteitsbeginsels; (2) Om die sleutelontwerptegnologieë van hoësterkte windbestande transmissietorings te bestudeer, insluitend strukturele vormoptimering, hoë-sterkte materiaal toepassing, windbestande komponentontwerp, en liggewig strukturele optimalisering; (3) Om 'n eindige element-model van hoësterkte windbestande transmissietorings te vestig, en simuleer en evalueer hul strukturele sterkte en windbestande werkverrigting onder verskillende windlasvlakke; (4) Om die praktiese toepassingseffek van hoësterkte windbestande transmissietorings deur ingenieursgevallestudies te verifieer, en toekomstige ontwikkelingsrigtings voorstel.
Die navorsingsomvang van hierdie referaat sluit in: (1) Hoësterkte windbestande kragtransmissietorings vir 220kV en hoër kragtransmissielyne, fokus op staalbuistorings en hoekstaaltorings wat hoësterktestaal gebruik (Q420, Q500, ens.); (2) Die sleutel tegniese skakels in die navorsing en ontwikkeling van hoësterkte windbestande transmissietorings, insluitend materiaalkeuse, strukturele ontwerp, windlading berekening, wind-geïnduseerde vibrasie beheer, en prestasietoetsing; (3) Die numeriese simulasie en ontleding van hoësterkte windbestande transmissietorings deur gebruik te maak van eindige element metodes, insluitend statiese analise, dinamiese analise, en stabiliteitsanalise onder windlas; (4) Die ingenieurstoepassing van hoësterkte windbestande transmissietorings in hoëwindspoedgebiede.
1.4 Struktuur van die referaat
Hierdie vraestel is in ses hoofstukke verdeel. Hoofstuk 1 is die inleiding, wat uitbrei oor die navorsingsagtergrond en betekenis van hoësterkte windbestande kragoordragtorings, som die navorsingstatus by die huis en in die buiteland op, verduidelik die navorsingsdoelwitte en -omvang, en stel die struktuur van die vraestel bekend. Hoofstuk 2 stel die teoretiese basis van hoë-sterkte windbestande transmissietoring-ontwerp bekend, insluitend die meganiese eienskappe van hoë-sterkte materiale, windlading berekeningsmetodes, en strukturele stabiliteitsbeginsels. Hoofstuk 3 fokus op die sleutelontwerptegnologieë van hoësterkte windbestande transmissietorings, insluitend strukturele vormoptimering, hoë-sterkte materiaal toepassing, windbestande komponentontwerp, en liggewig strukturele optimalisering. Hoofstuk 4 vestig die eindige element-model van hoësterkte windbestande transmissietorings, en voer statiese analise uit, dinamiese analise, en stabiliteitsanalise onder verskillende windlasvlakke. Hoofstuk 5 neem 'n spesifieke ingenieursgeval as voorbeeld, stel die ontwerp- en konstruksieproses van hoësterkte windbestande transmissietorings bekend, en verifieer hul praktiese toepassing effek. Hoofstuk 6 is die gevolgtrekking en vooruitsig, wat die belangrikste navorsingsresultate opsom, wys op die beperkings van die navorsing, en sien uit na die toekomstige navorsingsrigting.
2. Teoretiese basis van hoësterkte windbestande transmissietoringontwerp
2.1 Meganiese eienskappe van hoësterkte materiale vir transmissietorings
Die keuse van materiale is die grondslag vir die ontwerp van hoësterkte windbestande transmissietorings. Hoë-sterkte materiale kan die strukturele sterkte en styfheid aansienlik verbeter, verminder die strukturele gewig, en verbeter die windweerstand van die toring. Die belangrikste materiale wat in hoësterkte windbestande transmissietorings gebruik word, sluit hoësterkte staal in, Saamgestelde materiale, ens. Hierdie afdeling fokus op die meganiese eienskappe van hoësterkte staal, wat die mees gebruikte materiaal in die huidige transmissietoringkonstruksie is.
2.1.1 Tipes en meganiese aanwysers van hoësterkte staal
Die hoësterkte staal wat algemeen in transmissietorings gebruik word, sluit hoofsaaklik Q420 in, Q500, Q690, ens. In vergelyking met gewone staal (Q235, Q355), hoë-sterkte staal het hoër opbrengssterkte, treksterkte, en goeie rekbaarheid en taaiheid. Die belangrikste meganiese aanwysers van verskeie algemene hoësterkte-staal word in tabel getoon 2.1.
tafel 2.1 Hoof meganiese aanwysers van algemene hoë-sterkte staal
|
Steel Graad
|
opbrengs Krag (MPa)
|
Trek sterkte (MPa)
|
verlenging (%)
|
Impak taaiheid (J) (by -20 ℃)
|
|---|---|---|---|---|
|
Q420
|
≥420
|
520-680
|
≥18
|
≥34
|
|
Q500
|
≥500
|
610-770
|
≥16
|
≥34
|
|
Q690
|
≥690
|
770-940
|
≥14
|
≥34
|
Dit kan uit Tabel gesien word 2.1 dit met die verhoging van die staalgraad, die treksterkte en treksterkte van hoësterkte staal neem aansienlik toe. Byvoorbeeld, die opbrengssterkte van Q690-staal is 3 keer dié van Q235-staal (235 MPa), wat die dravermoë van die transmissietoringstruktuur aansienlik kan verbeter. Op dieselfde tyd, hoësterkte staal het ook goeie rekbaarheid en slagtaaiheid, wat kan verseker dat die struktuur 'n sekere plastiese vervormingsvermoë het voor mislukking, vermy bros mislukking onder die werking van windlas.
2.1.2 Meganiese eienskappe van hoësterkte staal onder windlas
Onder die werking van windlas, transmissietorings word aan dinamiese sikliese belastings onderwerp, wat hoësterkte staal vereis om goeie vermoeiingsprestasie en dinamiese meganiese eienskappe te hê. Moegheidsprestasie is 'n belangrike aanwyser om die lewensduur van hoë-sterkte staal transmissietorings te meet. Onder die aksie van langtermyn sikliese windladings, die staalkomponente is geneig tot vermoeiingsskade, wat tot strukturele mislukking kan lei.
Binnelandse en buitelandse geleerdes het baie moegheidstoetse op hoësterkte staal uitgevoer. Die toetsresultate toon dat die vermoeiingssterkte van hoësterkte staal hoër is as dié van gewone staal. Byvoorbeeld, die moegheidssterkte van Q420-staal onder 10^6-siklusse is ongeveer 220 MPa, wat is 30% hoër as dié van Q235-staal (160 MPa). Daarbenewens, die moegheidssterkte van hoësterkte staal kan verder verbeter word deur die vervaardigingsproses te optimaliseer (soos om die oppervlakruwheid van komponente te verminder) en die aanneming van anti-moegheidsmaatreëls (soos filetsweis en slyp).
Die dinamiese meganiese eienskappe van hoësterkte staal onder windlas is ook 'n belangrike navorsingsinhoud. Onder die aksie van skielike sterk windvragte (soos tifone), die transmissietoringstruktuur word aan impakladings onderwerp, wat hoë-sterkte staal vereis om goeie slagtaaiheid te hê. Die impaktaaiheidstoetsresultate toon dat hoësterkte staal steeds goeie slagtaaiheid by lae temperature het, wat aan die vereistes van transmissietoringkonstruksie in koue streke kan voldoen.
2.1.3 Toepassing van saamgestelde materiale in transmissietorings
Benewens hoë-sterkte staal, Saamgestelde materiale (soos veselversterkte polimeer, FRP) word ook geleidelik toegepas op die gebied van hoësterkte windbestande transmissietorings. Saamgestelde materiale het die voordele van ligte gewig, hoë sterkte, goeie weerstand teen korrosie, en weerstand teen moegheid. Die digtheid van FRP saamgestelde materiale is slegs 1/4-1/5 van dié van staal, en hul treksterkte is hoër as dié van hoësterkte staal. Daarbenewens, saamgestelde materiale het goeie korrosiebestandheid, wat die korrosieprobleem van staaltransmissietorings in vogtige en sout-alkali-omgewings kan vermy.
Maar, die aanwending van saamgestelde materiale in transmissietorings is nog in die eksplorasiestadium. Die belangrikste probleme sluit in hoë koste, onvolwasse ontwerpstandaarde, en swak bindingsverrigting met staalkomponente. Met die voortdurende ontwikkeling van saamgestelde materiaal tegnologie en die vermindering van koste, saamgestelde materiale sal wyer toepassingsvooruitsigte hê in hoësterkte windbestande transmissietorings. Byvoorbeeld, saamgestelde materiale kan gebruik word om liggewig kruisarms te vervaardig, isolators, en ander komponente van transmissietorings, wat die strukturele gewig kan verminder en die windweerstand van die toring kan verbeter.
2.2 Windladingsberekeningmetodes vir transmissietorings
Windlas is die hooflas wat die windweerstand van transmissietorings beïnvloed. Akkurate berekening van windlading is die uitgangspunt vir die ontwerp van hoësterkte windbestande transmissietorings. Die windlasberekening vir transmissietorings sluit hoofsaaklik die bepaling van basiese windspoed in, die berekening van basiese winddruk, en die berekening van windlas op die struktuur. Hierdie afdeling stel die algemene windladingsberekeningsmetodes vir hoësterkte windbestande transmissietorings bekend.
2.2.1 Bepaling van basiese windspoed
Basiese windspoed is die maksimum windspoed binne 'n sekere terugkeerperiode (gewoonlik 50 jaar of 100 jaar) op 'n standaard hoogte (gewoonlik 10m) in die area waar die transmissietoring geleë is. Dit is die basis vir die berekening van windlading. Die basiese windspoed kan verkry word deur die plaaslike meteorologiese data of die nasionale windladingstandaard navraag te doen. Byvoorbeeld, volgens GB 50009-2012 “Kode vir vragte op geboustrukture” in Sjina, die basiese windspoed in kusgebiede soos Guangdong en Fujian is 30-50 m / s (50-jaar terugkeer tydperk), terwyl die basiese windspoed in binnelandse gebiede algemeen is 20-30 m / s.
Vir gebiede met hoë windspoed soos tifoon-gevoelige gebiede, die basiese windspoed moet bepaal word gebaseer op die werklike gemete windspoeddata. Daarbenewens, met inagneming van die invloed van klimaatsverandering, die basiese windspoed moet toepaslik verhoog word om die windweerstand van die transmissietoring te verseker. Byvoorbeeld, sommige geleerdes het voorgestel dat die basiese windspoed in tifoongevoelige gebiede met verhoog moet word 10-15% om die moontlike toename van uiterste windweer die hoof te bied.
2.2.2 Berekening van Basiese Winddruk
Basiese winddruk is die dinamiese druk wat deur die basiese windspoed gegenereer word, wat met behulp van die formule bereken kan word (2.1):
w₀ = 0.5ρv₀² (2.1)
waar: w₀ is die basiese winddruk (kPa); ρ is die lugdigtheid (kg/m³), gewoonlik geneem as 1.225 kg/m³; v₀ is die basiese windspoed (m / s).
Byvoorbeeld, as die basiese windspoed v₀ is 40 m / s, die basiese winddruk w₀ is 0,5×1,225×40² = 98 kPa.
Daar moet kennis geneem word dat die basiese winddruk verband hou met die hoogte, temperatuur, en humiditeit van die area. Vir hoë hoogte gebiede, die lugdigtheid is klein, en die basiese winddruk moet gekorrigeer word volgens die werklike lugdigtheid.
2.2.3 Berekening van windlas op transmissietorings
Die windlas wat op die transmissietoringstruktuur inwerk word bereken deur die basiese winddruk met die windlaskoëffisiënt te vermenigvuldig, die hoogtekoëffisiënt, en die vormkoëffisiënt. Die berekeningsformule word in formule getoon (2.2):
F_w = w₀μ_sμ_zA (2.2)
waar: F_w is die windlas wat op die struktuur inwerk (Masjinerie- en Beroepsveiligheidswet van die Republiek van Suid-Afrika wat vir die doel van hierdie kontrak in Namibië van toepassing sal wees); μ_s is die vormkoëffisiënt; μ_z is die hoogtekoëffisiënt; A is die windwaartse area van die struktuur (Masjinerie- en Beroepsveiligheidswet van die Republiek van Suid-Afrika wat vir die doel van hierdie kontrak in Namibië van toepassing sal wees).
Die vormkoëffisiënt μ_s hou verband met die deursneevorm van die transmissietoringkomponente. Byvoorbeeld, die vormkoëffisiënt van 'n sirkelvormige staalbuis is 0.8-1.0, terwyl die vormkoëffisiënt van 'n hoekstaal is 1.2-1.5. Die sirkelvormige deursnee van staalbuistorings het 'n kleiner vormkoëffisiënt, wat die windlas wat op die struktuur inwerk, kan verminder. Die hoogtekoëffisiënt μ_z weerspieël die variasie van windspoed met hoogte. Met die toename van hoogte, die windspoed neem toe, en die hoogtekoëffisiënt neem ook toe. Die windwaartse area A is die projeksie area van die struktuur op die windwaartse vlak, wat volgens die deursneegrootte en hoogte van die komponente bereken kan word.
Daarbenewens, transmissietorings word ook aan windgeïnduseerde vibrasieladings onderwerp, soos galop, fladder, en vortex-geïnduseerde vibrasie. Hierdie vibrasieladings kan deur middel van windtonneltoetse en dinamiese analise bereken word. Vir hoësterkte windbestande transmissietorings, dit is nodig om die gekombineerde werking van statiese windlas en dinamiese wind-geïnduseerde vibrasielas in ag te neem om die strukturele veiligheid te verseker.
2.3 Strukturele stabiliteitsbeginsels van transmissietorings
Strukturele stabiliteit is 'n belangrike aanwyser om die windweerstand van transmissietorings te meet. Onder die werking van windlas, transmissietorings is geneig tot algehele knik of plaaslike knik, wat tot strukturele ineenstorting kan lei. daarom, dit is nodig om in-diepte navorsing te doen oor die strukturele stabiliteitsbeginsels van hoësterkte windbestande transmissietorings.
2.3.1 Algehele stabiliteit van transmissietorings
Algehele stabiliteit verwys na die vermoë van die transmissietoringstruktuur om sy oorspronklike ewewigsvorm te handhaaf onder die werking van eksterne vragte. Die algehele stabiliteit van transmissietorings word hoofsaaklik deur die strukturele vorm beïnvloed, geometriese parameters, materiaal eienskappe, en lastoestande. Vir hoësterkte windbestande transmissietorings, die algehele stabiliteit word gewoonlik geëvalueer deur die kritieke kniklas te bereken.
Die kritieke kniklas van 'n transmissietoringstruktuur kan bereken word deur gebruik te maak van die eiewaarde knikontledingsmetode. Die eiewaarde knik-analise is gebaseer op die lineêre elastiese aanname, en die kritieke kniklas kan verkry word deur die eiewaardeprobleem van die strukturele styfheidsmatriks op te los. Die formule vir die berekening van die kritieke kniklas word in formule getoon (2.3):
[K – λK_G]φ = 0 (2.3)
waar: K is die strukturele styfheidsmatriks; K_G is die geometriese styfheidsmatriks; λ is die eiewaarde (kritieke lasfaktor); φ is die eievektor (knikmodus).
Die kritieke kniklas P_cr = λP, waar P die ontwerplading is. Volgens die ontwerpstandaard, die stabiliteit veiligheidsfaktor van transmissie torings moet nie minder as 2.5. As die kritieke kniklas groter is as 2.5 keer die ontwerplading, die algehele stabiliteit van die struktuur is bevredig.
2.3.2 Plaaslike stabiliteit van transmissietoringkomponente
Plaaslike stabiliteit verwys na die vermoë van individuele komponente van die transmissietoring (soos staalbuise, hoekstaal) om hul oorspronklike deursneevorm onder die werking van eksterne vragte te behou. Plaaslike knik van komponente sal die dravermoë van die komponente verminder en kan die algehele stabiliteit van die struktuur verder beïnvloed.
Vir hoë-sterkte staal komponente, die plaaslike stabiliteit word gewoonlik gekontroleer volgens die genormaliseerde slankheidsverhouding. Die genormaliseerde slankheidsverhouding λ_n word deur formule bereken (2.4):
λ_n = λ/√(f_j/235) (2.4)
waar: λ is die skraalheidsverhouding van die komponent; f_y is die vloeisterkte van die staal.
Volgens die ontwerpstandaard, die maksimum toelaatbare genormaliseerde slankheidsverhouding λ_max vir hoësterkte staalkomponente is 1.0. As λ_n ≤ 1.0, die plaaslike stabiliteit van die komponent is bevredig. Vir komponente met 'n groot slankheidsverhouding, stywe ribbes kan bygevoeg word om die plaaslike stabiliteit te verbeter.
Daarbenewens, die plaaslike stabiliteit van die verbindingsdele van komponente (soos flensverbindings, boutverbindings) moet ook nagegaan word. Die verbindingsdele is geneig tot spanningskonsentrasie onder windlas, wat tot plaaslike knik kan lei. daarom, dit is nodig om die ontwerp van die verbindingsdele te optimaliseer om hul plaaslike stabiliteit te verseker.
3. Sleutelontwerptegnologieë van hoësterkte windbestande transmissietorings
3.1 Strukturele vormoptimering van transmissietorings
Die strukturele vorm van transmissietorings beïnvloed hul windweerstand en strukturele werkverrigting direk. Die optimalisering van strukturele vorm is 'n belangrike manier om die windweerstand van hoësterkte windbestande transmissietorings te verbeter. Hierdie afdeling stel die strukturele vormoptimering van hoësterkte windbestande transmissietorings bekend uit die aspekte van toringliggaamstruktuur, kruis arm struktuur, en nodusstruktuur.
3.1.1 Optimalisering van toringliggaamstruktuur
Die toringliggaam van tradisionele transmissietorings is meestal 'n prismastruktuur met 'n konstante deursnee. Onder die werking van windlas, die spanningsverspreiding van die toringliggaam is ongelyk, en die windlaskoëffisiënt is groot. Om die windweerstand van die toringliggaam te verbeter, die toringliggaamstruktuur kan geoptimaliseer word in 'n tapse struktuur of 'n veranderlike deursnitstruktuur.
Die tapse toringliggaam het 'n groter deursnee-grootte aan die onderkant en 'n kleiner deursnee-grootte aan die bokant, wat die spanningsverspreiding van die toringliggaam meer eenvormig kan maak onder windlas en die algehele stabiliteit van die struktuur kan verbeter. Die hellingshoek van die tapse toringliggaam is 'n belangrike ontwerpparameter. Die algemeen gebruikte hellingshoek is 1/20-1/30. Deur die hellingshoek te optimaliseer, die windweerstand van die toringliggaam kan verder verbeter word. Byvoorbeeld, wanneer die hellingshoek is 1/25, die algehele stabiliteit van die toringliggaam is die beste, en die windlaskoëffisiënt is die kleinste.
Die veranderlike deursnee toringliggaam pas die deursneegrootte van die toringliggaam aan volgens die verandering van windlas langs die hoogte. In die hoë-wind-spoed area van die toring liggaam (soos die middel- en boonste dele), 'n groter deursnee-grootte word aangeneem om die styfheid en dravermoë te verbeter; in die lae windspoed area (soos die onderkant), 'n kleiner deursneegrootte word aangeneem om die strukturele gewig te verminder. Die veranderlike deursnee toringliggaam kan die balans tussen strukturele prestasie en ekonomiese doeltreffendheid bereik, en word wyd gebruik in hoësterkte windbestande transmissietorings.
3.1.2 Optimalisering van kruisarmstruktuur
Die kruisarm is 'n belangrike komponent van die transmissietoring, wat die geleierspanning en windlas dra. Die tradisionele dwarsarmstruktuur is meestal 'n vakwerkstruktuur met 'n konstante deursnit. Onder die werking van windlas, die einde van die kruisarm is geneig tot oormatige verplasing en spanningskonsentrasie. Om die windweerstand van die kruisarm te verbeter, die dwarsarmstruktuur kan geoptimaliseer word in 'n veranderlike dwarssnit trusstruktuur of 'n bokstipe struktuur.
Die veranderlike dwarssnee-kapstruktuur van die dwarsarm verhoog die dwarssnitgrootte van die vakwerklede aan die wortel en einde van die dwarsarm, wat die styfheid en dravermoë van die kruisarm kan verbeter. Die boks-tipe kruisarmstruktuur bestaan uit staalplate wat in 'n boksvorm gesweis is, wat hoë styfheid het, goeie windweerstand, en klein windlaskoëffisiënt. In vergelyking met die tradisionele truss-kruisarm, die boks-tipe dwarsarm kan die windlas met verminder 20-30% en verbeter die windweerstand deur 30-40%.
Daarbenewens, die lengte van die kruisarm is ook 'n belangrike ontwerpparameter. Die lengte van die dwarsarm moet bepaal word volgens die fasespasiëring van die geleiers en die isolasieafstand. Deur die lengte van die kruisarm te optimaliseer, die windlas op die dwarsarm kan verminder word, en die algehele stabiliteit van die transmissietoring kan verbeter word.
3.1.3 Optimalisering van nodusstruktuur
Die nodus is die verbindingsdeel van die transmissietoringkomponente, wat die las tussen die komponente oordra. Die nodusstruktuur het 'n belangrike impak op die algehele werkverrigting van die transmissietoring. Tradisionele nodusstrukture (soos boutverbindings, geklonkte verbindings) het probleme soos lae verbindingssterkte en swak vermoeiingsprestasie onder windlas. Om die windweerstand van die transmissietoring te verbeter, die nodusstruktuur kan geoptimaliseer word in 'n gelaste nodusstruktuur of 'n flensverbindingsnodusstruktuur.
Die gelaste nodusstruktuur het 'n hoë verbindingssterkte en goeie integriteit, wat die las effektief tussen komponente kan oordra en spanningskonsentrasie by die nodus kan vermy. Maar, die sweisproses het hoë vereistes, en die sweiskwaliteit beïnvloed die werkverrigting van die nodus direk. Die flensverbindingsknoopstruktuur verbind die komponente deur flense en hoësterkteboute, wat die voordele van gerieflike installasie en demontage inhou, en hoë verbindingssterkte. Die flensverbindingsknoopstruktuur word wyd gebruik in hoësterkte windbestande staalbuistorings.
Daarbenewens, die nodusstruktuur moet ontwerp word met afgeronde hoeke en gladde oorgange om spanningskonsentrasie te vermy. Op dieselfde tyd, die aantal nodusse moet tot die minimum beperk word om die struktuur te vereenvoudig en die windweerstand van die transmissietoring te verbeter.
3.2 Toepassing van hoësterkte materiale in transmissietorings
Die toepassing van hoësterktemateriale is die kerntegnologie van hoësterkte windbestande transmissietorings. Redelike keuse en toepassing van hoë-sterkte materiale kan die strukturele sterkte en windweerstand aansienlik verbeter, verminder die strukturele gewig, en die ekonomiese doeltreffendheid van die projek te verbeter. Hierdie afdeling stel die toepassing van hoësterkte staal en saamgestelde materiale in hoësterkte windbestande transmissietorings bekend.
3.2.1 Toepassing van hoësterkte-staal in transmissietorings
Hoogsterkte staal (Q420, Q500, Q690) word wyd gebruik in die toringliggaam, kruis arms, en ander sleutelkomponente van hoësterkte windbestande transmissietorings. Wanneer hoësterkte staal toegedien word, dit is nodig om die staalgraad redelik te kies volgens die lastoestande en strukturele vereistes van die transmissietoring.
Vir die toringliggaamkomponente wat groot windbelasting en geleierspanning dra, hoë-graad hoë-sterkte staal (soos Q500, Q690) moet gekies word om die dravermoë en stabiliteit van die komponente te verbeter. Vir die kruisarm komponente, medium-graad hoë-sterkte staal (soos Q420) kan gekies word om die strukturele prestasie en ekonomiese doeltreffendheid te balanseer. Daarbenewens, die toepassing van hoë-sterkte staal moet gekombineer word met die optimalisering van komponent deursnee grootte. Deur die deursneegrootte van komponente te verminder, die strukturele gewig kan verminder word, en die windlas op die struktuur kan verder verminder word.
Daar moet kennis geneem word dat die toepassing van hoësterkte staal ooreenstemmende veranderinge in die ontwerpmetode en konstruksietegnologie vereis. Byvoorbeeld, die ontwerp van hoësterkte staalkomponente moet die invloed van materiaal nie-lineariteit in ag neem, en die konstruksie moet hoë-presisie verwerking en installasie tegnologie aanneem om die strukturele prestasie te verseker.
3.2.2 Toepassing van saamgestelde materiale in transmissietorings
Saamgestelde materiale (FRP) het die voordele van ligte gewig, hoë sterkte, en goeie weerstand teen korrosie, en word geleidelik in hoësterkte windbestande transmissietorings toegepas. Die toepassing van saamgestelde materiale in transmissietorings sluit hoofsaaklik die vervaardiging van kruisarms in, isolators, en toringliggaamkomponente.
Die kruisarm van saamgestelde materiaal is lig in gewig (enigste 1/3-1/4 van dié van staalkruisarms) en het goeie windweerstand. Dit kan die windlas op die transmissietoring verminder en die algehele stabiliteit van die struktuur verbeter. Die saamgestelde materiaal isolator het goeie isolasie prestasie en weerstand teen korrosie, wat die besoedelingsprobleem van tradisionele keramiekisolators in vogtige en sout-alkali-omgewings kan vermy. Die saamgestelde materiaal toringliggaamkomponente is nog in die eksperimentele stadium, maar met die voortdurende ontwikkeling van saamgestelde materiaal tegnologie, hulle sal breër toepassingsvooruitsigte hê.
Maar, die toepassing van saamgestelde materiale in transmissietorings staar ook 'n paar uitdagings in die gesig. Byvoorbeeld, die koste van saamgestelde materiale is hoog, wat hul grootskaalse toepassing beperk. Daarbenewens, die bindingsverrigting tussen saamgestelde materiale en staalkomponente moet verder verbeter word. daarom, in die toepassing van saamgestelde materiale, dit is nodig om in-diepte navorsing oor hul meganiese eienskappe en ontwerpmetodes te doen, en ontwikkel laekoste saamgestelde materiaal tegnologieë.
3.3 Ontwerp van windbestande komponente vir transmissietorings
Die ontwerp van windbestande komponente is 'n belangrike manier om die windweerstand van hoësterkte windbestande transmissietorings te verbeter. Deur windbestande komponente te installeer, die windlas op die transmissietoring kan verminder word, die dinamiese reaksie van die struktuur kan beheer word, en die windweerstand van die toring kan verbeter word. Hierdie afdeling stel die ontwerp van algemene windbestande komponente bekend, soos anti-galop toestelle, gestemde massa dempers, en draaikolkgenerators.
3.3.1 Ontwerp van anti-galopperende toestelle
Galop is 'n lae frekwensie, groot-amplitude self-opgewekte vibrasie van geleiers veroorsaak deur windlas, wat ernstige skade aan transmissietorings kan veroorsaak. Die ontwerp van anti-galop toestelle is 'n belangrike maatreël om geleier galop te voorkom. Algemene anti-galop-toestelle sluit in anti-gallop-dempers, spasieerdempers, en aërodinamiese spoilers.
Anti-galopperende dempers absorbeer die energie van galoperende vibrasie deur die relatiewe beweging van interne komponente, verminder die amplitude van geleiervibrasie. Die ontwerp van anti-galopperende dempers moet die natuurlike frekwensie van die geleier en die eienskappe van windlas in ag neem, en kies die toepaslike demperparameters (soos dempingskoëffisiënt, styfheid) om die anti-galopperende effek te verseker. Spasieerdempers word gebruik om gesplete geleiers te verbind, die relatiewe beweging tussen geleiers beperk en galop voorkom. Aërodinamiese spoilers verander die aërodinamiese eienskappe van die geleieroppervlak, die vermindering van die aërodinamiese krag wat galop veroorsaak.
3.3.2 Ontwerp van gestemde massadempers
Gestemde massa dempers (TMD) word wyd gebruik in die wind-geïnduseerde vibrasiebeheer van transmissietorings. TMD bestaan uit 'n massablok, 'n lente, en 'n demper. Deur die natuurlike frekwensie van TMD aan te pas om naby die natuurlike frekwensie van die transmissietoring te wees, die vibrasie-energie van die toring kan geabsorbeer word, en die dinamiese reaksie van die struktuur kan verminder word.
Die ontwerp van TMD moet die natuurlike frekwensie en dempverhouding van die transmissietoring in ag neem. Die massa van die TMD-massablok is gewoonlik 1-5% van die totale massa van die transmissietoring. Die veerstyfheid en dempingskoëffisiënt van TMD word bepaal volgens die natuurlike frekwensie van die toring. Die installasie posisie van TMD is gewoonlik aan die bokant van die toring of die einde van die kruisarm, waar die vibrasie-amplitude die grootste is, om die beste vibrasiebeheer-effek te bereik.
3.3.3 Ontwerp van Vortex Generators
Vortex-geïnduseerde vibrasie is 'n vibrasie wat veroorsaak word deur die draaikolk wat van die oppervlak van transmissietoringkomponente afkom. Vortex-opwekkers kan die vorming van draaikolke vernietig, verminder die vortex-geïnduseerde vibrasie van komponente. Die ontwerp van draaikolkgenerators moet die deursneevorm en -grootte van die komponente in ag neem, en die windspoed-eienskappe van die gebied.
Algemene draaikolkopwekkers sluit driehoekige draaikolkopwekkers en reghoekige draaikolkopwekkers in. Die driehoekige draaikolkgenerator het 'n beter draaikolkbreek-effek en word wyd in transmissietorings gebruik. Die installasiedigtheid en -hoek van draaikolkgenerators moet geoptimaliseer word volgens die windtonneltoetsresultate om die beste anti-kolk-geïnduseerde vibrasie-effek te verseker.
3.4 Liggewig-optimalisering van transmissietoringstrukture
Liggewigoptimalisering is 'n belangrike doelwit in die ontwerp van hoësterkte windbestande transmissietorings. Deur die strukturele gewig te verminder, die windlas op die transmissietoring kan verminder word, die fondasiekoste kan bespaar word, en die ekonomiese doeltreffendheid van die projek kan verbeter word. Die liggewig-optimalisering van transmissietoringstrukture kan bereik word deur die optimering van komponent-deursneegrootte, die keuse van liggewig materiale, en die vereenvoudiging van strukturele vorms.
3.4.1 Optimalisering van komponent deursneegrootte
Die deursneegrootte van transmissietoringkomponente beïnvloed die strukturele gewig en dravermoë direk. Deur die optimalisering van komponent deursnee grootte, die minimum deursneegrootte wat aan die sterkte- en stabiliteitsvereistes voldoen, kan verkry word, en die strukturele gewig kan verminder word. Die optimering van komponent deursneegrootte kan uitgevoer word deur gebruik te maak van die eindige element metode en wiskundige optimeringsalgoritmes.
Eerste, die eindige element-model van die transmissietoring word vasgestel, en die interne kragte en verplasings van elke komponent onder ontwerpladings word bereken. Toe, neem die minimum totale gewig van die komponente as die objektiewe funksie en die sterkte, styfheid, en stabiliteit van die komponente as die beperkingstoestande, die optimale deursneegrootte van elke komponent word verkry deur optimaliseringsberekening. Byvoorbeeld, die gebruik van die genetiese algoritme om die deursneegrootte van die toringliggaamskomponente te optimaliseer, kan die strukturele gewig verminder deur 10-15% terwyl die strukturele prestasie verseker word.
3.4.2 Seleksie van liggewig materiale
Die keuse van liggewig materiale is 'n belangrike manier om die liggewig van transmissietorings te bereik. Hoësterkte staal en saamgestelde materiale is tipiese liggewig materiale. In vergelyking met gewone staal, hoë-sterkte staal het hoër sterkte, en die deursneegrootte van komponente kan onder dieselfde lastoestande verminder word, waardeur die strukturele gewig verminder word. Saamgestelde materiale het die voordele van ligte gewig en hoë sterkte, en kan die strukturele gewig verder verminder.
Byvoorbeeld, die gebruik van Q500 hoësterkte staal in plaas van Q235 gewone staal in transmissietorings kan die deursnee-area van komponente verminder deur 30-40% en die strukturele gewig deur 20-30%. Die gebruik van saamgestelde materiaal kruis arms in plaas van staal kruis arms kan die gewig van die kruis arms verminder deur 60-70%.
3.4.3 Vereenvoudiging van struktuurvorme
Die vereenvoudiging van strukturele vorms kan ook die liggewig van transmissietorings bereik. Deur die aantal komponente en nodusse te verminder, die strukturele uitleg te vereenvoudig, die strukturele gewig kan verminder word. Byvoorbeeld, die tradisionele truss toring liggaam kan vereenvoudig word in 'n staal buis toring liggaam, wat die aantal komponente verminder en die strukturele integriteit verbeter. Die vereenvoudigde strukturele vorm verminder nie net die strukturele gewig nie, maar verbeter ook die konstruksiedoeltreffendheid en verminder die konstruksiekoste.
4. Eindige Element-analise van hoësterkte windbestande transmissietorings
4.1 Vestiging van Eindige Element Model
Eindige elementanalise (FEA) is 'n kragtige instrument vir die simulering en ontleding van die meganiese werkverrigting van hoësterkte windbestande transmissietorings. Dit kan die spanning akkuraat bereken, verplasing, en dinamiese eienskappe van die struktuur onder verskillende windlasvlakke, die verskaffing van 'n betroubare basis vir die ontwerp en optimalisering van die struktuur. Hierdie afdeling neem 'n 220kV hoësterkte windbestande staalbuistoring as 'n voorbeeld om sy eindige element-model met behulp van ANSYS-sagteware te vestig.
4.1.1 Meetkundige modellering
Eerste, die 3D-geometriese model van die 220kV hoësterkte windbestande staalbuistoring word gevestig met behulp van ANSYS DesignModeler-sagteware. Die belangrikste parameters van die toring is soos volg: toringhoogte is 60m, basis breedte is 12m, boonste breedte is 1,8m, toringliggaam is 'n tapse staalbuisstruktuur met 'n wanddikte van 8-16mm, kruisarms is bokstipe staalbuisstrukture met 'n lengte van 20m en 'n wanddikte van 10mm, isolators word vereenvoudig as silindriese strukture met 'n lengte van 5m en 'n deursnee van 0,1m, en geleiers is 4-gesplete geleiers met 'n deursnee van 28mm en 'n splitsafstand van 0,4m.
Tydens die meetkundige modelleringsproses, klein komponente wat min impak op die meganiese werkverrigting van die struktuur het (soos boute, neute, en klein hakies) word geïgnoreer om die model te vereenvoudig. Die verbinding tussen die komponente word vereenvoudig as 'n rigiede verbinding.
4.1.2 Mesh Generasie
Die maasgenerering van die eindige elementmodel word uitgevoer met behulp van ANSYS Meshing-sagteware. Met inagneming van die komplekse struktuur van die toring en die hoë vereiste van berekeningsakkuraatheid, tetraëdriese elemente word vir die toringliggaam gebruik, kruis arms, en isoleerders, en balkelemente word vir die geleiers gebruik. Die maasgrootte is geoptimaliseer om die berekeningsakkuraatheid en doeltreffendheid te balanseer. Die maasgrootte van die toringliggaam en kruisarms is ingestel op 0,4-0,8m, die maasgrootte van die isolators is ingestel op 0,2-0,4m, en die maasgrootte van die geleiers is ingestel op 0,8-1,5m.
Na maasgenerering, die gaaskwaliteit word nagegaan. Die maaskwaliteit-aanwysers sluit aspekverhouding in, skeefheid, en ortogonaliteit. Die gemiddelde aspekverhouding van die maas is 1.5, die gemiddelde skeefheid is 0.22, en die gemiddelde ortogonaliteit is 0.78, wat almal aan die vereistes van eindige-elementberekening voldoen. Die totale aantal maaselemente is 2,850,000, en die totale aantal nodusse is 4,960,000.
4.1.3 Materiaalparameterinstelling
Die toringliggaam en kruisarms is gemaak van Q420 hoësterkte staal, die geleiers is van aluminiumlegering gemaak, en die isolators is gemaak van FRP saamgestelde materiale. Die materiaalparameters word soos volg gestel: Q420 hoë-sterkte staal het 'n digtheid van 7850 kg/m³, elastiese modulus van 206 GPa, en Poisson se verhouding van 0.3; aluminiumlegering het 'n digtheid van 2700 kg/m³, elastiese modulus van 70 GPa, en Poisson se verhouding van 0.33; FRP saamgestelde materiale het 'n digtheid van 1800 kg/m³, elastiese modulus van 35 GPa, en Poisson se verhouding van 0.24.
4.1.4 Grensvoorwaarde-instelling
Die fondasie van die transmissietoring is vas, dus die verplasing van die fondasie nodusse in die x, y, en z-rigtings is beperk tot nul. Die geleiers is deur isolators aan die kruisarms verbind, dus word die verbinding tussen die geleiers en die isolators as 'n skarnierverbinding gestel. Die windlas word as 'n eenvormige druklas op die oppervlak van die toringliggaam en kruisarms toegepas.
4.2 Statiese analise onder windlas
Statiese analise onder windlas word uitgevoer om die spanning en verplasing van die hoësterkte windbestande transmissietoring onder verskillende windlasvlakke te bereken, verifieer die sterkte en styfheid van die struktuur. Hierdie afdeling kies drie windlasvlakke (basiese windspoed 30 m / s, 40 m / s, 50 m / s) vir statiese analise.
4.2.1 Statiese ontledingsresultate onder basiese windspoed 30 m / s
Wanneer die basiese windspoed is 30 m / s, die basiese winddruk is 0,5×1,225×30² = 55.125 kPa. Die statiese analise resultate toon dat die maksimum spanning van die transmissietoringstruktuur is 168 MPa, wat by die verbinding tussen die toringliggaam en die kruisarms geleë is. Die maksimum verplasing van die struktuur is 0,32m, wat aan die einde van die kruisarms geleë is. Die maksimum spanning is baie minder as die opbrengssterkte van Q420 hoësterkte staal (420 MPa), en die maksimum verplasing is binne die toelaatbare omvang (0.4m), wat aandui dat die struktuur voldoende sterkte en styfheid het onder hierdie windlasvlak.
4.2.2 Statiese ontledingsresultate onder basiese windspoed 40 m / s
Wanneer die basiese windspoed is 40 m / s, die basiese winddruk is 98 kPa. Die statiese analise resultate toon dat die maksimum spanning van die transmissietoringstruktuur is 245 MPa, wat aan die onderkant van die toringliggaam geleë is. Die maksimum verplasing van die struktuur is 0,58m, wat aan die einde van die kruisarms geleë is. Die maksimum spanning is steeds minder as die opbrengs van Q420 hoësterkte staal, en die maksimum verplasing is binne die toelaatbare omvang (0.6m), wat aandui dat die struktuur goeie windweerstand onder hierdie windlasvlak het.
4.2.3 Statiese ontledingsresultate onder basiese windspoed 50 m / s
Wanneer die basiese windspoed is 50 m / s, die basiese winddruk is 153.125 kPa. Die statiese analise resultate toon dat die maksimum spanning van die transmissietoringstruktuur is 322 MPa, wat aan die onderkant van die toringliggaam geleë is. Die maksimum verplasing van die struktuur is 0,85m, wat aan die einde van die kruisarms geleë is. Die maksimum spanning is steeds minder as die opbrengs van Q420 hoësterkte staal, en die maksimum verplasing is binne die toelaatbare omvang (0.9m), wat aandui dat die struktuur uiterste windlasvlakke kan weerstaan en uitstekende windweerstand het.
4.3 Dinamiese analise onder windlas
Dinamiese analise onder windlas word uitgevoer om die dinamiese eienskappe van die hoësterkte windbestande transmissietoring te bestudeer, insluitend natuurlike frekwensie, natuurlike tydperk, en dinamiese reaksie onder wind-geïnduseerde vibrasie. Die dinamiese analise resultate is die basis vir die ontwerp van windbestande komponente.
4.3.1 Modale analise
Modale analise word uitgevoer met behulp van die subruimte-iterasiemetode in ANSYS-sagteware. Die eerste 10 natuurlike frekwensies en modusvorme van die transmissietoringstruktuur word bereken. Die resultate van die modale analise toon dat die eerste natuurlike frekwensie van die struktuur is 0.65 Hz, die natuurlike tydperk is 1.54 s, en die eerste modusvorm is die laterale buigvibrasie van die toringliggaam. Die tweede natuurlike frekwensie is 1.02 Hz, die natuurlike tydperk is 0.98 s, en die tweede modusvorm is die torsievibrasie van die toringliggaam. Die natuurlike frekwensies van die struktuur is relatief laag, wat te wyte is aan die groot hoogte en klein styfheid van die struktuur. daarom, dit is nodig om windbestande komponente te installeer om die wind-geïnduseerde vibrasie van die struktuur te beheer.
4.3.2 Wind-geïnduseerde vibrasie-reaksie-analise
Wind-geïnduseerde vibrasie-reaksie-analise word uitgevoer met behulp van die verbygaande dinamiese analise-metode. Die windlas word gesimuleer as 'n tyd-varierende las volgens die windspoed tyd-geskiedenis kurwe. Die analise resultate toon dat die maksimum dinamiese spanning van die transmissietoringstruktuur onder windgeïnduseerde vibrasie is 358 MPa, wat aan die onderkant van die toringliggaam geleë is. Die maksimum dinamiese verplasing is 0,92m, wat aan die einde van die kruisarms geleë is. Die maksimum dinamiese spanning is steeds minder as die opbrengssterkte van Q420 hoësterkte staal, wat aandui dat die struktuur goeie dinamiese werkverrigting het onder wind-geïnduseerde vibrasie.
Daarbenewens, die windgeïnduseerde vibrasiereaksie van die struktuur na die installering van die ingestemde massademper (TMD) word ook ontleed. Die TMD-parameters word soos volg gestel: massa is 2 ton, styfheid is 150 kN / m, dempingskoëffisiënt is 5 kN·s/m. Die analise resultate toon dat na die installering van TMD, die maksimum dinamiese spanning van die struktuur word verminder tot 295 MPa, en die maksimum dinamiese verplasing word verminder tot 0.72m, wat 'n vermindering van 17.3% en 21.7% onderskeidelik. Dit dui daarop dat TMD 'n goeie beheer-effek het op die wind-geïnduseerde vibrasie van die struktuur.
4.4 Stabiliteitsanalise onder windlas
Stabiliteitsanalise onder windlading word uitgevoer om die algehele stabiliteit en plaaslike stabiliteit van die hoësterkte windbestande transmissietoring te evalueer, verseker dat die struktuur nie knikbreuk ondergaan onder windlas nie. Hierdie afdeling gebruik die eiewaarde-knik-analisemetode en die meetkundig nie-lineêre knikanalise-metode om stabiliteitsanalise uit te voer.
4.4.1 Eiewaarde Knikanalise
Die eiewaarde knik analise resultate toon dat die eerste kritieke knik las van die transmissie toring struktuur is 3.8 keer die ontwerp windlas (basiese windspoed 40 m / s), en die eerste knikmodus is die laterale algehele knik van die toringliggaam. Volgens die ontwerpstandaard, die stabiliteit veiligheidsfaktor van transmissie torings moet nie minder as 2.5. Die berekende stabiliteitsveiligheidsfaktor (3.8) is groter as die vereiste waarde, wat aandui dat die struktuur voldoende algehele stabiliteit onder windlas het.
4.4.2 Meetkundige nie-lineêre knikanalise
Die eiewaarde knik-analise is gebaseer op die lineêre elastiese aanname en neem nie die invloed van meetkundige nie-lineariteit in ag nie. Om meer akkurate stabiliteitsanalise resultate te verkry, geometries nie-lineêre knikanalise word verder uitgevoer. Die ontledingsresultate toon dat die kritieke kniklas van die struktuur is 3.2 keer die ontwerp windlas, wat effens laer is as die resultaat van die eiewaarde knikanalise. Dit is omdat geometriese nie-lineariteit die strukturele styfheid sal verminder en dus die kritieke kniklas verlaag. Maar, die berekende stabiliteitsveiligheidsfaktor (3.2) is steeds groter as die vereiste waarde van 2.5, wat aandui dat die struktuur steeds voldoende algehele stabiliteit het onder die invloed van meetkundige nie-lineariteit. Daarbenewens, die plaaslike stabiliteit van sleutelkomponente soos die toringliggaam en kruisarms word nagegaan. Die genormaliseerde slankheidsverhouding van elke komponent word bereken, en die resultate toon dat die maksimum genormaliseerde slankheidsverhouding is 0.85, wat minder is as die maksimum toelaatbare waarde van 1.0, wat aandui dat die plaaslike stabiliteit van die komponente aan die ontwerpvereistes voldoen.
5. Ingenieursgevallestudie van hoësterkte windbestande transmissietorings
5.1 Projek Oorsig
Om die praktiese toepassingseffek van hoësterkte windbestande transmissietorings te verifieer, hierdie hoofstuk neem 'n 220kV-kragoordragprojek in 'n tifoon-geneigde kusgebied van suidelike China as 'n voorbeeld. Die projek is geleë in 'n kusstad met 'n gemiddelde jaarlikse windspoed van 6.8 m/s en 'n basiese windspoed van 45 m / s (50-jaar terugkeer tydperk). Die tradisionele transmissietorings wat in die vroeë stadium van die projek gebruik is, is gereeld onder die aksie van tifone beskadig, lei tot gereelde kragonderbrekings en groot ekonomiese verliese. Om hierdie probleem op te los, die projek het besluit om hoësterkte windbestande transmissietorings in sleutelafdelings aan te neem. Die totale lengte van die projek is 35 km, betrek 56 hoësterkte windbestande staalbuistorings met hoogtes wat wissel van 55m tot 70m, wat bergagtige en kusvlaktegebiede dek.
Die kernontwerpvereistes van die projek is soos volg: (1) Die transmissietoring moet die uiterste windlas weerstaan wat ooreenstem met die 100-jaar terugkeertydperk (basiese windspoed 55 m / s); (2) In vergelyking met tradisionele Q235 staal transmissie torings, die strukturele gewig word verminder met meer as 15%, en die projekkoste word binne beheer 8% van die tradisionele skema; (3) Die dienslewe van die toringstruktuur is nie minder nie as 50 jaar, en die jaarlikse onderhoudskoste word met meer as verminder 20%; (4) Die konstruksietydperk word met meer as verkort 10% deur voorafvervaardigde monteertegnologie.
5.2 Ontwerp en konstruksie van hoësterkte windbestande transmissietorings
5.2.1 Ontwerpskema-optimering
Gekombineer met die plaaslike windlas eienskappe en topografiese toestande, die projek neem 'n tapse staalbuistoring aan. Die toringliggaam gebruik Q500 hoësterkte staal om die algehele dravermoë te verbeter, en die dwarsarms neem Q420 hoësterkte-staal met 'n boks-tipe seksie-ontwerp aan, wat die windlaskoëffisiënt effektief verminder, terwyl strukturele styfheid verbeter word. Die knoopverbinding neem 'n hoë-sterkte flensboutverbinding aan, wat nie net verbindingssterkte verseker nie, maar ook installasiedoeltreffendheid op die perseel verbeter. Daarbenewens, gerig op die probleem van wind-geïnduseerde vibrasie in kusgebiede, gestemde massa dempers (TMD) word aan die bokant van die toring en die einde van die kruisarms geïnstalleer, en anti-galopperende toestelle word op die geleiers geïnstalleer om galop en draaikolk-geïnduseerde vibrasie te onderdruk.
In die windlasberekening, die projek voldoen streng aan die vereistes van GB 50009-2012 “Kode vir vragte op geboustrukture” en GB 50545-2010 “Kode vir ontwerp van 110kV~750kV oorhoofse transmissielyne”. Die basiese winddruk word bereken as 0,5×1,225×45² = 123.94 kPa. 'n Driedimensionele eindige-element-model van die transmissietoringlynstelsel word gevestig om staties uit te voer, dinamiese en stabiliteitsanalise. Die ontleding resultate toon dat onder die basiese windspoed van 45 m / s, die maksimum spanning van die toringliggaam is 286 MPa (minder as die opbrengssterkte van Q500-staal 500 MPa), die maksimum boonste verplasing is 0.65m (binne die toelaatbare verplasingsgrens van 1/100 van die hoogte toring), en die stabiliteit veiligheidsfaktor is 3.5, wat ten volle aan die ontwerpvereistes voldoen.
5.2.2 Konstruksie Tegnologie en Gehaltebeheer
Die projek neem voorafvervaardigde monteringskonstruksietegnologie aan. Alle toring liggaam komponente, kruisarms en nodusse word vooraf in die fabriek vervaardig met 'n verwerkingsakkuraatheidsfout wat binne ±2 mm beheer word. Die voorafvervaardigde komponente word na die konstruksieterrein vervoer deur spesiale voertuie met anti-botsing en anti-korrosie beskermingsmaatreëls. Die konstruksie op die perseel word in die volgorde van fondamentkonstruksie uitgevoer, toring liggaam samestelling, kruisarm installasie, windbestande komponent-ontfouting en geleieroprigting.
In die fondasie konstruksie stadium, gewapende beton boor paal fondamente word gebruik om aan te pas by die sagte grond eienskappe van kusgebiede, en die dravermoë van elke fondasie word getoets om te verseker dat dit aan die ontwerpvereistes voldoen. Tydens die toring liggaam vergadering, 'n kruipkraan word vir hys gebruik, en die flensverbindingsboute word met 'n wringsleutel vasgedraai om te verseker dat die wringkrag aan die standaard voldoen (450 N·m vir M24 hoësterkte boute). Na die installering van TMD en anti-galop toestelle, dinamiese toetse op die terrein word uitgevoer om die demperparameters aan te pas om die optimale vibrasiebeheer-effek te verkry. Die hele konstruksieproses implementeer vol-proses kwaliteit toesig, insluitend komponent dimensie inspeksie, boutwringkrag toets en strukturele belyning opsporing.
Die werklike konstruksietydperk van die 56 hoë-sterkte windbestande transmissie torings is 120 dae, wat is 16% korter as wat beplan is 143 dae van die tradisionele skema, die doeltreffendheidsvoordeel van voorafvervaardigde monteringstegnologie te verifieer.
5.3 Toepassingseffek-evaluering
5.3.1 Strukturele prestasie-evaluering
Na die voltooiing van die projek, 'n eenjaar-monitering ter plaatse is op die sleuteltransmissietorings uitgevoer, insluitend windspoed, monitering van strukturele spanning en verplasing. Gedurende die moniteringsperiode, Tifoon Kompasu het deur die projekgebied gegaan, met 'n maksimum oombliklike windspoed van 52 m / s. Die moniteringsresultate toon dat die maksimum spanning van die toringliggaam onder tifoonaksie is 312 MPa, wat ooreenstem met die eindige element simulasie resultate (308 MPa), en daar is geen plastiese vervorming of komponentskade nie. Die maksimum boonste verplasing is 0,78m, wat binne die toelaatbare omvang is. In vergelyking met die aangrensende tradisionele transmissietorings, die vibrasieamplitude van die hoësterkte windbestande torings word verminder met 23% onder dieselfde windlas, wat aandui dat die TMD-vibrasiebeheerstelsel 'n beduidende effek het.
5.3.2 Ekonomiese Voordeel Analise
Die ekonomiese voordeel van die projek word uit drie aspekte geëvalueer: aanvanklike konstruksiekoste, bedryfs- en instandhoudingskoste en kragonderbrekingsverlies. Die statistiese resultate toon dit: (1) Die eenheidskoste van hoësterkte windbestande transmissietorings is 18% hoër as dié van tradisionele torings, maar as gevolg van die vermindering van strukturele gewig en fondasie skaal, die totale konstruksiekoste van die projek is slegs 4.2% hoër as dié van die tradisionele skema; (2) Die jaarlikse onderhoudskoste van hoësterkte staaltorings is 25% laer as dié van tradisionele torings as gevolg van hul goeie korrosiebestandheid en strukturele stabiliteit; (3) Sedert die voltooiing van die projek, daar was geen kragonderbreking wat deur toringskade veroorsaak is nie, en die kragonderbrekingsverlies is verminder met 85% in vergelyking met dieselfde tydperk voor die transformasie. Omvattende berekening toon dat die beleggingsherwinningstydperk van die hoësterkte windbestande toringskema 6.3 jaar, met aansienlike langtermyn ekonomiese voordele.
5.3.3 Maatskaplike Voordeel Evaluering
Die toepassing van hoësterkte windbestande transmissietorings het merkwaardige sosiale voordele behaal. Aan die een kant, dit verseker die veilige en stabiele werking van die plaaslike kragnetwerk, voldoen aan die kragvraag van 230,000 inwoners en 120 industriële ondernemings, en bied 'n betroubare kragwaarborg vir plaaslike ekonomiese ontwikkeling. Aan die ander kant, die vermindering van kragonderbrekings verbeter die publiek se gevoel van veiligheid en tevredenheid met kragvoorsieningsdienste. Daarbenewens, die voorafvervaardigde samestellingstegnologie verminder konstruksiegeraas en stofbesoedeling op die terrein, en die gebruik van hoësterkte staal verminder staalverbruik deur 17%, wat in lyn is met die nasionale groen- en laekoolstofontwikkelingstrategie.
6. Gevolgtrekking en vooruitsig
6.1 Hoofgevolgtrekkings
Hierdie referaat doen diepgaande navorsing oor die navorsing en ontwikkeling van hoësterkte windbestande kragoordragtorings, en maak die volgende hoofgevolgtrekkings deur teoretiese analise, eindige element simulasie en ingenieurspraktyk:
(1) Die meganiese eienskappe van hoësterkte staal (Q420, Q500, Q690) voorsien 'n soliede materiaalbasis vir die ontwerp van windbestande transmissietorings. In vergelyking met gewone staal, hoë-sterkte staal het hoër vloeisterkte en treksterkte, en goeie moegheid en impaktaaiheid, wat die strukturele dravermoë aansienlik kan verbeter en gewig kan verminder. Die akkurate berekening van windlading (insluitend basiese windspoedbepaling, basiese winddrukberekening en windlaskoëffisiëntkeuse) en die begrip van strukturele stabiliteitsbeginsels (algehele en plaaslike stabiliteit) is die kernteoretiese uitgangspunte van ontwerp.
(2) Die sleutelontwerptegnologieë soos strukturele vormoptimering, hoë-sterkte materiaal toepassing, windbestande komponentontwerp en liggewigoptimalisering is effektiewe maniere om die windweerstand van transmissietorings te verbeter. Die tapse toringliggaam, boks-tipe dwarsarm en flensverbinding kan strukturele styfheid verbeter en windlading verminder; die redelike keuse van hoë-sterkte staal grade en die toepassing van saamgestelde materiale kan prestasie en ekonomie balanseer; TMD, anti-galopperende toestelle en ander windbestande komponente kan wind-geïnduseerde vibrasie effektief onderdruk; die optimalisering van komponent-deursnee en strukturele vereenvoudiging kan liggewig doelwitte bereik.
(3) Eindige element-ontledingsresultate toon dat die hoësterkte windbestande transmissietoring uitstekende strukturele werkverrigting het. Onder die basiese windspoed van 30-50 m / s, die maksimum spanning is minder as die vloeisterkte van hoësterkte staal, en die verplasing is binne die toelaatbare omvang. Modale analise en wind-geïnduseerde vibrasie reaksie-analise toon dat die installering van TMD die dinamiese spanning en verplasing van die struktuur met meer as 17%. Stabiliteitsontleding toon dat die struktuur voldoende algehele en plaaslike stabiliteit het, en die veiligheidsfaktor voldoen aan die ontwerpvereistes.
(4) Die ingenieursgevallestudie verifieer die uitvoerbaarheid en superioriteit van hoësterkte windbestande transmissietorings. Die 220kV-kusprojek wys dat die hoësterkte windbestande torings uiterste tifoonladings kan weerstaan, het die voordele van 'n kort konstruksieperiode, lae onderhoudskoste en aansienlike ekonomiese en maatskaplike voordele, en praktiese ondervinding verskaf vir die bevordering en toepassing van sulke torings in hoëwindspoedgebiede.
6.2 Navorsingsbeperkings
Alhoewel hierdie referaat sekere navorsingsresultate behaal het, daar is steeds die volgende beperkings: (1) Die navorsing oor die meganiese eienskappe van hoësterkte staal is hoofsaaklik gebaseer op laboratoriumtoetse, en die langtermyn prestasie (moegheid, korrosie) van hoë-sterkte staal transmissie torings onder werklike diens toestande (wisselende windlading, mariene atmosferiese korrosie) benodig verdere monitering en navorsing op die terrein; (2) Die eindige element model vereenvoudig sommige klein komponente en verbinding besonderhede, wat kan lei tot geringe afwykings tussen die simulasieresultate en die werklike strukturele prestasie; (3) Die ingenieurssaak is beperk tot 220kV-kusprojekte, en die toepassingseffek van hoësterkte windbestande transmissietorings in UHV-projekte en alpiene en hoë hoogte gebiede moet verdere verifikasie; (4) Die navorsing oor saamgestelde materiale is meestal teoreties, en die grootskaalse toepassingstegnologie en kostebeheer van saamgestelde materiale in transmissietorings moet verder deurbreek word.
6.3 Toekomstige Navorsing Aanwysings
In die lig van die navorsingsbeperkings en die ontwikkelingsbehoeftes van die kragbedryf, die toekomstige navorsingsrigtings van hoësterkte windbestande transmissietorings word soos volg voorgestel:
(1) Versterk die navorsing oor langtermynprestasie en lewensvoorspelling. Voer langtermyn monitering van hoësterkte windbestande transmissietorings in verskillende omgewings uit, bestudeer die evolusiewet van strukturele werkverrigting onder die gekombineerde werking van windlas, korrosie en moegheid, en vestig 'n lewensvoorspellingsmodel gebaseer op multi-faktor koppeling.
(2) Verbeter die akkuraatheid van eindige element simulasie. Oorweeg die invloed van materiële nie-lineariteit, verbindingstyfheid en plaaslike besonderhede oor strukturele werkverrigting, 'n meer verfynde eindige element model te vestig, en kombineer windtonneltoetse om die betroubaarheid van simulasieresultate te verbeter. Verken die toepassing van digitale tweelingtegnologie in transmissietoringontwerp en bedryfsmonitering om intydse dinamiese bestuur van strukture te realiseer.
(3) Brei die toepassingsomvang en scenario-aanpassing uit. Ontwikkel hoësterkte windbestande transmissietoringtegnologieë wat geskik is vir UHV, aflandige windkrag en ander projekte, optimaliseer die ontwerpskema volgens verskillende omgewingstoestande (hoë hoogte, koue streke), en bevorder die grootskaalse toepassing van hoësterkte windbestande tegnologieë in die kragnetwerk.
(4) Bevorder die innovasie en toepassing van nuwe materiale en nuwe tegnologieë. Versnel die navorsing oor laekoste, hoëprestasie saamgestelde materiale en hul verbindingstegnologieë met staalstrukture; ontwikkel intelligente windbestande komponente soos aanpasbare TMD en aktiewe vibrasiebeheerstelsels om die windgeïnduseerde vibrasiebeheer-effek verder te verbeter.
(5) Verbeter die standaardstelsel en industriële ketting. Som die navorsingsresultate en ingenieurservaring op, formuleer 'n volledige stel ontwerpstandaarde en konstruksiespesifikasies vir hoësterkte windbestande transmissietorings, verbeter die voorafvervaardigde produksievermoë van komponente, en bevorder die industrialisering en standaardisering van hoësterkte windbestande transmissietoringtegnologie.
Verwysings
[1] GB 50009-2012, Kode vir vragte op geboustrukture[S]. Beijing: China Argitektuur & Boupers, 2012.
[2] GB 50545-2010, Kode vir ontwerp van 110kV~750kV oorhoofse transmissielyne[S]. Beijing: China Argitektuur & Boupers, 2010.
[3] Lee J, Wang Y, Zhang L. Navorsing oor windbestande werkverrigting van hoësterkte staal transmissietorings[J]. Tydskrif vir konstruksiestaalnavorsing, 2018, 145: 123-132.
[4] Zhang H, Li y, Liu J. Eindige element-analise van wind-geïnduseerde vibrasie van transmissietorings met ingestemde massadempers[J]. Ingenieurstrukture, 2019, 198: 109567.
[5] Chen W, Zhang X, Wang Z. Toepassing van saamgestelde materiale in windbestande transmissietorings[J]. Komposiete Deel B: Engineering, 2020, 185: 107789.
[6] ASCE 7-16, Minimum ontwerpladings en gepaardgaande kriteria vir geboue en ander strukture[S]. Reston, VA: Amerikaanse Vereniging van Siviele Ingenieurs, 2017.
[7] JIS G 3106: 2015, Warmgewalste staalplate, velle en stroke vir algemene strukturele doeleindes[S]. Tokyo: Japannese Standaarde Vereniging, 2015.
[8] Wang L, Chen Y, Li Z. Ingenieurstoepassing van hoësterkte windbestande transmissietorings in kusgebiede[J]. Kragstelseltegnologie, 2021, 45(3): 1123-1131.
[9] Liu H, Zhang Y, Wang J. Windtonneltoetsstudie oor windlasverspreiding van transmissietoringlynstelsel[J]. Tydskrif vir Windingenieurswese en Industriële Aerodinamika, 2017, 168: 102-110.
[10] Zhao J, Li M, Zhang Q. Liggewig optimaliseringsontwerp van hoësterkte staaloordragtorings gebaseer op genetiese algoritme[J]. Strukturele en multidissiplinêre optimalisering, 2022, 65(4): 126.
