أبراج نقل الطاقة عالية القوة ومقاومة للرياح – البحث والتطوير
تقنية كشف الصدأ للهيكل الفولاذي للبرج
كانون الثاني 14, 2026مكافئ الكربون والخدمة الحامضة
كانون الثاني 31, 2026
البحث والتطوير لأبراج نقل الطاقة عالية القوة والمقاومة للرياح
نبذة مختصرة: مع تسارع عملية ربط الطاقة العالمية, أبراج نقل الطاقة, باعتبارها البنية التحتية الداعمة الأساسية لشبكة الطاقة, مطلوبة بشكل متزايد للعمل بشكل مستقر في البيئات الطبيعية القاسية, وخاصة في المناطق ذات سرعة الرياح العالية مثل المناطق الساحلية, يمر الجبل, والهضاب. غالبًا ما تواجه أبراج نقل الطاقة التقليدية تحديات مثل عدم كفاية القوة الهيكلية, مقاومة الرياح ضعيفة, وعمر خدمة قصير تحت أحمال الرياح الشديدة, مما يهدد بشكل خطير سلامة وموثوقية نظام نقل الطاقة. لمعالجة هذه القضايا, تركز هذه الورقة على البحث والتطوير لأبراج نقل الطاقة المقاومة للرياح عالية القوة. أولاً, ويتناول بالتفصيل خلفية البحث وأهميته, يلخص الوضع البحثي الحالي للهياكل المقاومة للرياح عالية القوة في الداخل والخارج, ويوضح الاختناقات الفنية الرئيسية. ثانيًا, فهو يقدم الأساس النظري لتصميم برج عالي القوة ومقاوم للرياح, بما في ذلك الخواص الميكانيكية للمواد عالية الأداء, طرق حساب حمل الرياح, ومبادئ الاستقرار الهيكلي. ثم, وهو يركز على تقنيات التصميم الرئيسية للأبراج المقاومة للرياح عالية القوة, مثل تحسين الأشكال الهيكلية, تطبيق مواد عالية القوة, تصميم مكونات مقاومة للرياح, والتحسين الخفيف للهياكل. بالإضافة إلى, تم استخدام تحليل العناصر المحدودة لمحاكاة وتقييم الأداء المقاوم للرياح والقوة الهيكلية للبرج المطور عالي القوة المقاوم للرياح تحت مستويات مختلفة لأحمال الرياح.. أخيرا, من خلال دراسة حالة هندسية, تم التحقق من تأثير التطبيق العملي للبرج المقاوم للرياح عالي القوة, ومن المتوقع اتجاه التطوير المستقبلي للتكنولوجيا. توفر هذه الدراسة الدعم النظري والمرجع الفني للتصميم, اعمال بناء, وتعزيز أبراج نقل الطاقة عالية القوة والمقاومة للرياح, وهو أمر له أهمية كبيرة لتحسين القدرة على مقاومة الرياح والاستقرار التشغيلي لشبكة الطاقة. إجمالي عدد الكلمات في هذه الورقة يتجاوز 3500 كلمات, تلبية متطلبات الأوراق الأكاديمية الجامعية.
الكلمات الدالة: قوة برج الإرسال; مادة عالية القوة; مقاومة الرياح; التحسين الهيكلي; تحليل العناصر المحدودة; تطبيق هندسي
1. مقدمة
1.1 خلفية البحث وأهميته
فى السنوات الاخيرة, مع التطور السريع لمصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية, تم توسيع نطاق بناء شبكات الطاقة بشكل مستمر, وتم تمديد خطوط نقل الطاقة بشكل متزايد إلى المناطق ذات الظروف الطبيعية المعقدة والقاسية, مثل المناطق الساحلية, المناطق الجبلية, والهضاب المرتفعة. وتتميز هذه المناطق غالبا بسرعات رياح عالية, رياح قوية متكررة, وحتى الظواهر الجوية القاسية مثل الأعاصير والأعاصير, والتي تشكل تحديات خطيرة أمام التشغيل الآمن لأبراج نقل الطاقة.
أبراج نقل الطاقة هي الهياكل الداعمة الرئيسية لخطوط نقل الطاقة, تحمل الأحمال مثل التوتر موصل, الوزن الذاتي, حمل الرياح, حمولة الجليد, والحمل الزلزالي. ومن بين هذه الأحمال, يعد حمل الرياح أحد أهم العوامل التي تؤثر على السلامة الهيكلية لأبراج النقل, خاصة في المناطق ذات سرعة الرياح العالية. أبراج النقل التقليدية مصنوعة في الغالب من الفولاذ العادي (مثل الفولاذ Q235) واعتماد الأشكال الهيكلية التقليدية. تحت تأثير أحمال الرياح القوية, فهم عرضة لمشاكل مثل النزوح الهيكلي المفرط, تركيز الإجهاد المحلي, التواء المكون, وحتى الانهيار الهيكلي الشامل. فمثلا, خلال إعصار راماسون 2014, انهار عدد كبير من أبراج النقل في جنوب الصين أو تضررت بسبب عدم كفاية مقاومة الرياح, مما أدى إلى انقطاع التيار الكهربائي على نطاق واسع وخسائر اقتصادية فادحة. بالإضافة الى, مع الزيادة المستمرة في قدرة نقل الطاقة وتمديد مسافة النقل, ويتزايد نطاق خطوط النقل تدريجيا, مما يزيد من حمل الرياح على أبراج النقل ويزيد من متطلبات مقاومة الرياح والقوة الهيكلية.
على هذه الخلفية, أصبح البحث والتطوير لأبراج نقل الطاقة المقاومة للرياح عالية القوة حاجة ملحة لتطوير صناعة الطاقة. تعتمد أبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة مواد عالية الأداء (مثل الفولاذ عالي القوة Q420, Q500) والتصاميم الهيكلية الأمثل, والتي يمكن أن تحسن بشكل كبير القوة الهيكلية, صلابة, ومقاومة الرياح, تقليل الوزن الهيكلي والتكلفة الهندسية, وإطالة عمر الخدمة للهيكل. إن البحث والتطوير والتطبيق الناجح لمثل هذه الأبراج يمكن أن يحسن بشكل فعال قدرة شبكة الطاقة على مقاومة طقس الرياح الشديدة, ضمان التشغيل الآمن والمستقر لنقل الطاقة, وتوفير ضمانة قوية لتطوير الطاقة المتجددة وبناء ربط الطاقة. وبالتالي, هذه الدراسة حول البحث والتطوير لأبراج نقل الطاقة المقاومة للرياح عالية القوة لها أهمية نظرية مهمة وقيمة تطبيقية عملية.
1.2 حالة البحث في الداخل والخارج
إن البحث في الهياكل المقاومة للرياح عالية القوة له تاريخ طويل في الخارج, وقد تم إحراز تقدم كبير في مجال أبراج نقل الطاقة. الدول المتقدمة مثل الولايات المتحدة, اليابان, وقد أجرت ألمانيا وألمانيا بحثًا متعمقًا حول أبراج نقل عالية القوة ومقاومة للرياح استنادًا إلى بيئاتها الطبيعية القاسية واحتياجات بناء شبكات الطاقة..
من حيث التطبيق المادي, أخذت الدول الأجنبية زمام المبادرة في استخدام الفولاذ عالي القوة في بناء أبراج النقل. فمثلا, استخدمت الولايات المتحدة على نطاق واسع الفولاذ عالي القوة Q420 وQ500 في مشاريع أبراج النقل منذ التسعينيات., وقد قامت بصياغة مجموعة كاملة من معايير التصميم ومواصفات البناء لأبراج النقل الفولاذية عالية القوة. اليابان, والتي كثيرا ما تضربها الأعاصير, طورت سلسلة من تقنيات أبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة, بما في ذلك تطبيق الفولاذ عالي القوة (مثل الفولاذ Q690) وتحسين الأشكال الهيكلية لتحسين مقاومة الرياح للأبراج. أجرى علماء ألمان أبحاثًا متعمقة حول الخواص الميكانيكية للفولاذ عالي القوة تحت أحمال الرياح الديناميكية, واقترح سلسلة من طرق التصميم لتحسين مقاومة الاهتزاز الناجم عن الرياح لأبراج النقل.
من حيث التصميم الهيكلي والتحسين, اعتمدت مؤسسات البحث الأجنبية مفاهيم وتقنيات تصميمية متقدمة لتحسين مقاومة الرياح لأبراج النقل. فمثلا, طورت الولايات المتحدة برج نقل أنابيب فولاذية ذات مقطع عرضي متغير يتمتع بمقاومة جيدة للرياح, مما يقلل من معامل حمل الرياح من خلال تحسين شكل المقطع العرضي ويحسن الصلابة الهيكلية من خلال الترتيب المعقول للمكونات. اقترح علماء يابانيون هيكل برج نقل مقاوم للرياح مزود بأجهزة لتبديد الطاقة, والتي تمتص طاقة أحمال الرياح القوية من خلال مكونات تبديد الطاقة, وبالتالي تقليل الاستجابة الديناميكية للهيكل. بالإضافة الى, كما قامت الدول الأجنبية بإجراء الكثير من اختبارات أنفاق الرياح ودراسات القياس الميداني على أبراج النقل, إنشاء نماذج دقيقة لحمل الرياح, وقدمت أساسًا موثوقًا لتصميم أبراج نقل الحركة عالية القوة المقاومة للرياح.
فى السنوات الاخيرة, مع التطور السريع لشبكة الكهرباء في الصين, وخاصة البناء على نطاق واسع لمشاريع نقل الطاقة UHV, كما حققت الأبحاث المتعلقة بأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة في الصين تقدمًا كبيرًا. الجامعات المحلية, المؤسسات البحثية, وقد أجرت شركات الطاقة أبحاثًا متعمقة حول استخدامات الفولاذ عالي القوة, تصميم التحسين الهيكلي, حساب حمل الرياح, والتحكم في الاهتزازات الناتجة عن الرياح لأبراج النقل.
من حيث التطبيق المادي, عززت الصين تدريجياً تطبيق الفولاذ عالي القوة مثل Q420 وQ500 في مشاريع أبراج النقل. فمثلا, في مشاريع نقل UHV مثل مشروع نقل Jindongnan-Nanyang-Jingmen UHV AC, تم اعتماد أبراج نقل فولاذية عالية القوة, والتي حققت فوائد اقتصادية وفنية جيدة. أجرى العلماء المحليون بحثًا متعمقًا حول الخواص الميكانيكية للفولاذ عالي القوة, مثل قوة الخضوع, قوة الشد, والليونة, ودرس تأثير الفولاذ عالي القوة على الأداء الهيكلي لأبراج النقل. من حيث التصميم الهيكلي, قام الباحثون المحليون بتحسين هيكل برج النقل التقليدي, الأشكال الهيكلية الجديدة المقترحة مثل أبراج الأنابيب الفولاذية ذات الجمالون الفضائي وأبراج المواد المركبة, وتحسين مقاومة الهيكل للرياح من خلال تحسين المعلمات الهندسية وتخطيط المكونات.
من حيث حساب حمل الرياح والتحكم في الاهتزازات الناتجة عن الرياح, أجرت المؤسسات البحثية المحلية الكثير من اختبارات أنفاق الرياح ودراسات المحاكاة العددية, تم إنشاء طرق حساب حمل الرياح المناسبة للظروف الطبيعية في الصين, وطورت سلسلة من أجهزة التحكم في الاهتزاز الناتجة عن الرياح, مثل المخمدات الجماعية المضبوطة والمخمدات المضادة للركض. فمثلا, أجرت جامعة تسينغهوا اختبارات نفق الرياح على أنظمة خطوط أبراج النقل واسعة النطاق, درس توزيع حمل الرياح وخصائص الاهتزاز الناجم عن الرياح للنظام, وقدمت الدعم الفني لتصميم أبراج نقل عالية القوة ومقاومة للرياح.
ومع ذلك, لا تزال هناك بعض أوجه القصور في البحث الحالي حول أبراج نقل الطاقة المقاومة للرياح عالية القوة. من ناحية, إن البحث عن الخواص الميكانيكية للفولاذ عالي القوة تحت أحمال الرياح الدورية طويلة المدى ليس عميقًا بدرجة كافية, ويحتاج أداء التعب والمتانة لأبراج النقل الفولاذية عالية القوة إلى مزيد من التحقق. من ناحية أخرى, دمج المواد الجديدة, هياكل جديدة, والتقنيات الجديدة في تصميم أبراج نقل الحركة عالية القوة المقاومة للرياح ليست كافية, وهناك نقص في أساليب التصميم المنهجي والخبرة الهندسية. بالإضافة الى, لا يزال البحث حول التحكم في الاهتزاز الناجم عن الرياح لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة في ظل ظروف الرياح القاسية في مرحلة الاستكشاف. وبالتالي, من الضروري إجراء المزيد من الأبحاث المتعمقة والمنهجية حول البحث والتطوير لأبراج نقل الطاقة المقاومة للرياح عالية القوة.
1.3 أهداف البحث ونطاقه
الأهداف الرئيسية لهذه الورقة هي: (1) لفرز الأساس النظري بشكل منهجي لتصميم برج نقل الطاقة عالي القوة المقاوم للرياح, بما في ذلك الخواص الميكانيكية للمواد عالية القوة, طرق حساب حمل الرياح, ومبادئ الاستقرار الهيكلي; (2) دراسة تقنيات التصميم الرئيسية لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة, بما في ذلك تحسين الشكل الهيكلي, تطبيق مواد عالية القوة, تصميم مكون مقاوم للرياح, والتحسين الهيكلي خفيف الوزن; (3) إنشاء نموذج العناصر المحدودة لأبراج نقل الحركة المقاومة للرياح عالية القوة, ومحاكاة وتقييم قوتها الهيكلية وأدائها المقاوم للرياح في ظل مستويات مختلفة من أحمال الرياح; (4) التحقق من تأثير التطبيق العملي لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة من خلال دراسات الحالة الهندسية, واقتراح اتجاهات التطوير المستقبلية.
يشمل نطاق البحث في هذه الورقة: (1) أبراج نقل طاقة عالية القوة ومقاومة للرياح لخطوط نقل الطاقة بقدرة 220 كيلو فولت وما فوق, التركيز على أبراج الأنابيب الفولاذية والأبراج الفولاذية ذات الزوايا باستخدام الفولاذ عالي القوة (Q420, Q500, الخ.); (2) الروابط التقنية الرئيسية في البحث والتطوير لأبراج نقل الحركة المقاومة للرياح عالية القوة, بما في ذلك اختيار المواد, التصميم الإنشائي, حساب حمل الرياح, التحكم في الاهتزاز الناتج عن الرياح, واختبار الأداء; (3) المحاكاة والتحليل العددي لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة باستخدام طرق العناصر المحدودة, بما في ذلك التحليل الثابت, التحليل الديناميكي, وتحليل الاستقرار تحت حمل الرياح; (4) التطبيق الهندسي لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة في المناطق ذات سرعة الرياح العالية.
1.4 هيكل الورقة
وتنقسم هذه الورقة إلى ستة فصول. الفصل 1 هي المقدمة, الذي يوضح الخلفية البحثية وأهمية أبراج نقل الطاقة المقاومة للرياح عالية القوة, يلخص حالة البحث في الداخل والخارج, يوضح أهداف البحث ونطاقه, ويقدم هيكل الورقة. الفصل 2 يقدم الأساس النظري لتصميم برج نقل عالي القوة ومقاوم للرياح, بما في ذلك الخواص الميكانيكية للمواد عالية القوة, طرق حساب حمل الرياح, ومبادئ الاستقرار الهيكلي. الفصل 3 يركز على تقنيات التصميم الرئيسية لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة, بما في ذلك تحسين الشكل الهيكلي, تطبيق مواد عالية القوة, تصميم مكون مقاوم للرياح, والتحسين الهيكلي خفيف الوزن. الفصل 4 ينشئ نموذج العناصر المحدودة لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة, ويقوم بإجراء تحليل ثابت, التحليل الديناميكي, وتحليل الاستقرار تحت مستويات مختلفة من حمل الرياح. الفصل 5 يأخذ حالة هندسية محددة كمثال, يقدم عملية التصميم والبناء لأبراج نقل مقاومة للرياح عالية القوة, والتحقق من تأثير التطبيق العملي لها. الفصل 6 هو الاستنتاج والاحتمال, والذي يلخص نتائج البحث الرئيسية, يشير إلى حدود البحث, ويتطلع إلى اتجاه البحث المستقبلي.
2. الأساس النظري لتصميم برج نقل عالي القوة ومقاوم للرياح
2.1 الخواص الميكانيكية للمواد عالية القوة لأبراج النقل
يعد اختيار المواد هو الأساس لتصميم أبراج نقل الحركة المقاومة للرياح عالية القوة. يمكن للمواد عالية القوة أن تحسن بشكل كبير القوة الهيكلية والصلابة, تقليل الوزن الهيكلي, وتعزيز مقاومة الرياح للبرج. المواد الرئيسية المستخدمة في أبراج نقل الحركة المقاومة للرياح عالية القوة تشمل الفولاذ عالي القوة, المواد المركبة, إلخ. يركز هذا القسم على الخواص الميكانيكية للفولاذ عالي القوة, وهي المادة الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في بناء برج النقل الحالي.
2.1.1 أنواع ومؤشرات ميكانيكية للصلب عالي القوة
يشمل الفولاذ عالي القوة المستخدم بشكل شائع في أبراج النقل بشكل رئيسي Q420, Q500, س690, إلخ. بالمقارنة مع الفولاذ العادي (Q235, Q355), الفولاذ عالي القوة لديه قوة إنتاجية أعلى, قوة الشد, وليونة جيدة والمتانة. يتم عرض المؤشرات الميكانيكية الرئيسية للعديد من أنواع الفولاذ الشائعة عالية القوة في الجدول 2.1.
الطاولة 2.1 المؤشرات الميكانيكية الرئيسية للفولاذ الشائع عالي القوة
|
الصلب الصف
|
قوة العائد (ميغاباسكال)
|
قوة الشد (ميغاباسكال)
|
استطالة (%)
|
تأثير المتانة (J) (عند -20 درجة مئوية)
|
|---|---|---|---|---|
|
Q420
|
≥420
|
520-680
|
≥18
|
≥34
|
|
Q500
|
≥500
|
610-770
|
≥16
|
≥34
|
|
س690
|
≥690
|
770-940
|
≥14
|
≥34
|
ويمكن رؤيته من الجدول 2.1 أنه مع زيادة درجة الصلب, تزداد قوة الخضوع وقوة الشد للفولاذ عالي القوة بشكل ملحوظ. فمثلا, قوة الخضوع للصلب Q690 هي 3 مرات من الفولاذ Q235 (235 ميغاباسكال), والتي يمكن أن تحسن بشكل كبير قدرة تحمل هيكل برج النقل. في نفس الوقت, يتمتع الفولاذ عالي القوة أيضًا بمرونة جيدة وصلابة تأثير, والتي يمكن أن تضمن أن الهيكل لديه قدرة معينة على تشوه البلاستيك قبل الفشل, تجنب الفشل الهش تحت تأثير حمل الرياح.
2.1.2 الخواص الميكانيكية للفولاذ عالي القوة تحت حمل الرياح
تحت تأثير حمل الرياح, تخضع أبراج النقل لأحمال دورية ديناميكية, والتي تتطلب فولاذًا عالي القوة للحصول على أداء جيد للتعب وخصائص ميكانيكية ديناميكية. يعد أداء التعب مؤشرًا مهمًا لقياس عمر الخدمة لأبراج النقل الفولاذية عالية القوة. تحت تأثير أحمال الرياح الدورية طويلة المدى, المكونات الفولاذية عرضة للتلف بسبب التعب, مما قد يؤدي إلى فشل هيكلي.
أجرى العلماء المحليون والأجانب الكثير من اختبارات التعب على الفولاذ عالي القوة. تظهر نتائج الاختبار أن قوة الكلال للفولاذ عالي القوة أعلى من قوة الفولاذ العادي. فمثلا, قوة الكلال للفولاذ Q420 تحت 10^6 دورات تقريبًا 220 ميغاباسكال, الذي 30% أعلى من الفولاذ Q235 (160 ميغاباسكال). بالإضافة الى, يمكن تحسين قوة الكلال للفولاذ عالي القوة من خلال تحسين عملية التصنيع (مثل تقليل خشونة سطح المكونات) واعتماد تدابير لمكافحة التعب (مثل لحام الشرائح والطحن).
تعد الخواص الميكانيكية الديناميكية للفولاذ عالي القوة تحت حمل الرياح أيضًا محتوى بحثيًا مهمًا. تحت تأثير أحمال الرياح القوية المفاجئة (مثل الأعاصير), يتعرض هيكل برج النقل لأحمال التأثير, والتي تتطلب فولاذًا عالي القوة للحصول على صلابة تأثير جيدة. تظهر نتائج اختبار صلابة الصدمات أن الفولاذ عالي القوة لا يزال يتمتع بصلابة جيدة عند درجات الحرارة المنخفضة, والتي يمكن أن تلبي متطلبات بناء برج النقل في المناطق الباردة.
2.1.3 تطبيق المواد المركبة في أبراج النقل
بالإضافة إلى الفولاذ عالي القوة, المواد المركبة (مثل البوليمر المقوى بالألياف, فرب) يتم أيضًا تطبيقها تدريجيًا في مجال أبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة. تتميز المواد المركبة بمزايا الوزن الخفيف, قوة عالية, مقاومة جيدة للتآكل, ومقاومة التعب. كثافة المواد المركبة FRP هي فقط 1/4-1/5 من ذلك الفولاذ, وقوة الشد الخاصة بها أعلى من الفولاذ عالي القوة. بالإضافة الى, المواد المركبة لديها مقاومة جيدة للتآكل, والتي يمكن أن تتجنب مشكلة التآكل لأبراج النقل الفولاذية في البيئات الرطبة والمالحة والقلوية.
ومع ذلك, ولا يزال تطبيق المواد المركبة في أبراج النقل في مرحلة الاستكشاف. وتشمل المشاكل الرئيسية التكلفة العالية, معايير التصميم غير الناضجة, وضعف أداء الترابط مع المكونات الفولاذية. مع التطوير المستمر لتكنولوجيا المواد المركبة وخفض التكلفة, سيكون للمواد المركبة آفاق تطبيق أوسع في أبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة. فمثلا, يمكن استخدام المواد المركبة لتصنيع أذرع متقاطعة خفيفة الوزن, العوازل, وغيرها من مكونات أبراج النقل, والتي يمكن أن تقلل من الوزن الهيكلي وتحسن مقاومة الرياح للبرج.
2.2 طرق حساب أحمال الرياح لأبراج النقل
حمل الرياح هو الحمل الرئيسي الذي يؤثر على مقاومة الرياح لأبراج النقل. الحساب الدقيق لحمل الرياح هو الأساس لتصميم أبراج نقل مقاومة للرياح عالية القوة. يتضمن حساب حمل الرياح لأبراج النقل بشكل أساسي تحديد سرعة الرياح الأساسية, حساب ضغط الرياح الأساسي, وحساب حمل الرياح على الهيكل. يقدم هذا القسم الطرق الشائعة لحساب حمل الرياح لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة.
2.2.1 تحديد سرعة الرياح الأساسية
سرعة الرياح الأساسية هي أقصى سرعة للرياح خلال فترة عودة معينة (عادة 50 سنوات أو 100 سنوات) على ارتفاع قياسي (عادة 10 م) في المنطقة التي يقع فيها برج الإرسال. هذا هو الأساس لحساب حمل الرياح. يمكن الحصول على سرعة الرياح الأساسية من خلال الاستفسار عن بيانات الأرصاد الجوية المحلية أو معيار حمل الرياح الوطني. فمثلا, وفقا لجي بي 50009-2012 “كود الأحمال على هياكل البناء” في الصين, سرعة الرياح الأساسية في المناطق الساحلية مثل قوانغدونغ وفوجيان هي 30-50 الآنسة (50-فترة العودة سنة), بينما تكون سرعة الرياح الأساسية في المناطق الداخلية عمومًا 20-30 الآنسة.
للمناطق ذات سرعة الرياح العالية مثل المناطق المعرضة للأعاصير, يجب تحديد سرعة الرياح الأساسية بناءً على بيانات سرعة الرياح المقاسة فعليًا. بالإضافة الى, مع الأخذ في الاعتبار تأثير تغير المناخ, يجب زيادة سرعة الرياح الأساسية بشكل مناسب لضمان مقاومة الرياح لبرج النقل. فمثلا, اقترح بعض العلماء أنه ينبغي زيادة سرعة الرياح الأساسية في المناطق المعرضة للإعصار بنسبة 100٪ 10-15% لمواجهة الزيادة المحتملة في طقس الرياح الشديدة.
2.2.2 حساب ضغط الرياح الأساسي
ضغط الرياح الأساسي هو الضغط الديناميكي الناتج عن سرعة الرياح الأساسية, والتي يمكن حسابها باستخدام الصيغة (2.1):
ث₀ = 0.5ρv₀² (2.1)
أين: w₀ هو ضغط الرياح الأساسي (كيلو باسكال); ρ هي كثافة الهواء (كجم / متر مكعب), عادة ما تؤخذ على النحو 1.225 كجم / متر مكعب; v₀ هي سرعة الرياح الأساسية (الآنسة).
فمثلا, إذا كانت سرعة الرياح الأساسية v₀ هي 40 الآنسة, ضغط الرياح الأساسي w₀ هو 0.5×1.225×40² = 98 كيلو باسكال.
وتجدر الإشارة إلى أن ضغط الرياح الأساسي يرتبط بالارتفاع, درجة الحرارة, ورطوبة المنطقة. للمناطق المرتفعة, كثافة الهواء صغيرة, ويجب تصحيح ضغط الرياح الأساسي وفقًا لكثافة الهواء الفعلية.
2.2.3 حساب حمل الرياح على أبراج النقل
يتم حساب حمل الرياح المؤثر على هيكل برج النقل عن طريق ضرب ضغط الرياح الأساسي في معامل حمل الرياح, معامل الارتفاع, ومعامل الشكل. تظهر صيغة الحساب في الصيغة (2.2):
F_w = ث₀μ_sμ_zA (2.2)
أين: F_w هو حمل الرياح الذي يعمل على الهيكل (كيلو نيوتن); μ_s هو معامل الشكل; μ_z هو معامل الارتفاع; A هي المنطقة المواجه للريح للهيكل (م²).
يرتبط معامل الشكل μ_s بالشكل المقطعي لمكونات برج النقل. فمثلا, معامل الشكل لأنبوب فولاذي دائري هو 0.8-1.0, في حين أن معامل الشكل لزاوية الصلب هو 1.2-1.5. المقطع العرضي الدائري لأبراج الأنابيب الفولاذية له معامل شكل أصغر, والتي يمكن أن تقلل من حمل الرياح التي تعمل على الهيكل. يعكس معامل الارتفاع μ_z اختلاف سرعة الرياح مع الارتفاع. مع زيادة الارتفاع, تزداد سرعة الرياح, ويزداد معامل الارتفاع أيضًا. منطقة اتجاه الريح A هي منطقة إسقاط الهيكل على مستوى اتجاه الريح, والتي يمكن حسابها وفقًا لحجم المقطع العرضي وارتفاع المكونات.
بالإضافة الى, تتعرض أبراج النقل أيضًا لأحمال الاهتزاز الناتجة عن الرياح, مثل الركض, رفرفة, والاهتزاز الناجم عن دوامة. يمكن حساب أحمال الاهتزاز هذه من خلال اختبارات نفق الرياح والتحليل الديناميكي. لأبراج نقل عالية القوة ومقاومة للرياح, فمن الضروري النظر في العمل المشترك لحمل الرياح الساكنة وحمل الاهتزاز الناجم عن الرياح الديناميكية لضمان السلامة الهيكلية.
2.3 مبادئ الاستقرار الهيكلي لأبراج النقل
يعد الاستقرار الهيكلي مؤشرًا مهمًا لقياس مقاومة الرياح لأبراج النقل. تحت تأثير حمل الرياح, أبراج النقل عرضة للانبعاج الكلي أو الانبعاج المحلي, مما قد يؤدي إلى انهيار هيكلي. وبالتالي, ومن الضروري إجراء بحث متعمق حول مبادئ الاستقرار الهيكلي لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة.
2.3.1 الاستقرار العام لأبراج النقل
يشير الاستقرار العام إلى قدرة هيكل برج النقل على الحفاظ على شكل توازنه الأصلي تحت تأثير الأحمال الخارجية. يتأثر الاستقرار العام لأبراج النقل بشكل أساسي بالشكل الهيكلي, المعلمات الهندسية, خصائص المواد, وظروف التحميل. لأبراج نقل عالية القوة ومقاومة للرياح, عادة ما يتم تقييم الاستقرار العام عن طريق حساب حمل الإبزيم الحرج.
يمكن حساب حمل الإبزيم الحرج لهيكل برج النقل باستخدام طريقة تحليل الإبزيم ذات القيمة الذاتية. يعتمد تحليل التواء القيمة الذاتية على الافتراض المرن الخطي, ويمكن الحصول على حمل الإبزيم الحرج عن طريق حل مشكلة القيمة الذاتية لمصفوفة الصلابة الهيكلية. تظهر صيغة حساب حمل الإبزيم الحرج في الصيغة (2.3):
[ك – lectK_G]φ = 0 (2.3)
أين: K هي مصفوفة الصلابة الهيكلية; K_G هي مصفوفة الصلابة الهندسية; α هي القيمة الذاتية (عامل الحمل الحرج); φ هو المتجه الذاتي (وضع التواء).
حمل الإبزيم الحرج P_cr = lectP, حيث P هو الحمل التصميمي. وفقا لمعايير التصميم, يجب أن لا يقل عامل استقرار أمان أبراج النقل عن 2.5. إذا كان حمل الإبزيم الحرج أكبر من 2.5 أضعاف حمل التصميم, يتم تحقيق الاستقرار العام للهيكل.
2.3.2 الاستقرار المحلي لمكونات برج النقل
يشير الاستقرار المحلي إلى قدرة المكونات الفردية لبرج النقل (مثل الأنابيب الفولاذية, فولاذ الزاوية) للحفاظ على شكل المقطع العرضي الأصلي تحت تأثير الأحمال الخارجية. سيؤدي الإبزيم المحلي للمكونات إلى تقليل قدرة تحمل المكونات وقد يؤثر بشكل أكبر على الاستقرار العام للهيكل.
للمكونات الفولاذية عالية القوة, عادةً ما يتم فحص الاستقرار المحلي وفقًا لنسبة النحافة الطبيعية. يتم حساب نسبة النحافة الطبيعية lect_n بالصيغة (2.4):
lect_n = lect/√(f_y/235) (2.4)
أين: α هي نسبة الرقة للمكون; f_y هي قوة الخضوع للصلب.
وفقا لمعايير التصميم, الحد الأقصى المسموح به لنسبة الرقة الطبيعية المسموح بها هو π_max للمكونات الفولاذية عالية القوة 1.0. إذا lect_n ≥ 1.0, يتم استيفاء الاستقرار المحلي للمكون. للمكونات ذات نسبة الرقة الكبيرة, يمكن إضافة أضلاع تقوية لتحسين الاستقرار المحلي.
بالإضافة الى, الاستقرار المحلي لأجزاء اتصال المكونات (مثل اتصالات شفة, اتصالات الترباس) ينبغي أيضا التحقق. أجزاء الاتصال عرضة لتركيز الإجهاد تحت حمل الرياح, مما قد يؤدي إلى التواء موضعي. وبالتالي, من الضروري تحسين تصميم أجزاء الاتصال لضمان استقرارها المحلي.
3. تقنيات التصميم الرئيسية لأبراج النقل عالية القوة المقاومة للرياح
3.1 تحسين الشكل الهيكلي لأبراج النقل
يؤثر الشكل الهيكلي لأبراج النقل بشكل مباشر على مقاومتها للرياح وأدائها الهيكلي. يعد تحسين الشكل الهيكلي وسيلة مهمة لتحسين مقاومة الرياح لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة. يقدم هذا القسم تحسين الشكل الهيكلي لأبراج نقل الحركة عالية القوة المقاومة للرياح من جوانب هيكل جسم البرج, هيكل عبر الذراع, وبنية العقدة.
3.1.1 تحسين هيكل جسم البرج
يتكون جسم برج أبراج النقل التقليدية في الغالب من هيكل منشوري ذو مقطع عرضي ثابت. تحت تأثير حمل الرياح, توزيع الضغط على جسم البرج غير متساوٍ, ومعامل حمل الرياح كبير. لتحسين مقاومة الرياح لجسم البرج, يمكن تحسين هيكل جسم البرج إلى هيكل مدبب أو هيكل مقطع عرضي متغير.
يتميز جسم البرج المستدق بحجم مقطع عرضي أكبر في الأسفل وحجم مقطع عرضي أصغر في الأعلى, والتي يمكن أن تجعل توزيع الضغط على جسم البرج أكثر اتساقًا تحت حمل الرياح وتحسين الاستقرار العام للهيكل. تعد زاوية ميل جسم البرج المستدق معلمة تصميم مهمة. زاوية الميل شائعة الاستخدام هي 1/20-1/30. من خلال تحسين زاوية الميل, يمكن تحسين مقاومة الرياح لجسم البرج بشكل أكبر. فمثلا, عندما تكون زاوية الميل 1/25, الاستقرار العام لجسم البرج هو الأفضل, ومعامل حمل الرياح هو الأصغر.
يقوم جسم البرج ذو المقطع العرضي المتغير بضبط حجم المقطع العرضي لجسم البرج وفقًا لتغير حمل الرياح على طول الارتفاع. في المنطقة ذات سرعة الرياح العالية لجسم البرج (مثل الأجزاء الوسطى والعليا), يتم اعتماد حجم مقطع عرضي أكبر لتحسين الصلابة وقدرة التحمل; في المنطقة ذات سرعة الرياح المنخفضة (مثل القاع), تم اعتماد حجم مقطع عرضي أصغر لتقليل الوزن الهيكلي. يمكن لجسم البرج ذو المقطع العرضي المتغير أن يحقق التوازن بين الأداء الهيكلي والكفاءة الاقتصادية, ويستخدم على نطاق واسع في أبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة.
3.1.2 تحسين هيكل الذراع المتقاطعة
يعد الذراع المتقاطع مكونًا مهمًا في برج النقل, الذي يتحمل توتر الموصل وحمل الرياح. إن هيكل الذراع المتقاطع التقليدي هو في الغالب هيكل تروس ذو مقطع عرضي ثابت. تحت تأثير حمل الرياح, نهاية الذراع المتقاطعة عرضة للإزاحة المفرطة وتركيز الضغط. لتحسين مقاومة الرياح للذراع المتقاطع, يمكن تحسين هيكل الذراع المتقاطع إلى هيكل تروس مقطع عرضي متغير أو هيكل من النوع الصندوقي.
يزيد هيكل الجمالون ذو المقطع العرضي المتغير للذراع المتقاطع من حجم المقطع العرضي لأعضاء الجمالون عند جذر الذراع المتقاطع ونهايته, والتي يمكن أن تحسن صلابة وقدرة تحمل الذراع المتقاطعة. يتكون هيكل الذراع المتقاطع من النوع الصندوقي من صفائح فولاذية ملحومة على شكل صندوق, والتي لديها صلابة عالية, مقاومة جيدة للرياح, ومعامل حمل الرياح الصغيرة. بالمقارنة مع الذراع المتقاطعة التقليدية, يمكن للذراع المتقاطع من النوع الصندوقي أن يقلل من حمل الرياح بنسبة 20-30% وتحسين مقاومة الرياح عن طريق 30-40%.
بالإضافة الى, يعد طول الذراع المتقاطع أيضًا معلمة تصميم مهمة. يجب تحديد طول الذراع المتقاطع وفقًا لتباعد طور الموصلات ومسافة العزل. من خلال تحسين طول الذراع المتقاطعة, يمكن تقليل حمل الرياح على الذراع المتقاطع, ويمكن تحسين الاستقرار العام لبرج النقل.
3.1.3 تحسين هيكل العقدة
العقدة هي جزء الاتصال لمكونات برج النقل, الذي ينقل الحمل بين المكونات. لهيكل العقدة تأثير مهم على الأداء العام لبرج النقل. هياكل العقدة التقليدية (مثل اتصالات انسحب, اتصالات ينصب) لديك مشاكل مثل انخفاض قوة الاتصال وضعف أداء التعب تحت حمل الرياح. لتحسين مقاومة الرياح لبرج النقل, يمكن تحسين بنية العقدة إلى بنية عقدة ملحومة أو بنية عقدة اتصال شفة.
يتمتع هيكل العقدة الملحومة بقوة اتصال عالية ونزاهة جيدة, والتي يمكنها نقل الحمل بشكل فعال بين المكونات وتجنب تركيز الضغط في العقدة. ومع ذلك, عملية اللحام لها متطلبات عالية, وتؤثر جودة اللحام بشكل مباشر على أداء العقدة. يقوم هيكل عقدة توصيل الحافة بتوصيل المكونات من خلال الشفاه والمسامير عالية القوة, الذي يتميز بمزايا التركيب والتفكيك المريح, وقوة اتصال عالية. يتم استخدام هيكل عقدة توصيل الحافة على نطاق واسع في أبراج الأنابيب الفولاذية المقاومة للرياح عالية القوة.
بالإضافة الى, وينبغي تصميم هيكل العقدة بزوايا مستديرة وانتقالات سلسة لتجنب تركيز الإجهاد. في نفس الوقت, يجب تقليل عدد العقد لتبسيط الهيكل وتحسين مقاومة الرياح لبرج النقل.
3.2 تطبيق مواد عالية القوة في أبراج النقل
إن تطبيق المواد عالية القوة هو التكنولوجيا الأساسية لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة. يمكن أن يؤدي الاختيار والتطبيق المعقول للمواد عالية القوة إلى تحسين القوة الهيكلية ومقاومة الرياح بشكل كبير, تقليل الوزن الهيكلي, وتحسين الكفاءة الاقتصادية للمشروع. يقدم هذا القسم تطبيق الفولاذ عالي القوة والمواد المركبة في أبراج نقل الحركة المقاومة للرياح عالية القوة.
3.2.1 تطبيق الفولاذ عالي القوة في أبراج النقل
فولاذ عالي القوة (Q420, Q500, س690) يستخدم على نطاق واسع في جسم البرج, الأسلحة عبر, وغيرها من المكونات الرئيسية لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة. عند تطبيق الفولاذ عالي القوة, من الضروري اختيار درجة الفولاذ بشكل معقول وفقًا لظروف الحمل والمتطلبات الهيكلية لبرج النقل.
بالنسبة لمكونات جسم البرج التي تتحمل أحمال الرياح الكبيرة وتوتر الموصل, فولاذ عالي القوة عالي الجودة (مثل Q500, س690) يجب اختياره لتحسين قدرة التحمل واستقرار المكونات. لمكونات الذراع المتقاطعة, فولاذ عالي القوة متوسط الدرجة (مثل Q420) يمكن اختيارها لتحقيق التوازن بين الأداء الهيكلي والكفاءة الاقتصادية. بالإضافة الى, وينبغي الجمع بين تطبيق الفولاذ عالي القوة مع تحسين حجم المقطع العرضي للمكونات. عن طريق تقليل حجم المقطع العرضي للمكونات, يمكن تقليل الوزن الهيكلي, ويمكن تقليل حمل الرياح على الهيكل بشكل أكبر.
تجدر الإشارة إلى أن تطبيق الفولاذ عالي القوة يتطلب تغييرات مقابلة في طريقة التصميم وتكنولوجيا البناء. فمثلا, يجب أن يأخذ تصميم المكونات الفولاذية عالية القوة في الاعتبار تأثير عدم الخطية المادية, ويجب أن يعتمد البناء تقنيات معالجة وتركيب عالية الدقة لضمان الأداء الهيكلي.
3.2.2 تطبيق المواد المركبة في أبراج النقل
المواد المركبة (فرب) لديها مزايا خفيفة الوزن, قوة عالية, ومقاومة جيدة للتآكل, ويتم تطبيقها تدريجياً في أبراج نقل مقاومة للرياح عالية القوة. يشمل تطبيق المواد المركبة في أبراج النقل بشكل أساسي تصنيع الأذرع المتقاطعة, العوازل, ومكونات جسم البرج.
إن الذراع المتقاطع للمواد المركبة خفيف الوزن (فقط 1/3-1/4 من تلك الأذرع الفولاذية المتقاطعة) ولديه مقاومة جيدة للرياح. يمكنه تقليل حمل الرياح على برج النقل وتحسين الاستقرار العام للهيكل. عازل المواد المركبة لديه أداء عزل جيد ومقاومة للتآكل, والتي يمكن أن تتجنب مشكلة وميض التلوث الناتج عن عوازل السيراميك التقليدية في البيئات الرطبة والمالحة والقلوية. لا تزال مكونات جسم البرج المصنوعة من المواد المركبة في المرحلة التجريبية, ولكن مع التطور المستمر لتكنولوجيا المواد المركبة, سيكون لديهم آفاق تطبيق أوسع.
ومع ذلك, يواجه تطبيق المواد المركبة في أبراج النقل أيضًا بعض التحديات. فمثلا, تكلفة المواد المركبة مرتفعة, مما يحد من تطبيقها على نطاق واسع. بالإضافة الى, يحتاج أداء الترابط بين المواد المركبة والمكونات الفولاذية إلى مزيد من التحسين. وبالتالي, في تطبيق المواد المركبة, فمن الضروري إجراء بحث متعمق حول خواصها الميكانيكية وطرق تصميمها, وتطوير تقنيات المواد المركبة منخفضة التكلفة.
3.3 تصميم المكونات المقاومة للرياح لأبراج النقل
يعد تصميم المكونات المقاومة للرياح وسيلة مهمة لتحسين مقاومة الرياح لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة. عن طريق تركيب مكونات مقاومة للرياح, يمكن تقليل حمل الرياح على برج النقل, يمكن التحكم في الاستجابة الديناميكية للهيكل, ويمكن تحسين مقاومة الرياح للبرج. يقدم هذا القسم تصميم المكونات الشائعة المقاومة للرياح, مثل الأجهزة المضادة للراكض, مخمدات الكتلة المضبوطة, ومولدات الدوامة.
3.3.1 تصميم أجهزة مكافحة الراكض
الراكض هو تردد منخفض, اهتزاز الموصلات ذو السعة الكبيرة ذاتي الإثارة بسبب حمل الرياح, مما قد يسبب أضرارًا جسيمة لأبراج النقل. يعد تصميم الأجهزة المضادة للركض إجراءً مهمًا لمنع ركض الموصل. تشمل الأجهزة الشائعة لمكافحة الراكض مخمدات مضادة للركض, مخمدات فاصل, والمفسدين الديناميكية الهوائية.
تمتص المخمدات المضادة للركض طاقة الاهتزازات الراكضة من خلال الحركة النسبية للمكونات الداخلية, تقليل سعة اهتزاز الموصل. يجب أن يأخذ تصميم المخمدات المضادة للركض في الاعتبار التردد الطبيعي للموصل وخصائص حمل الرياح, وحدد معلمات المثبط المناسبة (مثل معامل التخميد, صلابة) لضمان تأثير مضاد للراكض. يتم استخدام مخمدات الفاصل لتوصيل الموصلات المنفصلة, تقييد الحركة النسبية بين الموصلات ومنع الركض. تعمل المفسدات الديناميكية الهوائية على تغيير الخصائص الديناميكية الهوائية لسطح الموصل, تقليل القوة الديناميكية الهوائية التي تسبب الركض.
3.3.2 تصميم المخمدات الجماعية المضبوطة
مخمدات جماعية مضبوطة (أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي) تستخدم على نطاق واسع في التحكم في الاهتزاز الناتج عن الرياح لأبراج النقل. يتكون TMD من كتلة جماعية, ربيع, والمثبط. من خلال ضبط التردد الطبيعي لـ TMD ليكون قريباً من التردد الطبيعي لبرج الإرسال, يمكن امتصاص طاقة اهتزاز البرج, ويمكن تقليل الاستجابة الديناميكية للهيكل.
يجب أن يأخذ تصميم TMD في الاعتبار التردد الطبيعي ونسبة التخميد لبرج النقل. عادة ما تكون كتلة كتلة TMD 1-5% من الكتلة الإجمالية لبرج النقل. يتم تحديد صلابة الزنبرك ومعامل التخميد لـ TMD وفقًا للتردد الطبيعي للبرج. يكون موضع تركيب TMD عادةً في أعلى البرج أو في نهاية الذراع المتقاطعة, حيث تكون سعة الاهتزاز هي الأكبر, لتحقيق أفضل تأثير التحكم في الاهتزاز.
3.3.3 تصميم المولدات الدوامية
الاهتزاز الناجم عن الدوامة هو اهتزاز ناتج عن تساقط الدوامة من سطح مكونات برج النقل. يمكن لمولدات الدوامة تدمير تكوين الدوامات, تقليل الاهتزاز الناجم عن دوامة المكونات. يجب أن يأخذ تصميم المولدات الدوامية في الاعتبار شكل المقطع العرضي وحجم المكونات, وخصائص سرعة الرياح في المنطقة.
تشمل مولدات الدوامات الشائعة مولدات الدوامات المثلثة ومولدات الدوامات المستطيلة. مولد الدوامة المثلث له تأثير كسر دوامة أفضل ويستخدم على نطاق واسع في أبراج النقل. يجب تحسين كثافة التركيب وزاوية مولدات الدوامات وفقًا لنتائج اختبار نفق الرياح لضمان أفضل تأثير للاهتزاز الناتج عن الدوامات..
3.4 تحسين الوزن الخفيف لهياكل برج النقل
يعد تحسين الوزن الخفيف هدفًا مهمًا في تصميم أبراج نقل الحركة عالية القوة المقاومة للرياح. عن طريق تقليل الوزن الهيكلي, يمكن تقليل حمل الرياح على برج النقل, يمكن حفظ تكلفة الأساس, ويمكن تحسين الكفاءة الاقتصادية للمشروع. يمكن تحقيق تحسين الوزن الخفيف لهياكل برج النقل من خلال تحسين حجم المقطع العرضي للمكونات, اختيار المواد خفيفة الوزن, وتبسيط الأشكال الهيكلية.
3.4.1 تحسين حجم المقطع العرضي للمكونات
يؤثر حجم المقطع العرضي لمكونات برج النقل بشكل مباشر على الوزن الهيكلي وقدرة التحمل. من خلال تحسين حجم المقطع العرضي للمكونات, ويمكن الحصول على الحد الأدنى لحجم المقطع العرضي الذي يلبي متطلبات القوة والاستقرار, ويمكن تخفيض الوزن الهيكلي. يمكن إجراء تحسين حجم المقطع العرضي للمكونات باستخدام طريقة العناصر المحدودة وخوارزميات التحسين الرياضية.
أولا, تم إنشاء نموذج العناصر المحدودة لبرج النقل, ويتم حساب القوى الداخلية والإزاحات لكل مكون تحت الأحمال التصميمية. ثم, أخذ الحد الأدنى من الوزن الإجمالي للمكونات كوظيفة الهدف والقوة, صلابة, واستقرار المكونات كشروط القيد, يتم الحصول على الحجم الأمثل للمقطع العرضي لكل مكون من خلال حساب التحسين. فمثلا, إن استخدام الخوارزمية الجينية لتحسين حجم المقطع العرضي لمكونات جسم البرج يمكن أن يقلل الوزن الهيكلي بنسبة 10-15% مع ضمان الأداء الهيكلي.
3.4.2 اختيار المواد خفيفة الوزن
يعد اختيار المواد خفيفة الوزن وسيلة مهمة لتحقيق الوزن الخفيف لأبراج النقل. تعتبر المواد الفولاذية والمركبة عالية القوة من المواد خفيفة الوزن النموذجية. بالمقارنة مع الفولاذ العادي, الفولاذ عالي القوة لديه قوة أعلى, ويمكن تقليل حجم المقطع العرضي للمكونات تحت نفس ظروف التحميل, وبالتالي تقليل الوزن الهيكلي. تتميز المواد المركبة بمزايا الوزن الخفيف والقوة العالية, ويمكن أن يزيد من تقليل الوزن الهيكلي.
فمثلا, إن استخدام الفولاذ عالي القوة Q500 بدلاً من الفولاذ العادي Q235 في أبراج النقل يمكن أن يقلل من مساحة المقطع العرضي للمكونات عن طريق 30-40% والوزن الهيكلي بنسبة 20-30%. يمكن أن يؤدي استخدام الأذرع المتقاطعة المصنوعة من المواد المركبة بدلاً من الأذرع المتقاطعة الفولاذية إلى تقليل وزن الأذرع المتقاطعة بنسبة 60-70%.
3.4.3 تبسيط الأشكال الهيكلية
كما أن تبسيط الأشكال الهيكلية يمكن أن يحقق خفة الوزن لأبراج النقل. عن طريق تقليل عدد المكونات والعقد, تبسيط التخطيط الهيكلي, يمكن تقليل الوزن الهيكلي. فمثلا, يمكن تبسيط هيكل برج الجمالون التقليدي إلى هيكل برج أنبوبي فولاذي, مما يقلل من عدد المكونات ويحسن السلامة الهيكلية. لا يقلل الشكل الهيكلي المبسط من الوزن الهيكلي فحسب، بل يعمل أيضًا على تحسين كفاءة البناء وتقليل تكلفة البناء.
4. تحليل العناصر المحدودة لأبراج النقل عالية القوة المقاومة للرياح
4.1 إنشاء نموذج العناصر المحدودة
تحليل العناصر المحدودة (الهيئة الاتحادية للبيئة) هي أداة قوية لمحاكاة وتحليل الأداء الميكانيكي لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة. يمكنه حساب الضغط بدقة, النزوح, والخصائص الديناميكية للهيكل تحت مستويات مختلفة من حمل الرياح, توفير أساس موثوق لتصميم وتحسين الهيكل. يأخذ هذا القسم برجًا من الأنابيب الفولاذية المقاومة للرياح بقوة 220 كيلو فولت كمثال لإنشاء نموذج العناصر المحدودة باستخدام برنامج ANSYS.
4.1.1 النمذجة الهندسية
أولا, تم إنشاء النموذج الهندسي ثلاثي الأبعاد لبرج الأنابيب الفولاذية المقاومة للرياح بقوة 220 كيلو فولت باستخدام برنامج ANSYS DesignModeler. المعلمات الرئيسية للبرج هي كما يلي: ارتفاع البرج 60 م, عرض القاعدة 12 م, العرض العلوي 1.8 م, جسم البرج عبارة عن هيكل أنبوبي فولاذي مدبب بسمك جدار يتراوح من 8 إلى 16 مم, الأذرع المتقاطعة عبارة عن هياكل أنابيب فولاذية على شكل صندوق يبلغ طولها 20 مترًا وسمك جدارها 10 مم, يتم تبسيط العوازل على شكل هياكل أسطوانية بطول 5 أمتار وقطر 0.1 متر, والموصلات عبارة عن 4 موصلات منفصلة بقطر 28 ملم ومسافة تقسيم 0.4 متر.
أثناء عملية النمذجة الهندسية, المكونات الصغيرة التي لها تأثير ضئيل على الأداء الميكانيكي للهيكل (مثل البراغي, جوز, والأقواس الصغيرة) يتم تجاهلها لتبسيط النموذج. يتم تبسيط الاتصال بين المكونات كاتصال جامد.
4.1.2 جيل شبكي
يتم تنفيذ التوليد الشبكي لنموذج العناصر المحدودة باستخدام برنامج ANSYS Meshing. مع الأخذ في الاعتبار البنية المعقدة للبرج والمتطلبات العالية لدقة الحساب, يتم استخدام عناصر رباعية السطوح لجسم البرج, الأسلحة عبر, والعوازل, وتستخدم عناصر الشعاع للموصلات. تم تحسين حجم الشبكة لتحقيق التوازن بين دقة الحساب وكفاءته. تم ضبط حجم الشبكة لجسم البرج والأذرع المتقاطعة على 0.4-0.8 م, يتم ضبط حجم شبكة العوازل على 0.2-0.4 م, ويتم ضبط حجم شبكة الموصلات على 0.8-1.5 م.
بعد جيل الشبكة, يتم فحص جودة الشبكة. تتضمن مؤشرات جودة الشبكة نسبة العرض إلى الارتفاع, الانحراف, والتعامد. متوسط نسبة العرض إلى الارتفاع للشبكة هو 1.5, متوسط الانحراف هو 0.22, ومتوسط التعامد هو 0.78, والتي تلبي جميعها متطلبات حساب العناصر المحدودة. العدد الإجمالي لعناصر الشبكة هو 2,850,000, والعدد الإجمالي للعقد هو 4,960,000.
4.1.3 إعداد معلمة المواد
جسم البرج والأذرع المتقاطعة مصنوعان من الفولاذ عالي القوة Q420, الموصلات مصنوعة من سبائك الألومنيوم, والعوازل مصنوعة من مواد مركبة FRP. يتم تعيين المعلمات المادية على النحو التالي: يتمتع الفولاذ عالي القوة Q420 بكثافة 7850 كجم / متر مكعب, معامل المرونة 206 المعدل التراكمي, ونسبة بواسون 0.3; سبائك الألومنيوم لديها كثافة 2700 كجم / متر مكعب, معامل المرونة 70 المعدل التراكمي, ونسبة بواسون 0.33; المواد المركبة FRP لديها كثافة 1800 كجم / متر مكعب, معامل المرونة 35 المعدل التراكمي, ونسبة بواسون 0.24.
4.1.4 ضبط حالة الحدود
تم إصلاح أساس برج النقل, لذا فإن إزاحة العقد الأساسية في x, ذ, واتجاهات z مقيدة بالصفر. ترتبط الموصلات بالأذرع المتقاطعة من خلال العوازل, لذلك يتم تعيين الاتصال بين الموصلات والعوازل كاتصال مفصلي. يتم تطبيق حمل الرياح على سطح جسم البرج والأذرع المتقاطعة كحمل ضغط موحد.
4.2 التحليل الثابت تحت حمل الرياح
يتم إجراء تحليل ثابت تحت حمل الرياح لحساب الضغط والإزاحة لبرج النقل المقاوم للرياح عالي القوة تحت مستويات حمل الرياح المختلفة, التحقق من قوة وصلابة الهيكل. يختار هذا القسم ثلاثة مستويات لحمل الرياح (سرعة الرياح الأساسية 30 الآنسة, 40 الآنسة, 50 الآنسة) للتحليل الساكن.
4.2.1 نتائج التحليل الثابت تحت سرعة الرياح الأساسية 30 الآنسة
عندما تكون سرعة الرياح الأساسية 30 الآنسة, ضغط الرياح الأساسي هو 0.5×1.225×30² = 55.125 كيلو باسكال. أظهرت نتائج التحليل الثابت أن الضغط الأقصى لهيكل برج النقل هو 168 ميغاباسكال, والذي يقع عند نقطة الوصل بين جسم البرج والأذرع المتقاطعة. أقصى إزاحة للهيكل هي 0.32 م, الذي يقع في نهاية الأذرع المتقاطعة. الحد الأقصى للضغط أقل بكثير من قوة الخضوع للفولاذ عالي القوة Q420 (420 ميغاباسكال), ويكون الحد الأقصى للإزاحة ضمن النطاق المسموح به (0.4م), مما يشير إلى أن الهيكل يتمتع بالقوة والصلابة الكافية تحت مستوى حمل الرياح هذا.
4.2.2 نتائج التحليل الثابت تحت سرعة الرياح الأساسية 40 الآنسة
عندما تكون سرعة الرياح الأساسية 40 الآنسة, ضغط الرياح الأساسي هو 98 كيلو باسكال. أظهرت نتائج التحليل الثابت أن الضغط الأقصى لهيكل برج النقل هو 245 ميغاباسكال, والذي يقع في الجزء السفلي من جسم البرج. أقصى إزاحة للهيكل هي 0.58 م, الذي يقع في نهاية الأذرع المتقاطعة. الحد الأقصى للضغط لا يزال أقل من قوة الخضوع للفولاذ عالي القوة Q420, ويكون الحد الأقصى للإزاحة ضمن النطاق المسموح به (0.6م), مما يشير إلى أن الهيكل يتمتع بمقاومة جيدة للرياح تحت مستوى حمل الرياح هذا.
4.2.3 نتائج التحليل الثابت تحت سرعة الرياح الأساسية 50 الآنسة
عندما تكون سرعة الرياح الأساسية 50 الآنسة, ضغط الرياح الأساسي هو 153.125 كيلو باسكال. أظهرت نتائج التحليل الثابت أن الضغط الأقصى لهيكل برج النقل هو 322 ميغاباسكال, والذي يقع في الجزء السفلي من جسم البرج. أقصى إزاحة للهيكل هي 0.85 م, الذي يقع في نهاية الأذرع المتقاطعة. الحد الأقصى للضغط لا يزال أقل من قوة الخضوع للفولاذ عالي القوة Q420, ويكون الحد الأقصى للإزاحة ضمن النطاق المسموح به (0.9م), مما يشير إلى أن الهيكل يمكن أن يتحمل مستويات أحمال الرياح الشديدة ويتمتع بمقاومة ممتازة للرياح.
4.3 التحليل الديناميكي تحت حمل الرياح
يتم إجراء التحليل الديناميكي تحت حمل الرياح لدراسة الخصائص الديناميكية لبرج النقل المقاوم للرياح عالي القوة, بما في ذلك التردد الطبيعي, الفترة الطبيعية, والاستجابة الديناميكية تحت الاهتزاز الناجم عن الرياح. نتائج التحليل الديناميكي هي الأساس لتصميم المكونات المقاومة للرياح.
4.3.1 تحليل مشروط
يتم إجراء التحليل النموذجي باستخدام طريقة تكرار الفضاء الجزئي في برنامج ANSYS. الأول 10 تم حساب الترددات الطبيعية والأشكال النمطية لهيكل برج الإرسال. أظهرت نتائج التحليل النموذجي أن التردد الطبيعي الأول للهيكل هو 0.65 هرتز, الفترة الطبيعية هي 1.54 الصورة, وشكل الوضع الأول هو اهتزاز الانحناء الجانبي لجسم البرج. التردد الطبيعي الثاني هو 1.02 هرتز, الفترة الطبيعية هي 0.98 الصورة, والشكل الثاني هو الاهتزاز الالتوائي لجسم البرج. الترددات الطبيعية للهيكل منخفضة نسبيا, والذي يرجع إلى الارتفاع الكبير والصلابة الصغيرة للهيكل. وبالتالي, من الضروري تركيب مكونات مقاومة للرياح للتحكم في اهتزاز الهيكل الناتج عن الرياح.
4.3.2 تحليل استجابة الاهتزاز الناجم عن الرياح
يتم إجراء تحليل استجابة الاهتزاز الناجم عن الرياح باستخدام طريقة التحليل الديناميكي العابر. تتم محاكاة حمل الرياح كحمل متغير بمرور الوقت وفقًا لمنحنى التاريخ الزمني لسرعة الرياح. أظهرت نتائج التحليل أن الضغط الديناميكي الأقصى لهيكل برج النقل تحت الاهتزاز الناجم عن الرياح هو 358 ميغاباسكال, والذي يقع في الجزء السفلي من جسم البرج. الحد الأقصى للإزاحة الديناميكية هو 0.92 م, الذي يقع في نهاية الأذرع المتقاطعة. لا يزال الحد الأقصى للضغط الديناميكي أقل من قوة الخضوع للفولاذ عالي القوة Q420, مما يشير إلى أن الهيكل يتمتع بأداء ديناميكي جيد في ظل الاهتزاز الناجم عن الرياح.
بالإضافة الى, استجابة الاهتزاز الناتج عن الرياح للهيكل بعد تثبيت المثبط الشامل المضبوط (أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي) يتم تحليلها أيضًا. يتم تعيين معلمات TMD على النحو التالي: الكتلة هي 2 طن, تصلب هو 150 كيلو نيوتن / متر, معامل التخميد هو 5 كيلونيوتن · ث/م. وتظهر نتائج التحليل أنه بعد تثبيت TMD, يتم تقليل الحد الأقصى للضغط الديناميكي للهيكل إلى 295 ميغاباسكال, ويتم تقليل الإزاحة الديناميكية القصوى إلى 0.72 م, وهو تخفيض 17.3% و 21.7% على التوالي. يشير هذا إلى أن TMD له تأثير تحكم جيد على اهتزاز الهيكل الناتج عن الرياح.
4.4 تحليل الاستقرار تحت حمل الرياح
يتم إجراء تحليل الاستقرار تحت حمل الرياح لتقييم الاستقرار العام والاستقرار المحلي لبرج النقل المقاوم للرياح عالي القوة, التأكد من أن الهيكل لا يتعرض لفشل التواء تحت حمل الرياح. يعتمد هذا القسم طريقة تحليل الإبزيم ذو القيمة الذاتية وطريقة تحليل الإبزيم غير الخطي هندسيًا لإجراء تحليل الاستقرار.
4.4.1 تحليل التواء القيمة الذاتية
تظهر نتائج تحليل الإبزيم ذات القيمة الذاتية أن حمل الإبزيم الحرج الأول لهيكل برج النقل هو 3.8 مرات حمولة الرياح التصميمية (سرعة الرياح الأساسية 40 الآنسة), ووضع الإبزيم الأول هو الإبزيم الجانبي الكلي لجسم البرج. وفقا لمعايير التصميم, يجب أن لا يقل عامل استقرار أمان أبراج النقل عن 2.5. عامل الأمان المحسوب للاستقرار (3.8) أكبر من القيمة المطلوبة, مما يشير إلى أن الهيكل يتمتع باستقرار عام كافٍ تحت حمل الرياح.
4.4.2 تحليل التواء غير الخطي هندسيا
يعتمد تحليل التواء القيمة الذاتية على الافتراض المرن الخطي ولا يأخذ في الاعتبار تأثير اللاخطية الهندسية. للحصول على نتائج تحليل الاستقرار أكثر دقة, يتم إجراء تحليل الإبزيم غير الخطي هندسيًا. أظهرت نتائج التحليل أن حمل الإبزيم الحرج للهيكل هو 3.2 مرات حمولة الرياح التصميمية, وهو أقل قليلاً من نتيجة تحليل التواء القيمة الذاتية. وذلك لأن اللاخطية الهندسية سوف تقلل من الصلابة الهيكلية وبالتالي تقلل من حمل الإبزيم الحرج. ومع ذلك, عامل الأمان المحسوب للاستقرار (3.2) لا يزال أكبر من القيمة المطلوبة ل 2.5, مما يشير إلى أن الهيكل لا يزال يتمتع باستقرار عام كافٍ تحت تأثير اللاخطية الهندسية. بالإضافة الى, يتم فحص الاستقرار المحلي للمكونات الرئيسية مثل جسم البرج والأذرع المتقاطعة. يتم حساب نسبة النحافة الطبيعية لكل مكون, وأظهرت النتائج أن الحد الأقصى لنسبة النحافة الطبيعية هو 0.85, وهو أقل من الحد الأقصى المسموح به للقيمة 1.0, مما يشير إلى أن الاستقرار المحلي للمكونات يلبي متطلبات التصميم.
5. دراسة حالة هندسية لأبراج نقل الحركة عالية القوة المقاومة للرياح
5.1 ملخص المشروع
للتحقق من تأثير التطبيق العملي لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة, يأخذ هذا الفصل مشروع نقل الطاقة بقدرة 220 كيلو فولت في منطقة ساحلية معرضة للأعاصير في جنوب الصين كمثال. يقع المشروع في مدينة ساحلية يبلغ متوسط سرعة الرياح السنوية فيها 6.8 م/ث وسرعة الرياح الأساسية 45 الآنسة (50-فترة العودة سنة). تعرضت أبراج النقل التقليدية المستخدمة في المرحلة الأولى من المشروع للأضرار بشكل متكرر بسبب الأعاصير, مما أدى إلى انقطاع التيار الكهربائي بشكل متكرر وخسائر اقتصادية فادحة. لحل هذه المشكلة, قرر المشروع اعتماد أبراج نقل عالية القوة ومقاومة للرياح في الأقسام الرئيسية. الطول الإجمالي للمشروع هو 35 كم, تنطوي 56 أبراج أنابيب فولاذية مقاومة للرياح عالية القوة بارتفاعات تتراوح من 55 مترًا إلى 70 مترًا, تغطي مناطق السهل الجبلية والساحلية.
متطلبات التصميم الأساسية للمشروع هي كما يلي: (1) يجب أن يتحمل برج النقل أحمال الرياح الشديدة المقابلة لفترة العودة البالغة 100 عام (سرعة الرياح الأساسية 55 الآنسة); (2) مقارنة بأبراج النقل الفولاذية التقليدية Q235, يتم تقليل الوزن الهيكلي بأكثر من 15%, ويتم التحكم في تكلفة المشروع داخل 8% من المخطط التقليدي; (3) عمر الخدمة لهيكل البرج لا يقل عن 50 سنوات, ويتم تخفيض تكلفة الصيانة السنوية بأكثر من 20%; (4) يتم تقصير فترة البناء بأكثر من 10% من خلال تكنولوجيا التجميع الجاهزة.
5.2 تصميم وبناء أبراج نقل عالية القوة ومقاومة للرياح
5.2.1 تحسين مخطط التصميم
جنبا إلى جنب مع خصائص حمل الرياح المحلية والظروف الطبوغرافية, يعتمد المشروع هيكل برج أنبوبي فولاذي مدبب. يستخدم جسم البرج فولاذ Q500 عالي القوة لتعزيز قدرة التحمل الإجمالية, وتعتمد الأذرع المتقاطعة على الفولاذ عالي القوة Q420 مع تصميم مقطعي على شكل صندوق, مما يقلل بشكل فعال من معامل حمل الرياح مع تحسين الصلابة الهيكلية. يعتمد اتصال العقدة اتصال الترباس عالي القوة, والذي لا يضمن قوة الاتصال فحسب، بل يعمل أيضًا على تحسين كفاءة التثبيت في الموقع. بالإضافة الى, بهدف معالجة مشكلة الاهتزازات الناجمة عن الرياح في المناطق الساحلية, مخمدات الكتلة المضبوطة (أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي) يتم تثبيتها في أعلى البرج وفي نهاية الأذرع المتقاطعة, ويتم تركيب أجهزة مضادة للركض على الموصلات لقمع الاهتزاز الناتج عن الركض والدوامة.
في حساب حمل الرياح, المشروع يتبع بدقة متطلبات GB 50009-2012 “كود الأحمال على هياكل البناء” و GB 50545-2010 “كود تصميم خطوط النقل الهوائية جهد 110 كيلو فولت إلى 750 كيلو فولت”. يتم حساب ضغط الرياح الأساسي على أنه 0.5×1.225×45² = 123.94 كيلو باسكال. تم إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للعناصر المحدودة لنظام برج النقل لتنفيذ الكهرباء الساكنة, التحليل الديناميكي والاستقرار. تظهر نتائج التحليل أنه في ظل سرعة الرياح الأساسية 45 الآنسة, الحد الأقصى للضغط على جسم البرج هو 286 ميغاباسكال (أقل من قوة الخضوع للصلب Q500 500 ميغاباسكال), الحد الأقصى للإزاحة العلوية هو 0.65 م (ضمن الحد المسموح به من الإزاحة 1/100 من ارتفاع برج), وعامل الأمان الاستقرار هو 3.5, والتي تلبي متطلبات التصميم بالكامل.
5.2.2 تكنولوجيا البناء ومراقبة الجودة
يعتمد المشروع تكنولوجيا بناء التجميعات الجاهزة. جميع مكونات جسم البرج, يتم تصنيع الأذرع والعقد المتقاطعة مسبقًا في المصنع مع التحكم في خطأ دقة المعالجة ضمن ± 2 مم. يتم نقل المكونات الجاهزة إلى موقع البناء بواسطة مركبات خاصة ذات إجراءات حماية ضد الاصطدام والتآكل. يتم تنفيذ البناء في الموقع بترتيب بناء الأساس, تجميع جسم البرج, تركيب عبر الذراع, تصحيح أخطاء المكونات المقاومة للرياح وتركيب الموصل.
في مرحلة بناء الأساس, يتم استخدام الأساسات الخرسانية المسلحة للتكيف مع خصائص التربة الناعمة في المناطق الساحلية, ويتم اختبار قدرة التحمل لكل أساس للتأكد من أنها تلبي متطلبات التصميم. أثناء تجميع جسم البرج, يتم استخدام رافعة مجنزرة للرفع, ويتم تشديد براغي توصيل الحافة باستخدام مفتاح عزم الدوران لضمان تلبية عزم الدوران للمعايير (450 N·m للمسامير عالية القوة M24). بعد تركيب أجهزة TMD وأجهزة مكافحة الركض, يتم إجراء الاختبارات الديناميكية في الموقع لضبط معلمات المخمد لتحقيق التأثير الأمثل للتحكم في الاهتزاز. تنفذ عملية البناء بأكملها الإشراف على جودة العملية الكاملة, بما في ذلك فحص أبعاد المكونات, اختبار عزم الدوران وكشف المحاذاة الهيكلية.
فترة البناء الفعلية 56 أبراج نقل مقاومة للرياح عالية القوة 120 أيام, الذي 16% أقصر مما هو مخطط له 143 أيام المخطط التقليدي, التحقق من ميزة كفاءة تكنولوجيا التجميع الجاهزة.
5.3 تقييم تأثير التطبيق
5.3.1 تقييم الأداء الهيكلي
بعد الانتهاء من المشروع, وتم إجراء مراقبة موقعية لمدة عام على أبراج النقل الرئيسية, بما في ذلك سرعة الرياح, مراقبة الإجهاد الهيكلي والنزوح. خلال فترة الرصد, مر إعصار كومباسو عبر منطقة المشروع, مع أقصى سرعة رياح لحظية 52 الآنسة. أظهرت نتائج الرصد أن الحد الأقصى للضغط على جسم البرج تحت تأثير الإعصار هو 312 ميغاباسكال, وهو ما يتوافق مع نتائج محاكاة العناصر المحدودة (308 ميغاباسكال), ولا يوجد أي تشوه في البلاستيك أو تلف في المكونات. الحد الأقصى للإزاحة العلوية هو 0.78 م, والذي يقع ضمن النطاق المسموح به. مقارنة بأبراج النقل التقليدية المجاورة, يتم تقليل سعة الاهتزاز للأبراج المقاومة للرياح عالية القوة بنسبة 23% تحت نفس حمل الرياح, مما يشير إلى أن نظام التحكم في الاهتزاز TMD له تأثير كبير.
5.3.2 تحليل المنافع الاقتصادية
ويتم تقييم المنفعة الاقتصادية للمشروع من ثلاثة جوانب: تكلفة البناء الأولية, تكاليف التشغيل والصيانة وخسارة انقطاع التيار الكهربائي. وتظهر النتائج الإحصائية ذلك: (1) تكلفة الوحدة لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة هي 18% أعلى من الأبراج التقليدية, ولكن بسبب انخفاض الوزن الهيكلي وحجم الأساس, التكلفة الإجمالية لبناء المشروع فقط 4.2% أعلى من المخطط التقليدي; (2) تكلفة الصيانة السنوية للأبراج الفولاذية عالية القوة هي 25% أقل من الأبراج التقليدية بسبب مقاومتها الجيدة للتآكل واستقرارها الهيكلي; (3) منذ الانتهاء من المشروع, لم يكن هناك انقطاع في التيار الكهربائي بسبب تلف البرج, وتم تقليل فقدان انقطاع التيار الكهربائي بنسبة 85% مقارنة بنفس الفترة قبل التحول. يُظهر الحساب الشامل أن فترة استرداد الاستثمار لنظام البرج المقاوم للرياح عالية القوة هي 6.3 سنوات, مع فوائد اقتصادية كبيرة على المدى الطويل.
5.3.3 تقييم المنافع الاجتماعية
لقد حقق تطبيق أبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة فوائد اجتماعية ملحوظة. من ناحية, فهو يضمن التشغيل الآمن والمستقر لشبكة الطاقة المحلية, يلبي الطلب على الطاقة من 230,000 المقيمين و 120 المؤسسات الصناعية, ويوفر ضمان طاقة موثوقًا للتنمية الاقتصادية المحلية. من ناحية أخرى, يؤدي تقليل انقطاعات التيار الكهربائي إلى تحسين شعور الجمهور بالأمان والرضا عن خدمات إمدادات الطاقة. بالإضافة الى, تعمل تقنية التجميع الجاهز على تقليل ضوضاء البناء وتلوث الغبار في الموقع, واستخدام الفولاذ عالي القوة يقلل من استهلاك الفولاذ بنسبة 17%, وهو ما يتماشى مع استراتيجية التنمية الوطنية الخضراء ومنخفضة الكربون.
6. الاستنتاج والتوقعات
6.1 الاستنتاجات الرئيسية
تجري هذه الورقة بحثًا متعمقًا حول البحث والتطوير لأبراج نقل الطاقة المقاومة للرياح عالية القوة, ويستخلص الاستنتاجات الرئيسية التالية من خلال التحليل النظري, محاكاة العناصر المحدودة والممارسة الهندسية:
(1) الخواص الميكانيكية للفولاذ عالي القوة (Q420, Q500, س690) توفير أساس مادي متين لتصميم أبراج نقل مقاومة للرياح. بالمقارنة مع الفولاذ العادي, يتمتع الفولاذ عالي القوة بقوة إنتاجية أعلى وقوة شد, والتعب الجيد وصلابة التأثير, والتي يمكن أن تحسن بشكل كبير قدرة التحمل الهيكلية وتقليل الوزن. الحساب الدقيق لحمل الرياح (بما في ذلك تحديد سرعة الرياح الأساسية, حساب ضغط الرياح الأساسي واختيار معامل حمل الرياح) وفهم مبادئ الاستقرار الهيكلي (الاستقرار العام والمحلي) هي الأسس النظرية الأساسية للتصميم.
(2) تقنيات التصميم الرئيسية مثل تحسين الشكل الهيكلي, تطبيق مواد عالية القوة, يعد تصميم المكونات المقاومة للرياح وتحسين الوزن الخفيف من الوسائل الفعالة لتحسين مقاومة الرياح لأبراج النقل. جسم البرج المدبب, يمكن أن تعمل وصلة الذراع المتقاطعة والشفة من النوع الصندوقي على تحسين الصلابة الهيكلية وتقليل حمل الرياح; إن الاختيار المعقول لدرجات الفولاذ عالية القوة وتطبيق المواد المركبة يمكن أن يوازن بين الأداء والاقتصاد; أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي, يمكن للأجهزة المضادة للركض والمكونات الأخرى المقاومة للرياح أن تمنع الاهتزاز الناجم عن الرياح بشكل فعال; يمكن أن يؤدي تحسين المقاطع العرضية للمكونات والتبسيط الهيكلي إلى تحقيق أهداف خفيفة الوزن.
(3) تظهر نتائج تحليل العناصر المحدودة أن برج النقل عالي القوة المقاوم للرياح يتمتع بأداء هيكلي ممتاز. تحت سرعة الرياح الأساسية 30-50 الآنسة, الحد الأقصى للضغط أقل من قوة الخضوع للفولاذ عالي القوة, ويكون الإزاحة ضمن النطاق المسموح به. يُظهر التحليل النموذجي وتحليل استجابة الاهتزاز الناجم عن الرياح أن تركيب TMD يمكن أن يقلل من الضغط الديناميكي وإزاحة الهيكل بأكثر من 17%. يوضح تحليل الاستقرار أن الهيكل يتمتع باستقرار عام ومحلي كافٍ, وعامل السلامة يلبي متطلبات التصميم.
(4) تتحقق دراسة الحالة الهندسية من جدوى وتفوق أبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة. يُظهر المشروع الساحلي بقدرة 220 كيلو فولت أن الأبراج المقاومة للرياح عالية القوة يمكنها تحمل أحمال الأعاصير الشديدة, لديها مزايا فترة البناء القصيرة, تكلفة صيانة منخفضة وفوائد اقتصادية واجتماعية كبيرة, وتوفير الخبرة العملية لترويج وتطبيق هذه الأبراج في المناطق ذات سرعة الرياح العالية.
6.2 حدود البحث
على الرغم من أن هذه الورقة قد حققت نتائج بحثية معينة, لا تزال هناك القيود التالية: (1) يعتمد البحث حول الخواص الميكانيكية للفولاذ عالي القوة بشكل أساسي على الاختبارات المعملية, والأداء على المدى الطويل (تعب, تآكل) أبراج نقل فولاذية عالية القوة في ظل ظروف الخدمة الفعلية (تحميل الرياح بالتناوب, التآكل الجوي البحري) يحتاج إلى مزيد من الرصد والبحث في الموقع; (2) يعمل نموذج العناصر المحدودة على تبسيط بعض المكونات الصغيرة وتفاصيل الاتصال, مما قد يؤدي إلى انحرافات طفيفة بين نتائج المحاكاة والأداء الهيكلي الفعلي; (3) تقتصر الحالة الهندسية على المشاريع الساحلية جهد 220 كيلو فولت, ويحتاج تأثير تطبيق أبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة في مشاريع الجهد العالي ومناطق جبال الألب والمرتفعات إلى مزيد من التحقق.; (4) البحث على المواد المركبة هو في الغالب نظري, وتحتاج تكنولوجيا التطبيقات واسعة النطاق والتحكم في تكلفة المواد المركبة في أبراج النقل إلى مزيد من التقدم.
6.3 اتجاهات البحوث المستقبلية
في ضوء القيود البحثية واحتياجات تطوير صناعة الطاقة, يتم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة على النحو التالي:
(1) تعزيز البحث حول الأداء على المدى الطويل والتنبؤ بالحياة. إجراء مراقبة تتبع طويلة المدى لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة في بيئات مختلفة, دراسة قانون تطور الأداء الإنشائي في ظل الفعل المشترك لحمل الرياح, التآكل والتعب, وإنشاء نموذج للتنبؤ بالحياة يعتمد على الاقتران متعدد العوامل.
(2) تحسين دقة محاكاة العناصر المحدودة. النظر في تأثير اللاخطية المادية, صلابة الاتصال والتفاصيل المحلية على الأداء الهيكلي, إنشاء نموذج أكثر دقة للعناصر المحدودة, والجمع بين اختبارات نفق الرياح لتحسين موثوقية نتائج المحاكاة. استكشف تطبيق تقنية التوأم الرقمي في تصميم برج النقل ومراقبة التشغيل لتحقيق الإدارة الديناميكية للهياكل في الوقت الفعلي.
(3) قم بتوسيع نطاق التطبيق وتكييف السيناريو. تطوير تقنيات برج نقل مقاومة للرياح عالية القوة ومناسبة للجهد الفائق (UHV)., طاقة الرياح البحرية وغيرها من المشاريع, تحسين مخطط التصميم وفقا للظروف البيئية المختلفة (ارتفاع عال, المناطق الباردة), وتعزيز التطبيق على نطاق واسع لتقنيات مقاومة الرياح عالية القوة في شبكة الطاقة.
(4) تشجيع ابتكار وتطبيق المواد الجديدة والتقنيات الجديدة. تسريع الأبحاث على التكلفة المنخفضة, المواد المركبة عالية الأداء وتقنيات ربطها بالهياكل الفولاذية; تطوير مكونات ذكية مقاومة للرياح مثل أنظمة TMD التكيفية وأنظمة التحكم في الاهتزاز النشطة لزيادة تحسين تأثير التحكم في الاهتزاز الناجم عن الرياح.
(5) تحسين النظام القياسي والسلسلة الصناعية. تلخيص نتائج البحث والخبرة الهندسية, صياغة مجموعة كاملة من معايير التصميم ومواصفات البناء لأبراج نقل الحركة المقاومة للرياح عالية القوة, تحسين القدرة الإنتاجية الجاهزة للمكونات, وتعزيز تصنيع وتوحيد تكنولوجيا أبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة.
مراجع
[1] GB 50009-2012, كود الأحمال على هياكل البناء[S]. بكين: الصين العمارة & بناء الصحافة, 2012.
[2] GB 50545-2010, كود تصميم خطوط النقل الهوائية جهد 110 كيلو فولت إلى 750 كيلو فولت[S]. بكين: الصين العمارة & بناء الصحافة, 2010.
[3] لي ج, وانغ ي, تشانغ ل. بحث حول الأداء المقاوم للرياح لأبراج النقل الفولاذية عالية القوة[J]. مجلة أبحاث الصلب الإنشائي, 2018, 145: 123-132.
[4] تشانغ ه, لي ذ, ليو ج. تحليل العناصر المحدودة للاهتزاز الناتج عن الرياح لأبراج النقل ذات المخمدات الجماعية المضبوطة[J]. الهياكل الهندسية, 2019, 198: 109567.
[5] تشين دبليو, تشانغ اكس, وانغ ز. تطبيق المواد المركبة في أبراج النقل المقاومة للرياح[J]. المركبات الجزء ب: هندسة, 2020, 185: 107789.
[6] ASCE 7-16, الحد الأدنى من أحمال التصميم والمعايير المرتبطة بها للمباني والهياكل الأخرى[S]. ريستون, فرجينيا: الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين, 2017.
[7] جيس جي 3106: 2015, ألواح الصلب المدرفلة على الساخن, صفائح وشرائط للأغراض الهيكلية العامة[S]. طوكيو: جمعية المعايير اليابانية, 2015.
[8] وانغ ل, تشين ي, لي ز. التطبيقات الهندسية لأبراج النقل المقاومة للرياح عالية القوة في المناطق الساحلية[J]. تكنولوجيا نظام الطاقة, 2021, 45(3): 1123-1131.
[9] ليو ه, تشانغ ي, وانغ ج. دراسة اختبار نفق الرياح على توزيع حمل الرياح لنظام برج النقل[J]. مجلة هندسة الرياح والديناميكا الهوائية الصناعية, 2017, 168: 102-110.
[10] تشاو ج, لي م, تشانغ ك. تصميم مثالي خفيف الوزن لأبراج نقل فولاذية عالية القوة يعتمد على الخوارزمية الجينية[J]. التحسين الهيكلي ومتعدد التخصصات, 2022, 65(4): 126.
