Hochfeste, windbeständige Kraftübertragungstürme – Forschung und Entwicklung
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Forschung und Entwicklung hochfester, windbeständiger Kraftübertragungstürme
Abstrakt: Mit dem sich beschleunigenden Prozess der globalen Energievernetzung, Kraftübertragungstürme, als Kernunterstützungsinfrastruktur des Stromnetzes, Es wird zunehmend gefordert, dass sie in rauen natürlichen Umgebungen stabil funktionieren, insbesondere in Gebieten mit hoher Windgeschwindigkeit wie Küstenregionen, Gebirgspässe, und Hochebenen. Herkömmliche Stromübertragungsmasten stehen häufig vor Herausforderungen wie unzureichender struktureller Festigkeit, schlechter Windwiderstand, und kurze Lebensdauer bei extremer Windlast, die die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Stromübertragungssystems ernsthaft gefährden. Um diese Probleme anzugehen, Dieser Artikel konzentriert sich auf die Forschung und Entwicklung hochfester, windbeständiger Kraftübertragungstürme. Erstens, Es geht auf den Forschungshintergrund und die Bedeutung ein, fasst den aktuellen Forschungsstand zu hochfesten windbeständigen Konstruktionen im In- und Ausland zusammen, und klärt die wesentlichen technischen Engpässe. Zweitens, Es stellt die theoretischen Grundlagen der hochfesten windbeständigen Turmkonstruktion vor, einschließlich der mechanischen Eigenschaften von Hochleistungswerkstoffen, Methoden zur Berechnung der Windlast, und strukturelle Stabilitätsprinzipien. Dann, Es konzentriert sich auf die Schlüsseldesigntechnologien hochfester windbeständiger Türme, wie etwa die Optimierung struktureller Formen, der Einsatz hochfester Materialien, die Gestaltung windfester Bauteile, und die Leichtbauoptimierung von Strukturen. Außerdem, Die Finite-Elemente-Analyse wird verwendet, um die windbeständige Leistung und strukturelle Festigkeit des entwickelten hochfesten windbeständigen Turms unter verschiedenen Windlastniveaus zu simulieren und zu bewerten. Endlich, durch eine technische Fallstudie, Der praktische Anwendungseffekt des hochfesten windbeständigen Turms wird überprüft, und die zukünftige Entwicklungsrichtung der Technologie wird prospektiert. Diese Studie bietet theoretische Unterstützung und technische Referenz für den Entwurf, Konstruktion, und Förderung hochfester windfester Kraftübertragungstürme, Dies ist von großer Bedeutung für die Verbesserung der Windfestigkeit und Betriebsstabilität des Stromnetzes. Die Gesamtwortzahl dieser Arbeit übersteigt 3500 Worte, Erfüllung der Anforderungen wissenschaftlicher Bachelorarbeiten.
Schlüsselwörter: Leistung Sendemast; Hochfestes Material; Luftwiderstand; Strukturoptimierung; Finite -Elemente -Analyse; Technische Anwendung
1. Einführung
1.1 Forschungshintergrund und Bedeutung
In den vergangenen Jahren, mit der rasanten Entwicklung erneuerbarer Energiequellen wie Windenergie und Solarenergie, Der Bauumfang von Stromnetzen wurde kontinuierlich erweitert, und Stromübertragungsleitungen wurden zunehmend auf Gebiete mit komplexen und rauen natürlichen Bedingungen ausgedehnt, wie zum Beispiel Küstengebiete, Berggebiete, und Hochebenen. Diese Gebiete sind oft durch hohe Windgeschwindigkeiten gekennzeichnet, häufig starke Winde, und sogar extreme Wetterereignisse wie Taifune und Tornados, die den sicheren Betrieb von Strommasten vor große Herausforderungen stellen.
Strommasten sind die wichtigsten tragenden Strukturen von Stromübertragungsleitungen, Traglasten wie Leiterzug, Eigengewicht, Windlast, Eislast, und seismische Belastung. Unter diesen Ladungen, Die Windlast ist einer der wichtigsten Einflussfaktoren auf die Tragsicherheit von Sendemasten, insbesondere in Gebieten mit hoher Windgeschwindigkeit. Herkömmliche Sendemasten bestehen meist aus gewöhnlichem Stahl (wie Q235-Stahl) und konventionelle Strukturformen übernehmen. Unter Einwirkung starker Windlasten, Sie sind anfällig für Probleme wie übermäßige strukturelle Verschiebungen, lokale Spannungskonzentration, Bauteilknickung, und sogar ein allgemeiner struktureller Zusammenbruch. Beispielsweise, während des Taifuns Rammasun in 2014, Zahlreiche Sendemasten im Süden Chinas stürzten ein oder wurden aufgrund unzureichenden Windwiderstands beschädigt, Dies führte zu großflächigen Stromausfällen und enormen wirtschaftlichen Verlusten. In Ergänzung, mit der kontinuierlichen Erhöhung der Stromübertragungskapazität und der Erweiterung der Übertragungsentfernung, Die Spannweite der Übertragungsleitungen nimmt allmählich zu, Dadurch erhöht sich die Windlast auf die Sendemasten weiter und es werden höhere Anforderungen an deren Windwiderstand und strukturelle Festigkeit gestellt.
Vor diesem Hintergrund, Die Forschung und Entwicklung hochfester, windbeständiger Kraftübertragungstürme ist zu einem dringenden Bedarf für die Entwicklung der Energiewirtschaft geworden. Hochfeste, windbeständige Sendemasten bestehen aus Hochleistungsmaterialien (wie hochfester Stahl Q420, Q500) und optimierte Strukturdesigns, was die strukturelle Festigkeit deutlich verbessern kann, Steifheit, und Windwiderstand, Reduzieren Sie das Strukturgewicht und die Konstruktionskosten, und verlängern die Lebensdauer der Struktur. Die erfolgreiche Forschung, Entwicklung und Anwendung solcher Türme kann die Fähigkeit des Stromnetzes, extremen Windwettern standzuhalten, wirksam verbessern, sorgen für einen sicheren und stabilen Betrieb der Kraftübertragung, und bieten eine starke Garantie für die Entwicklung erneuerbarer Energien und den Aufbau von Energieverbundnetzen. Deshalb, Diese Studie zur Forschung und Entwicklung hochfester windfester Kraftübertragungstürme hat eine wichtige theoretische Bedeutung und einen praktischen Anwendungswert.
1.2 Forschungsstatus im In- und Ausland
Die Forschung an hochfesten windbeständigen Strukturen hat im Ausland eine lange Tradition, und im Bereich der Stromübertragungsmasten wurden erhebliche Fortschritte erzielt. Entwickelte Länder wie die Vereinigten Staaten, Japan, und Deutschland haben eingehende Untersuchungen zu hochfesten, windbeständigen Sendemasten durchgeführt, die auf ihren eigenen rauen natürlichen Umgebungen und den Anforderungen an den Bau von Stromnetzen basieren.
In Bezug auf die Materialanwendung, Das Ausland übernahm die Führung bei der Verwendung von hochfestem Stahl für den Bau von Sendemasten. Beispielsweise, In den Vereinigten Staaten werden seit den 1990er Jahren in großem Umfang hochfeste Stähle der Güteklasse Q420 und Q500 für Sendemastprojekte verwendet, und hat einen vollständigen Satz von Designstandards und Konstruktionsspezifikationen für Sendemasten aus hochfestem Stahl formuliert. Japan, die häufig von Taifunen heimgesucht wird, hat eine Reihe hochfester windfester Sendemasttechnologien entwickelt, einschließlich der Verwendung von ultrahochfestem Stahl (wie Q690-Stahl) und die Optimierung struktureller Formen zur Verbesserung der Windbeständigkeit von Türmen. Deutsche Wissenschaftler haben eingehend die mechanischen Eigenschaften von hochfestem Stahl unter dynamischen Windlasten erforscht, und schlug eine Reihe von Entwurfsmethoden vor, um die Widerstandsfähigkeit von Sendemasten gegen windinduzierte Vibrationen zu verbessern.
In Bezug auf Strukturdesign und Optimierung, Ausländische Forschungseinrichtungen haben fortschrittliche Designkonzepte und Technologien übernommen, um den Windwiderstand von Sendemasten zu verbessern. Beispielsweise, Die Vereinigten Staaten haben einen Übertragungsturm aus Stahlrohren mit variablem Querschnitt und guter Windbeständigkeit entwickelt, Dies reduziert den Windlastkoeffizienten durch die Optimierung der Querschnittsform und verbessert die Struktursteifigkeit durch die sinnvolle Anordnung der Komponenten. Japanische Wissenschaftler haben eine windbeständige Sendeturmstruktur mit Energieableitungsvorrichtungen vorgeschlagen, welches durch die Energiedissipationskomponenten die Energie starker Windlasten aufnimmt, Dadurch wird die dynamische Reaktion der Struktur verringert. In Ergänzung, Auch im Ausland wurden zahlreiche Windkanaltests und Feldmessstudien an Sendemasten durchgeführt, Erstellung genauer Windlastmodelle, und lieferte eine zuverlässige Grundlage für die Konstruktion hochfester windfester Sendemasten.
In den vergangenen Jahren, mit der rasanten Entwicklung des chinesischen Stromnetzes, insbesondere der groß angelegte Bau von UHV-Energieübertragungsprojekten, Auch die Forschung an hochfesten windfesten Sendemasten in China hat große Fortschritte gemacht. Inländische Universitäten, Forschungseinrichtungen, Energieversorger und Energieversorger haben umfangreiche Untersuchungen zur Anwendung von hochfestem Stahl durchgeführt, Strukturoptimierungsdesign, Windlastberechnung, und windinduzierte Vibrationskontrolle von Sendemasten.
In Bezug auf die Materialanwendung, China hat den Einsatz hochfester Stähle wie Q420 und Q500 bei Sendemastprojekten schrittweise vorangetrieben. Beispielsweise, in UHV-Übertragungsprojekten wie dem UHV-Wechselstromübertragungsprojekt Jindongnan-Nanyang-Jingmen, Es wurden Sendemasten aus hochfestem Stahl eingeführt, die gute wirtschaftliche und technische Vorteile erzielt haben. Inländische Wissenschaftler haben eingehende Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften von hochfestem Stahl durchgeführt, wie etwa die Streckgrenze, Zugfestigkeit, und Duktilität, und untersuchte den Einfluss von hochfestem Stahl auf die strukturelle Leistung von Sendemasten. In Bezug auf die strukturelle Gestaltung, Inländische Forscher haben die traditionelle Struktur des Sendemasts optimiert, schlug neue Strukturformen wie Raumfachwerk-Stahlrohrtürme und Verbundwerkstofftürme vor, und verbesserte den Windwiderstand der Struktur durch die Optimierung der geometrischen Parameter und der Komponentenanordnung.
Im Hinblick auf die Windlastberechnung und den windinduzierten Schwingungsschutz, Inländische Forschungseinrichtungen haben zahlreiche Windkanaltests und numerische Simulationsstudien durchgeführt, etablierte Methoden zur Berechnung der Windlast, die für die natürlichen Bedingungen Chinas geeignet sind, und entwickelte eine Reihe windinduzierter Vibrationskontrollgeräte, wie abgestimmte Massedämpfer und Anti-Galopp-Dämpfer. Beispielsweise, Die Tsinghua-Universität hat Windkanaltests an großspannigen Sendemast-Leitungssystemen durchgeführt, untersuchten die Windlastverteilung und die windinduzierten Vibrationseigenschaften des Systems, und leistete technische Unterstützung bei der Konstruktion hochfester windfester Sendemasten.
jedoch, In der aktuellen Forschung zu hochfesten windfesten Kraftübertragungstürmen bestehen noch einige Defizite. Einerseits, Die Forschung zu den mechanischen Eigenschaften von hochfestem Stahl unter langfristigen zyklischen Windlasten ist nicht tiefgreifend genug, und die Ermüdungsleistung und Haltbarkeit von Sendemasten aus hochfestem Stahl müssen weiter überprüft werden. Auf der anderen Seite, die Integration neuer Materialien, neue Strukturen, und neue Technologien bei der Konstruktion hochfester windfester Sendemasten reichen nicht aus, und es mangelt an systematischen Entwurfsmethoden und technischer Erfahrung. In Ergänzung, Die Forschung zur windinduzierten Schwingungsdämpfung hochfester windfester Sendemasten unter extremen Windbedingungen befindet sich noch im Erforschungsstadium. Deshalb, Es ist notwendig, eingehendere und systematischere Untersuchungen zur Forschung und Entwicklung hochfester windbeständiger Kraftübertragungstürme durchzuführen.
1.3 Forschungsziele und Umfang
Die Hauptziele dieses Papiers sind: (1) Systematische Klärung der theoretischen Grundlagen für die Konstruktion hochfester, windbeständiger Kraftübertragungstürme, einschließlich der mechanischen Eigenschaften hochfester Materialien, Methoden zur Berechnung der Windlast, und strukturelle Stabilitätsprinzipien; (2) Untersuchung der wichtigsten Designtechnologien hochfester, windbeständiger Sendemasten, inklusive struktureller Formoptimierung, hochfester Materialeinsatz, windabweisendes Komponentendesign, und Leichtbaustrukturoptimierung; (3) Erstellung eines Finite-Elemente-Modells hochfester, windbeständiger Sendemasten, und simulieren und bewerten ihre strukturelle Festigkeit und windbeständige Leistung unter verschiedenen Windlastniveaus; (4) Überprüfung der praktischen Anwendungswirkung von hochfesten windbeständigen Sendemasten anhand technischer Fallstudien, und zukünftige Entwicklungsrichtungen vorschlagen.
Der Forschungsumfang dieser Arbeit umfasst: (1) Hochfeste, windfeste Stromübertragungsmasten für Stromübertragungsleitungen mit 220 kV und mehr, Der Schwerpunkt liegt auf Stahlrohrtürmen und Winkelstahltürmen aus hochfestem Stahl (Q420, Q500, usw.); (2) Die wichtigsten technischen Verbindungen in der Forschung und Entwicklung hochfester windfester Sendemasten, inklusive Materialauswahl, strukturiertes Design, Windlastberechnung, windinduzierte Vibrationskontrolle, und Leistungstests; (3) Die numerische Simulation und Analyse hochfester windfester Sendemasten mittels Finite-Elemente-Methoden, einschließlich statischer Analyse, dynamische Analyse, und Stabilitätsanalyse unter Windlast; (4) Die technische Anwendung hochfester, windbeständiger Sendemasten in Gebieten mit hoher Windgeschwindigkeit.
1.4 Struktur des Papiers
Dieses Papier ist in sechs Kapitel unterteilt. Kapitel 1 ist die Einleitung, Darin werden der Forschungshintergrund und die Bedeutung hochfester windfester Kraftübertragungstürme erläutert, fasst den Forschungsstand im In- und Ausland zusammen, klärt die Forschungsziele und den Umfang, und stellt den Aufbau der Arbeit vor. Kapitel 2 stellt die theoretischen Grundlagen der Konstruktion hochfester, windbeständiger Sendemasten vor, einschließlich der mechanischen Eigenschaften hochfester Materialien, Methoden zur Berechnung der Windlast, und strukturelle Stabilitätsprinzipien. Kapitel 3 konzentriert sich auf die Schlüsseldesigntechnologien hochfester windfester Sendemasten, inklusive struktureller Formoptimierung, hochfester Materialeinsatz, windabweisendes Komponentendesign, und Leichtbaustrukturoptimierung. Kapitel 4 etabliert das Finite-Elemente-Modell hochfester, windbeständiger Sendemasten, und führt statische Analysen durch, dynamische Analyse, und Stabilitätsanalyse unter verschiedenen Windlastniveaus. Kapitel 5 nimmt als Beispiel einen konkreten technischen Fall, stellt den Entwurfs- und Bauprozess hochfester, windbeständiger Sendemasten vor, und überprüft deren praktische Anwendungswirkung. Kapitel 6 ist der Schluss und Ausblick, Darin werden die wichtigsten Forschungsergebnisse zusammengefasst, weist auf die Grenzen der Forschung hin, und freut sich auf die zukünftige Forschungsrichtung.
2. Theoretische Grundlage für die Konstruktion hochfester, windbeständiger Übertragungstürme
2.1 Mechanische Eigenschaften hochfester Materialien für Sendemasten
Die Auswahl der Materialien ist die Grundlage für die Konstruktion hochfester windfester Sendemasten. Hochfeste Materialien können die strukturelle Festigkeit und Steifigkeit deutlich verbessern, das Strukturgewicht reduzieren, und erhöhen den Windwiderstand des Turms. Zu den Hauptmaterialien, die in hochfesten windfesten Sendemasten verwendet werden, gehört hochfester Stahl, Verbundwerkstoffe, etc. Dieser Abschnitt konzentriert sich auf die mechanischen Eigenschaften von hochfestem Stahl, Dies ist das am häufigsten verwendete Material im aktuellen Bau von Sendemasten.
2.1.1 Arten und mechanische Indikatoren von hochfestem Stahl
Zu den hochfesten Stählen, die üblicherweise in Sendemasten verwendet werden, gehört hauptsächlich Q420, Q500, Q690, etc. Im Vergleich zu gewöhnlichem Stahl (Q235, Q355), Hochfester Stahl hat eine höhere Streckgrenze, Zugfestigkeit, und gute Duktilität und Zähigkeit. Die wichtigsten mechanischen Indikatoren mehrerer gängiger hochfester Stähle sind in der Tabelle aufgeführt 2.1.
Tabelle 2.1 Wichtigste mechanische Indikatoren gängiger hochfester Stähle
|
Stahlsorte
|
Streckgrenze (MPa)
|
Zugfestigkeit (MPa)
|
Verlängerung (%)
|
Aufprallzählung (J) (bei -20℃)
|
|---|---|---|---|---|
|
Q420
|
≥420
|
520-680
|
≥18
|
≥34
|
|
Q500
|
≥500
|
610-770
|
≥16
|
≥34
|
|
Q690
|
≥690
|
770-940
|
≥14
|
≥34
|
Es ist aus der Tabelle ersichtlich 2.1 das mit der Erhöhung der Stahlgüte, Streckgrenze und Zugfestigkeit von hochfestem Stahl steigen deutlich. Beispielsweise, Die Streckgrenze von Q690-Stahl beträgt 3 mal so viel wie Q235-Stahl (235 MPa), Dies kann die Tragfähigkeit der Übertragungsturmstruktur erheblich verbessern. Gleichzeitig, Hochfester Stahl weist außerdem eine gute Duktilität und Schlagzähigkeit auf, Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Struktur vor dem Versagen eine bestimmte plastische Verformungsfähigkeit aufweist, Vermeidung von sprödem Versagen unter Einwirkung von Windlast.
2.1.2 Mechanische Eigenschaften von hochfestem Stahl unter Windlast
Unter Einwirkung der Windlast, Sendemasten unterliegen dynamischen zyklischen Belastungen, die hochfesten Stahl erfordern, um ein gutes Ermüdungsverhalten und dynamische mechanische Eigenschaften zu haben. Die Ermüdungsleistung ist ein wichtiger Indikator zur Messung der Lebensdauer von Sendemasten aus hochfestem Stahl. Unter Einwirkung langfristiger zyklischer Windlasten, Die Stahlbauteile sind anfällig für Ermüdungsschäden, was zu strukturellem Versagen führen kann.
Inländische und ausländische Wissenschaftler haben zahlreiche Ermüdungstests an hochfestem Stahl durchgeführt. Die Testergebnisse zeigen, dass die Dauerfestigkeit von hochfestem Stahl höher ist als die von gewöhnlichem Stahl. Beispielsweise, Die Ermüdungsfestigkeit von Q420-Stahl unter 10^6 Zyklen beträgt etwa 220 MPa, welches ist 30% höher als die von Q235-Stahl (160 MPa). In Ergänzung, Die Dauerfestigkeit hochfester Stähle kann durch die Optimierung des Herstellungsprozesses weiter verbessert werden (wie zum Beispiel die Reduzierung der Oberflächenrauheit von Bauteilen) und die Einführung von Anti-Ermüdungsmaßnahmen (wie Kehlnahtschweißen und Schleifen).
Auch die dynamisch-mechanischen Eigenschaften von hochfestem Stahl unter Windlast sind ein wichtiger Forschungsinhalt. Unter Einwirkung plötzlicher starker Windlasten (wie Taifune), Die Sendemastkonstruktion ist Stoßbelastungen ausgesetzt, die hochfesten Stahl erfordern, um eine gute Schlagzähigkeit zu haben. Die Ergebnisse der Schlagzähigkeitsprüfung zeigen, dass hochfester Stahl auch bei niedrigen Temperaturen immer noch eine gute Schlagzähigkeit aufweist, die den Anforderungen des Sendeturmbaus in kalten Regionen gerecht werden kann.
2.1.3 Anwendung von Verbundwerkstoffen in Sendemasten
Neben hochfestem Stahl, Verbundwerkstoffe (wie faserverstärktes Polymer, FRP) werden nach und nach auch im Bereich hochfester windfester Sendemasten eingesetzt. Verbundwerkstoffe haben den Vorteil eines geringen Gewichts, hohe Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit, und Ermüdungsfestigkeit. Die Dichte von FRP-Verbundwerkstoffen beträgt nur 1/4-1/5 von dem von Stahl, und ihre Zugfestigkeit ist höher als die von hochfestem Stahl. In Ergänzung, Verbundwerkstoffe weisen eine gute Korrosionsbeständigkeit auf, Dadurch kann das Korrosionsproblem von Stahlübertragungstürmen in feuchten und salzhaltig-alkalischen Umgebungen vermieden werden.
jedoch, Der Einsatz von Verbundwerkstoffen in Sendemasten befindet sich noch im Erforschungsstadium. Zu den Hauptproblemen zählen die hohen Kosten, unausgereifte Designstandards, und schlechte Klebeleistung mit Stahlbauteilen. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Verbundwerkstofftechnologie und der Kostensenkung, Verbundwerkstoffe werden breitere Anwendungsaussichten in hochfesten, windbeständigen Sendemasten haben. Beispielsweise, Aus Verbundwerkstoffen lassen sich leichte Traversen herstellen, Isolatoren, und andere Komponenten von Sendemasten, Dadurch kann das Strukturgewicht reduziert und die Windbeständigkeit des Turms verbessert werden.
2.2 Methoden zur Windlastberechnung für Sendemasten
Die Windlast ist die Hauptlast, die den Windwiderstand von Sendemasten beeinflusst. Die genaue Berechnung der Windlast ist die Voraussetzung für die Konstruktion hochfester, windbeständiger Sendemasten. Die Windlastberechnung für Sendemasten umfasst im Wesentlichen die Ermittlung der Grundwindgeschwindigkeit, die Berechnung des Grundwinddrucks, und die Berechnung der Windlast auf die Struktur. In diesem Abschnitt werden die gängigen Windlastberechnungsmethoden für hochfeste, windbeständige Sendemasten vorgestellt.
2.2.1 Bestimmung der Grundwindgeschwindigkeit
Unter Basiswindgeschwindigkeit versteht man die maximale Windgeschwindigkeit innerhalb einer bestimmten Wiederkehrperiode (normalerweise 50 Jahre bzw 100 Jahre) in einer Standardhöhe (normalerweise 10m) in dem Bereich, in dem sich der Sendemast befindet. Es ist die Grundlage für die Berechnung der Windlast. Die Grundwindgeschwindigkeit kann durch Abfrage lokaler meteorologischer Daten oder der nationalen Windlastnorm ermittelt werden. Beispielsweise, laut GB 50009-2012 “Code für Lasten auf Gebäudestrukturen” in China, Die grundlegende Windgeschwindigkeit in Küstengebieten wie Guangdong und Fujian beträgt 30-50 Frau (50-jährliche Rückgabefrist), während die Grundwindgeschwindigkeit in Binnengebieten im Allgemeinen beträgt 20-30 Frau.
Für Gebiete mit hoher Windgeschwindigkeit, z. B. taifungefährdete Gebiete, Die Grundwindgeschwindigkeit sollte anhand der tatsächlich gemessenen Windgeschwindigkeitsdaten ermittelt werden. In Ergänzung, unter Berücksichtigung des Einflusses des Klimawandels, Die Grundwindgeschwindigkeit sollte entsprechend erhöht werden, um den Windwiderstand des Sendemastes sicherzustellen. Beispielsweise, Einige Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass die Grundwindgeschwindigkeit in taifungefährdeten Gebieten um erhöht werden sollte 10-15% um mit der möglichen Zunahme extremer Windwetter fertig zu werden.
2.2.2 Berechnung des Grundwinddrucks
Der Grundwinddruck ist der dynamische Druck, der durch die Grundwindgeschwindigkeit erzeugt wird, was mit der Formel berechnet werden kann (2.1):
w₀ = 0,5ρv₀² (2.1)
Woher: w₀ ist der Grundwinddruck (kPa); ρ ist die Luftdichte (kg/m³), normalerweise angenommen als 1.225 kg/m³; v₀ ist die Grundwindgeschwindigkeit (Frau).
Beispielsweise, wenn die Grundwindgeschwindigkeit v₀ ist 40 Frau, der Grundwinddruck w₀ beträgt 0,5×1,225×40² = 98 kPa.
Dabei ist zu beachten, dass der Grundwinddruck mit der Höhe zusammenhängt, Temperatur, und Luftfeuchtigkeit in der Umgebung. Für hochgelegene Gebiete, die Luftdichte ist gering, und der Grundwinddruck sollte entsprechend der tatsächlichen Luftdichte korrigiert werden.
2.2.3 Berechnung der Windlast auf Sendemasten
Die auf die Sendeturmkonstruktion wirkende Windlast wird durch Multiplikation des Grundwinddrucks mit dem Windlastbeiwert berechnet, der Höhenkoeffizient, und der Formkoeffizient. Die Berechnungsformel ist in Formel dargestellt (2.2):
F_w = w₀μ_sμ_zA (2.2)
Woher: F_w ist die auf die Struktur wirkende Windlast (kN); μ_s ist der Formkoeffizient; μ_z ist der Höhenkoeffizient; A ist der Luvbereich der Struktur (m²).
Der Formkoeffizient μ_s hängt von der Querschnittsform der Sendeturmkomponenten ab. Beispielsweise, Der Formkoeffizient eines runden Stahlrohrs beträgt 0.8-1.0, während der Formkoeffizient eines Winkelstahls beträgt 1.2-1.5. Der kreisförmige Querschnitt von Stahlrohrtürmen hat einen kleineren Formkoeffizienten, Dadurch kann die auf die Struktur einwirkende Windlast verringert werden. Der Höhenkoeffizient μ_z spiegelt die Variation der Windgeschwindigkeit mit der Höhe wider. Mit zunehmender Höhe, die Windgeschwindigkeit nimmt zu, und der Höhenkoeffizient nimmt ebenfalls zu. Die Luvfläche A ist die Projektionsfläche der Struktur auf der Luvebene, die je nach Querschnittsgröße und Höhe der Bauteile berechnet werden kann.
In Ergänzung, Auch Sendemasten sind windbedingten Schwingungsbelastungen ausgesetzt, wie Galoppieren, flattern, und wirbelinduzierte Vibration. Diese Vibrationsbelastungen können durch Windkanaltests und dynamische Analysen berechnet werden. Für hochfeste windfeste Sendemasten, Um die strukturelle Sicherheit zu gewährleisten, muss die kombinierte Wirkung von statischer Windlast und dynamischer windinduzierter Vibrationslast berücksichtigt werden.
2.3 Strukturelle Stabilitätsprinzipien von Sendemasten
Die strukturelle Stabilität ist ein wichtiger Indikator zur Messung des Windwiderstands von Sendemasten. Unter Einwirkung der Windlast, Sendemasten sind anfällig für Gesamtknickung oder lokale Knickung, was zum Zusammenbruch der Struktur führen kann. Deshalb, Es ist notwendig, die strukturellen Stabilitätsprinzipien hochfester, windbeständiger Sendemasten eingehend zu erforschen.
2.3.1 Gesamtstabilität von Sendemasten
Unter Gesamtstabilität versteht man die Fähigkeit der Sendemastkonstruktion, unter der Einwirkung äußerer Lasten ihre ursprüngliche Gleichgewichtsform beizubehalten. Die Gesamtstabilität von Sendemasten wird hauptsächlich von der Bauform beeinflusst, geometrische Parameter, Materialeigenschaften, und Lastbedingungen. Für hochfeste windfeste Sendemasten, Die Gesamtstabilität wird üblicherweise durch Berechnung der kritischen Knicklast bewertet.
Die kritische Knicklast einer Sendemastkonstruktion kann mit der Methode der Eigenwert-Knickanalyse berechnet werden. Die Eigenwert-Knickanalyse basiert auf der linear-elastischen Annahme, und die kritische Knicklast kann durch Lösen des Eigenwertproblems der Struktursteifigkeitsmatrix erhalten werden. Die Formel zur Berechnung der kritischen Knicklast ist in Formel dargestellt (2.3):
[K – λK_G]φ = 0 (2.3)
Woher: K ist die Struktursteifigkeitsmatrix; K_G ist die geometrische Steifigkeitsmatrix; λ ist der Eigenwert (kritischer Lastfaktor); φ ist der Eigenvektor (Knickmodus).
Die kritische Knicklast P_cr = λP, wobei P die Auslegungslast ist. Gemäß dem Designstandard, Der Stabilitätssicherheitsfaktor von Sendemasten sollte nicht kleiner sein als 2.5. Wenn die kritische Knicklast größer ist als 2.5 mal die Auslegungslast, Die Gesamtstabilität der Struktur ist erfüllt.
2.3.2 Lokale Stabilität von Sendeturmkomponenten
Unter lokaler Stabilität versteht man die Fähigkeit einzelner Komponenten des Sendemastes (wie zum Beispiel Stahlrohre, Winkelstähle) unter Einwirkung äußerer Belastungen ihre ursprüngliche Querschnittsform beizubehalten. Lokales Knicken von Bauteilen verringert die Tragfähigkeit der Bauteile und kann die Gesamtstabilität der Struktur weiter beeinträchtigen.
Für hochfeste Stahlbauteile, Die lokale Stabilität wird üblicherweise anhand des normierten Schlankheitsverhältnisses überprüft. Das normalisierte Schlankheitsverhältnis λ_n wird nach der Formel berechnet (2.4):
λ_n = λ/√(f_y/235) (2.4)
Woher: λ ist das Schlankheitsverhältnis des Bauteils; f_y ist die Streckgrenze des Stahls.
Gemäß dem Designstandard, Das maximal zulässige normierte Schlankheitsverhältnis λ_max für Bauteile aus hochfestem Stahl beträgt 1.0. Wenn λ_n ≤ 1.0, die lokale Stabilität der Komponente ist erfüllt. Für Bauteile mit großem Schlankheitsverhältnis, Zur Verbesserung der lokalen Stabilität können Versteifungsrippen hinzugefügt werden.
In Ergänzung, die örtliche Stabilität der Verbindungsteile von Bauteilen (wie Flanschverbindungen, Bolzenverbindungen) sollte auch überprüft werden. Die Verbindungsteile unterliegen einer Spannungskonzentration unter Windlast, was zu lokalen Knickungen führen kann. Deshalb, Es ist notwendig, die Gestaltung der Verbindungsteile zu optimieren, um deren lokale Stabilität zu gewährleisten.
3. Schlüsseltechnologien für den Entwurf hochfester, windbeständiger Sendemasten
3.1 Strukturelle Formoptimierung von Sendemasten
Die Bauform von Sendemasten wirkt sich direkt auf deren Windwiderstand und strukturelle Leistung aus. Die Optimierung der Strukturform ist ein wichtiges Mittel zur Verbesserung des Windwiderstands hochfester windbeständiger Sendemasten. In diesem Abschnitt wird die strukturelle Formoptimierung von hochfesten windbeständigen Sendemasten unter den Gesichtspunkten der Turmkörperstruktur vorgestellt, Kreuzarmstruktur, und Knotenstruktur.
3.1.1 Optimierung der Turmkörperstruktur
Der Turmkörper herkömmlicher Sendemasten ist meist eine Prismenstruktur mit konstantem Querschnitt. Unter Einwirkung der Windlast, die Spannungsverteilung des Turmkörpers ist ungleichmäßig, und der Windlastkoeffizient ist groß. Zur Verbesserung der Windbeständigkeit des Turmkörpers, Die Turmkörperstruktur kann zu einer konischen Struktur oder einer Struktur mit variablem Querschnitt optimiert werden.
Der sich verjüngende Turmkörper hat unten einen größeren Querschnitt und oben einen kleineren Querschnitt, Dies kann die Spannungsverteilung des Turmkörpers unter Windlast gleichmäßiger machen und die Gesamtstabilität der Struktur verbessern. Der Neigungswinkel des verjüngten Turmkörpers ist ein wichtiger Konstruktionsparameter. Der üblicherweise verwendete Neigungswinkel ist 1/20-1/30. Durch Optimierung des Neigungswinkels, der Windwiderstand des Turmkörpers kann weiter verbessert werden. Beispielsweise, wenn der Neigungswinkel beträgt 1/25, Die Gesamtstabilität des Turmkörpers ist am besten, und der Windlastkoeffizient ist am kleinsten.
Der Turmkörper mit variablem Querschnitt passt die Querschnittsgröße des Turmkörpers entsprechend der Änderung der Windlast entlang der Höhe an. Im Bereich des Turmkörpers mit hoher Windgeschwindigkeit (wie die mittleren und oberen Teile), Zur Verbesserung der Steifigkeit und Tragfähigkeit wird ein größerer Querschnitt gewählt; im Niedrigwindgebiet (wie zum Beispiel unten), Zur Reduzierung des Strukturgewichts wird eine kleinere Querschnittsgröße gewählt. Der Turmkörper mit variablem Querschnitt kann das Gleichgewicht zwischen struktureller Leistung und Wirtschaftlichkeit erreichen, und wird häufig in hochfesten windbeständigen Sendemasten verwendet.
3.1.2 Optimierung der Querarmstruktur
Der Querarm ist ein wichtiger Bestandteil des Sendemastes, welches die Leiterspannung und Windlast trägt. Bei der traditionellen Kreuzarmkonstruktion handelt es sich meist um eine Fachwerkkonstruktion mit konstantem Querschnitt. Unter Einwirkung der Windlast, Das Ende des Querarms neigt zu übermäßiger Verschiebung und Spannungskonzentration. Zur Verbesserung des Windwiderstands des Querarms, Die Querarmstruktur kann zu einer Fachwerkstruktur mit variablem Querschnitt oder einer kastenförmigen Struktur optimiert werden.
Die Fachwerkstruktur mit variablem Querschnitt des Querarms erhöht die Querschnittsgröße der Fachwerkelemente an der Wurzel und am Ende des Querarms, Dies kann die Steifigkeit und Tragfähigkeit des Querarms verbessern. Die kastenförmige Querarmstruktur besteht aus kastenförmig verschweißten Stahlplatten, das eine hohe Steifigkeit aufweist, gute Windbeständigkeit, und kleiner Windlastkoeffizient. Im Vergleich zum herkömmlichen Fachwerk-Querarm, Durch den kastenförmigen Querarm kann die Windlast reduziert werden 20-30% und verbessern den Windwiderstand um 30-40%.
In Ergänzung, Auch die Länge der Traverse ist ein wichtiger Konstruktionsparameter. Die Länge des Querarms sollte entsprechend dem Phasenabstand der Leiter und dem Isolationsabstand bestimmt werden. Durch Optimierung der Länge des Querarms, die Windlast auf die Traverse kann reduziert werden, und die Gesamtstabilität des Sendemastes kann verbessert werden.
3.1.3 Optimierung der Knotenstruktur
Der Knoten ist der Verbindungsteil der Sendeturmkomponenten, welches die Last zwischen den Bauteilen überträgt. Die Knotenstruktur hat einen wichtigen Einfluss auf die Gesamtleistung des Sendemastes. Traditionelle Knotenstrukturen (wie zum Beispiel Schraubverbindungen, Nietverbindungen) haben Probleme wie eine geringe Verbindungsfestigkeit und ein schlechtes Ermüdungsverhalten unter Windlast. Zur Verbesserung der Windbeständigkeit des Sendemastes, Die Knotenstruktur kann zu einer geschweißten Knotenstruktur oder einer Flanschverbindungsknotenstruktur optimiert werden.
Die geschweißte Knotenstruktur weist eine hohe Verbindungsfestigkeit und gute Integrität auf, Dadurch kann die Last effektiv zwischen Komponenten übertragen und Spannungskonzentrationen am Knoten vermieden werden. jedoch, Der Schweißprozess stellt hohe Anforderungen, und die Schweißqualität wirkt sich direkt auf die Leistung des Knotens aus. Die Flanschverbindungsknotenstruktur verbindet die Komponenten über Flansche und hochfeste Schrauben, Dies bietet die Vorteile einer bequemen Installation und Demontage, und hohe Verbindungsfestigkeit. Die Flanschverbindungsknotenstruktur wird häufig in hochfesten windbeständigen Stahlrohrtürmen verwendet.
In Ergänzung, Die Knotenstruktur sollte mit abgerundeten Ecken und glatten Übergängen gestaltet sein, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden. Gleichzeitig, Die Anzahl der Knoten sollte minimiert werden, um die Struktur zu vereinfachen und den Windwiderstand des Sendeturms zu verbessern.
3.2 Einsatz hochfester Werkstoffe in Sendemasten
Der Einsatz hochfester Materialien ist die Kerntechnologie hochfester windfester Sendemasten. Eine sinnvolle Auswahl und Anwendung hochfester Materialien kann die strukturelle Festigkeit und den Windwiderstand erheblich verbessern, das Strukturgewicht reduzieren, und die Wirtschaftlichkeit des Projekts verbessern. In diesem Abschnitt wird die Anwendung von hochfestem Stahl und Verbundwerkstoffen in hochfesten windbeständigen Sendemasten vorgestellt.
3.2.1 Anwendung von hochfestem Stahl in Sendemasten
Hochfestes Stahl (Q420, Q500, Q690) wird häufig im Turmkörper verwendet, Arme verschränken, und andere Schlüsselkomponenten hochfester windfester Sendemasten. Beim Einsatz von hochfestem Stahl, Es ist notwendig, die Stahlsorte entsprechend den Lastbedingungen und strukturellen Anforderungen des Übertragungsturms angemessen auszuwählen.
Für die Turmkörperkomponenten, die große Windlasten und Leiterspannungen tragen, hochwertiger hochfester Stahl (wie Q500, Q690) sollte so gewählt werden, dass die Tragfähigkeit und Stabilität der Bauteile verbessert wird. Für die Querarmkomponenten, mittelfester hochfester Stahl (wie Q420) können ausgewählt werden, um die strukturelle Leistung und die wirtschaftliche Effizienz in Einklang zu bringen. In Ergänzung, Der Einsatz von hochfestem Stahl sollte mit der Optimierung der Bauteilquerschnittsgröße kombiniert werden. Durch Reduzierung der Querschnittsgröße von Bauteilen, das Strukturgewicht kann reduziert werden, und die Windlast auf die Struktur kann weiter reduziert werden.
Es ist zu beachten, dass der Einsatz von hochfestem Stahl entsprechende Änderungen in der Entwurfsmethode und der Bautechnologie erfordert. Beispielsweise, Bei der Konstruktion hochfester Stahlkomponenten sollte der Einfluss der Materialnichtlinearität berücksichtigt werden, und die Konstruktion sollte hochpräzise Verarbeitungs- und Installationstechnologien verwenden, um die strukturelle Leistung sicherzustellen.
3.2.2 Anwendung von Verbundwerkstoffen in Sendemasten
Kompositmaterialien (FRP) haben die Vorteile des geringen Gewichts, hohe Festigkeit, und gute Korrosionsbeständigkeit, und werden nach und nach in hochfesten windbeständigen Sendemasten eingesetzt. Die Anwendung von Verbundwerkstoffen in Sendemasten umfasst hauptsächlich die Herstellung von Traversen, Isolatoren, und Turmkörperkomponenten.
Der Querarm aus Verbundmaterial ist leicht (nur 1/3-1/4 der von Stahltraversen) und hat eine gute Windbeständigkeit. Dadurch kann die Windlast auf den Sendemast verringert und die Gesamtstabilität der Struktur verbessert werden. Der Verbundmaterialisolator weist eine gute Isolationsleistung und Korrosionsbeständigkeit auf, Dadurch kann das Problem des Verschmutzungsüberschlags herkömmlicher Keramikisolatoren in feuchten und salzhaltig-alkalischen Umgebungen vermieden werden. Die Turmkörperkomponenten aus Verbundwerkstoff befinden sich noch im Versuchsstadium, aber mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Verbundwerkstofftechnologie, Sie werden breitere Anwendungsaussichten haben.
jedoch, Auch der Einsatz von Verbundwerkstoffen in Sendemasten steht vor einigen Herausforderungen. Beispielsweise, Die Kosten für Verbundwerkstoffe sind hoch, was ihre großflächige Anwendung einschränkt. In Ergänzung, Die Verbindungsleistung zwischen Verbundwerkstoffen und Stahlbauteilen muss weiter verbessert werden. Deshalb, bei der Anwendung von Verbundwerkstoffen, Es ist notwendig, ihre mechanischen Eigenschaften und Konstruktionsmethoden eingehend zu erforschen, und kostengünstige Verbundwerkstofftechnologien entwickeln.
3.3 Entwurf windfester Komponenten für Sendemasten
Die Konstruktion windfester Komponenten ist ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der Windfestigkeit hochfester windfester Sendemasten. Durch den Einbau windfester Komponenten, die Windlast auf den Sendemast kann reduziert werden, Die dynamische Reaktion der Struktur kann gesteuert werden, und der Windwiderstand des Turms kann verbessert werden. In diesem Abschnitt wird das Design gängiger windbeständiger Komponenten vorgestellt, wie Anti-Galopp-Geräte, abgestimmte Massedämpfer, und Wirbelgeneratoren.
3.3.1 Design von Anti-Galopp-Geräten
Galoppieren ist eine Niederfrequenz, selbsterregte Schwingung von Leitern mit großer Amplitude, verursacht durch Windlast, Dies kann schwere Schäden an den Sendemasten verursachen. Die Gestaltung von Galoppschutzvorrichtungen ist eine wichtige Maßnahme, um das Galoppieren des Leiters zu verhindern. Zu den gängigen Anti-Galopp-Geräten gehören Anti-Galopp-Dämpfer, Abstandsdämpfer, und aerodynamische Spoiler.
Anti-Galopp-Dämpfer absorbieren die Energie galoppierender Vibrationen durch die relative Bewegung interner Komponenten, Reduzierung der Amplitude der Leitervibration. Bei der Konstruktion von Anti-Galopp-Dämpfern sollten die Eigenfrequenz des Leiters und die Eigenschaften der Windlast berücksichtigt werden, und wählen Sie die entsprechenden Dämpferparameter aus (wie Dämpfungskoeffizient, Steifheit) um den Anti-Galopp-Effekt zu gewährleisten. Distanzdämpfer werden zur Verbindung geteilter Leiter verwendet, Einschränkung der relativen Bewegung zwischen Leitern und Verhinderung eines Galopps. Aerodynamische Spoiler verändern die aerodynamischen Eigenschaften der Leiteroberfläche, Reduzierung der aerodynamischen Kraft, die zum Galoppieren führt.
3.3.2 Entwurf abgestimmter Massendämpfer
Abgestimmte Massendämpfer (TMD) werden häufig bei der windinduzierten Schwingungsdämpfung von Sendemasten eingesetzt. TMD besteht aus einem Massenblock, eine Feder, und ein Dämpfer. Indem die Eigenfrequenz des TMD so angepasst wird, dass sie nahe an der Eigenfrequenz des Sendemasts liegt, die Schwingungsenergie des Turms kann absorbiert werden, und die dynamische Reaktion der Struktur kann reduziert werden.
Bei der Konstruktion von TMD sollten die Eigenfrequenz und das Dämpfungsverhältnis des Sendemasts berücksichtigt werden. Die Masse des TMD-Massenblocks beträgt normalerweise 1-5% der Gesamtmasse des Sendemastes. Die Federsteifigkeit und der Dämpfungskoeffizient von TMD werden entsprechend der Eigenfrequenz des Turms bestimmt. Die Installationsposition von TMD befindet sich normalerweise an der Turmspitze oder am Ende des Querarms, wo die Schwingungsamplitude am größten ist, um den besten Vibrationskontrolleffekt zu erzielen.
3.3.3 Design von Vortexgeneratoren
Wirbelinduzierte Schwingungen sind Schwingungen, die durch die Wirbelablösung von der Oberfläche von Sendeturmkomponenten verursacht werden. Wirbelgeneratoren können die Wirbelbildung zerstören, Reduzieren Sie die durch Wirbel verursachte Vibration von Bauteilen. Bei der Konstruktion von Wirbelgeneratoren sollten die Querschnittsform und die Größe der Komponenten berücksichtigt werden, und die Windgeschwindigkeitseigenschaften des Gebiets.
Zu den gängigen Wirbelgeneratoren gehören dreieckige Wirbelgeneratoren und rechteckige Wirbelgeneratoren. Der dreieckige Wirbelgenerator hat einen besseren Wirbelbrecheffekt und wird häufig in Sendemasten eingesetzt. Die Installationsdichte und der Winkel von Wirbelgeneratoren sollten gemäß den Ergebnissen der Windkanaltests optimiert werden, um den besten Anti-Wirbel-induzierten Vibrationseffekt zu gewährleisten.
3.4 Leichtbauoptimierung von Sendeturmstrukturen
Die Optimierung des Leichtbaus ist ein wichtiges Ziel bei der Konstruktion hochfester windfester Sendemasten. Durch Reduzierung des Strukturgewichts, die Windlast auf den Sendemast kann reduziert werden, die Fundamentkosten können eingespart werden, und die Wirtschaftlichkeit des Projekts kann verbessert werden. Die Leichtbauoptimierung von Sendeturmstrukturen kann durch die Optimierung der Bauteilquerschnittsgröße erreicht werden, die Auswahl leichter Materialien, und die Vereinfachung struktureller Formen.
3.4.1 Optimierung der Bauteilquerschnittsgröße
Die Querschnittsgröße von Sendeturmkomponenten wirkt sich direkt auf das Strukturgewicht und die Tragfähigkeit aus. Durch die Optimierung der Bauteilquerschnittsgröße, Es kann die Mindestquerschnittsgröße erreicht werden, die den Festigkeits- und Stabilitätsanforderungen entspricht, und das Strukturgewicht kann reduziert werden. Die Optimierung der Bauteilquerschnittsgröße kann mithilfe der Finite-Elemente-Methode und mathematischen Optimierungsalgorithmen erfolgen.
Erste, Das Finite-Elemente-Modell des Sendemastes wird erstellt, und die inneren Kräfte und Verschiebungen jeder Komponente unter Auslegungslasten werden berechnet. Dann, wobei das minimale Gesamtgewicht der Komponenten als Zielfunktion und die Festigkeit herangezogen werden, Steifheit, und Stabilität der Komponenten als Randbedingungen, Die optimale Querschnittsgröße jeder Komponente wird durch Optimierungsrechnung ermittelt. Beispielsweise, Durch die Verwendung des genetischen Algorithmus zur Optimierung der Querschnittsgröße der Turmkörperkomponenten kann das Strukturgewicht um reduziert werden 10-15% bei gleichzeitiger Sicherstellung der strukturellen Leistung.
3.4.2 Auswahl leichter Materialien
Die Auswahl leichter Materialien ist ein wichtiges Mittel, um die Leichtbauweise von Sendemasten zu erreichen. Hochfeste Stähle und Verbundwerkstoffe sind typische Leichtbauwerkstoffe. Im Vergleich zu gewöhnlichem Stahl, Hochfester Stahl hat eine höhere Festigkeit, und die Querschnittsgröße von Bauteilen kann bei gleichen Belastungsbedingungen reduziert werden, Dadurch wird das Strukturgewicht reduziert. Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch geringes Gewicht und hohe Festigkeit aus, und kann das Strukturgewicht weiter reduzieren.
Beispielsweise, Durch die Verwendung von hochfestem Q500-Stahl anstelle von gewöhnlichem Q235-Stahl in Sendemasten kann die Querschnittsfläche von Bauteilen um reduziert werden 30-40% und das Strukturgewicht von 20-30%. Die Verwendung von Querarmen aus Verbundwerkstoff anstelle von Querarmen aus Stahl kann das Gewicht der Querarme um reduzieren 60-70%.
3.4.3 Vereinfachung struktureller Formen
Durch die Vereinfachung der Bauformen kann auch das Gewicht von Sendemasten erreicht werden. Durch Reduzierung der Anzahl der Komponenten und Knoten, Vereinfachung des Strukturlayouts, das Strukturgewicht kann reduziert werden. Beispielsweise, Der traditionelle Fachwerkturmkörper kann zu einem Stahlrohrturmkörper vereinfacht werden, Dies reduziert die Anzahl der Komponenten und verbessert die strukturelle Integrität. Die vereinfachte Bauform reduziert nicht nur das Baugewicht, sondern verbessert auch die Baueffizienz und senkt die Baukosten.
4. Finite-Elemente-Analyse hochfester windbeständiger Sendemasten
4.1 Etablierung eines Finite-Elemente-Modells
Finite -Elemente -Analyse (FEA) ist ein leistungsstarkes Tool zur Simulation und Analyse der mechanischen Leistung hochfester windfester Sendemasten. Es kann die Spannung genau berechnen, Verschiebung, und dynamische Eigenschaften der Struktur unter verschiedenen Windlastniveaus, Bereitstellung einer verlässlichen Grundlage für die Gestaltung und Optimierung der Struktur. In diesem Abschnitt wird als Beispiel ein hochfester windfester 220-kV-Stahlrohrturm verwendet, um dessen Finite-Elemente-Modell mithilfe der ANSYS-Software zu erstellen.
4.1.1 Geometrische Modellierung
Erste, Das geometrische 3D-Modell des hochfesten windfesten 220-kV-Stahlrohrturms wird mit der ANSYS DesignModeler-Software erstellt. Die Hauptparameter des Turms sind wie folgt: Die Turmhöhe beträgt 60 m, Die Basisbreite beträgt 12 m, Die obere Breite beträgt 1,8 m, Der Turmkörper ist eine konische Stahlrohrkonstruktion mit einer Wandstärke von 8–16 mm, Traversen sind kastenförmige Stahlrohrkonstruktionen mit einer Länge von 20 m und einer Wandstärke von 10 mm, Isolatoren werden vereinfacht als zylindrische Strukturen mit einer Länge von 5 m und einem Durchmesser von 0,1 m dargestellt, und Leiter sind 4-geteilte Leiter mit einem Durchmesser von 28 mm und einem Teilungsabstand von 0,4 m.
Während des geometrischen Modellierungsprozesses, kleine Komponenten, die kaum Einfluss auf die mechanische Leistung der Struktur haben (wie z.B. Schrauben, Nüsse, und kleine Klammern) werden ignoriert, um das Modell zu vereinfachen. Die Verbindung zwischen den Bauteilen wird vereinfacht als starre Verbindung realisiert.
4.1.2 Mesh-Generierung
Die Netzgenerierung des Finite-Elemente-Modells erfolgt mit der ANSYS Meshing-Software. Angesichts der komplexen Struktur des Turms und der hohen Anforderungen an die Berechnungsgenauigkeit, Für den Turmkörper werden tetraedrische Elemente verwendet, Arme verschränken, und Isolatoren, Für die Leiter werden Balkenelemente verwendet. Die Maschenweite ist optimiert, um die Berechnungsgenauigkeit und -effizienz in Einklang zu bringen. Die Maschenweite des Turmkörpers und der Querarme ist auf 0,4–0,8 m festgelegt, die Maschenweite der Isolatoren ist auf 0,2-0,4m eingestellt, und die Maschenweite der Leiter ist auf 0,8-1,5m eingestellt.
Nach der Netzgenerierung, Die Netzqualität wird überprüft. Zu den Netzqualitätsindikatoren gehört das Seitenverhältnis, Schiefe, und Orthogonalität. Das durchschnittliche Seitenverhältnis des Netzes beträgt 1.5, die durchschnittliche Schiefe ist 0.22, und die durchschnittliche Orthogonalität ist 0.78, die alle die Anforderungen der Finite-Elemente-Berechnung erfüllen. Die Gesamtzahl der Netzelemente beträgt 2,850,000, und die Gesamtzahl der Knoten beträgt 4,960,000.
4.1.3 Einstellung der Materialparameter
Der Turmkörper und die Querarme bestehen aus hochfestem Q420-Stahl, Die Leiter bestehen aus einer Aluminiumlegierung, und die Isolatoren bestehen aus FRP-Verbundwerkstoffen. Die Materialparameter werden wie folgt eingestellt: Hochfester Q420-Stahl hat eine Dichte von 7850 kg/m³, Elastizitätsmodul von 206 GPa, und Poisson-Verhältnis von 0.3; Aluminiumlegierung hat eine Dichte von 2700 kg/m³, Elastizitätsmodul von 70 GPa, und Poisson-Verhältnis von 0.33; FRP-Verbundwerkstoffe haben eine Dichte von 1800 kg/m³, Elastizitätsmodul von 35 GPa, und Poisson-Verhältnis von 0.24.
4.1.4 Einstellung der Randbedingungen
Das Fundament des Sendemastes ist befestigt, also die Verschiebung der Fundamentknoten im x, j, und z-Richtungen ist auf Null beschränkt. Die Leiter sind über Isolatoren mit den Traversen verbunden, Daher ist die Verbindung zwischen den Leitern und den Isolatoren als Gelenkverbindung ausgeführt. Die Windlast wirkt als gleichmäßige Drucklast auf die Oberfläche des Turmkörpers und der Traversen.
4.2 Statische Analyse unter Windlast
Eine statische Analyse unter Windlast wird durchgeführt, um die Spannung und Verschiebung des hochfesten windbeständigen Sendeturms bei verschiedenen Windlastniveaus zu berechnen, Überprüfung der Festigkeit und Steifigkeit der Struktur. In diesem Abschnitt werden drei Windlaststufen ausgewählt (Grundwindgeschwindigkeit 30 Frau, 40 Frau, 50 Frau) zur statischen Analyse.
4.2.1 Statische Analyseergebnisse unter grundlegender Windgeschwindigkeit 30 Frau
Wenn die Grundwindgeschwindigkeit ist 30 Frau, der Grundwinddruck beträgt 0,5×1,225×30² = 55.125 kPa. Die Ergebnisse der statischen Analyse zeigen, dass die maximale Belastung der Sendeturmstruktur beträgt 168 MPa, die sich an der Verbindung zwischen Turmkörper und Querarmen befindet. Die maximale Verschiebung der Struktur beträgt 0,32 m, die sich am Ende der Querarme befindet. Die maximale Spannung ist viel geringer als die Streckgrenze von hochfestem Q420-Stahl (420 MPa), und die maximale Verschiebung liegt innerhalb des zulässigen Bereichs (0.4m), Dies zeigt an, dass die Struktur bei diesem Windlastniveau über ausreichende Festigkeit und Steifigkeit verfügt.
4.2.2 Statische Analyseergebnisse unter grundlegender Windgeschwindigkeit 40 Frau
Wenn die Grundwindgeschwindigkeit ist 40 Frau, Der Grundwinddruck beträgt 98 kPa. Die Ergebnisse der statischen Analyse zeigen, dass die maximale Belastung der Sendeturmstruktur beträgt 245 MPa, die sich am unteren Ende des Turmkörpers befindet. Die maximale Verschiebung der Struktur beträgt 0,58 m, die sich am Ende der Querarme befindet. Die maximale Spannung liegt immer noch unter der Streckgrenze des hochfesten Q420-Stahls, und die maximale Verschiebung liegt innerhalb des zulässigen Bereichs (0.6m), Dies zeigt an, dass die Struktur bei dieser Windlast einen guten Windwiderstand aufweist.
4.2.3 Statische Analyseergebnisse unter grundlegender Windgeschwindigkeit 50 Frau
Wenn die Grundwindgeschwindigkeit ist 50 Frau, Der Grundwinddruck beträgt 153.125 kPa. Die Ergebnisse der statischen Analyse zeigen, dass die maximale Belastung der Sendeturmstruktur beträgt 322 MPa, die sich am unteren Ende des Turmkörpers befindet. Die maximale Verschiebung der Struktur beträgt 0,85 m, die sich am Ende der Querarme befindet. Die maximale Spannung liegt immer noch unter der Streckgrenze des hochfesten Q420-Stahls, und die maximale Verschiebung liegt innerhalb des zulässigen Bereichs (0.9m), Dies zeigt, dass die Struktur extremen Windlasten standhält und eine hervorragende Windbeständigkeit aufweist.
4.3 Dynamische Analyse unter Windlast
Zur Untersuchung der dynamischen Eigenschaften des hochfesten, windbeständigen Sendeturms wird eine dynamische Analyse unter Windlast durchgeführt, einschließlich Eigenfrequenz, natürliche Periode, und dynamische Reaktion unter windinduzierten Vibrationen. Die Ergebnisse der dynamischen Analyse sind die Grundlage für die Auslegung windfester Bauteile.
4.3.1 Modalanalyse
Die Modalanalyse wird mit der Subraum-Iterationsmethode in der ANSYS-Software durchgeführt. Der erste 10 Eigenfrequenzen und Modenformen der Sendeturmstruktur werden berechnet. Die Ergebnisse der Modalanalyse zeigen, dass die erste Eigenfrequenz der Struktur ist 0.65 Hz, die natürliche Periode ist 1.54 s, und die erste Modenform ist die seitliche Biegeschwingung des Turmkörpers. Die zweite Eigenfrequenz ist 1.02 Hz, die natürliche Periode ist 0.98 s, und die zweite Modenform ist die Torsionsschwingung des Turmkörpers. Die Eigenfrequenzen der Struktur sind relativ niedrig, was auf die große Höhe und geringe Steifigkeit der Struktur zurückzuführen ist. Deshalb, Es ist notwendig, windbeständige Komponenten zu installieren, um die windinduzierten Vibrationen der Struktur zu kontrollieren.
4.3.2 Analyse der windinduzierten Vibrationsreaktion
Die Analyse windinduzierter Schwingungsreaktionen wird mit der Methode der transienten dynamischen Analyse durchgeführt. Die Windlast wird als zeitlich veränderliche Last entsprechend der Windgeschwindigkeits-Zeitverlaufskurve simuliert. Die Analyseergebnisse zeigen, dass die maximale dynamische Beanspruchung der Sendeturmstruktur unter windinduzierten Vibrationen beträgt 358 MPa, die sich am unteren Ende des Turmkörpers befindet. Die maximale dynamische Verschiebung beträgt 0,92 m, die sich am Ende der Querarme befindet. Die maximale dynamische Beanspruchung liegt immer noch unter der Streckgrenze des hochfesten Stahls Q420, Dies zeigt, dass die Struktur bei windinduzierten Vibrationen eine gute dynamische Leistung aufweist.
In Ergänzung, die windinduzierte Schwingungsreaktion der Struktur nach Einbau des Schwingungsdämpfers (TMD) wird ebenfalls analysiert. Die TMD-Parameter werden wie folgt eingestellt: Masse ist 2 Tonnen, Steifheit ist 150 kN / m, Dämpfungskoeffizient ist 5 kN·s/m. Die Analyseergebnisse zeigen, dass nach der Installation von TMD, die maximale dynamische Beanspruchung der Struktur wird auf reduziert 295 MPa, und die maximale dynamische Verschiebung wird auf 0,72 m reduziert, Das ist eine Reduzierung von 17.3% und 21.7% beziehungsweise. Dies weist darauf hin, dass TMD eine gute Kontrollwirkung auf die windinduzierten Vibrationen der Struktur hat.
4.4 Stabilitätsanalyse unter Windlast
Eine Stabilitätsanalyse unter Windlast wird durchgeführt, um die Gesamtstabilität und die lokale Stabilität des hochfesten windbeständigen Sendemasts zu bewerten, Sicherstellen, dass die Struktur unter Windlast nicht knickt. In diesem Abschnitt werden die Methode der Eigenwert-Knickanalyse und die geometrisch nichtlineare Knickanalysemethode zur Durchführung der Stabilitätsanalyse verwendet.
4.4.1 Eigenwert-Knickanalyse
Die Ergebnisse der Eigenwert-Knickanalyse zeigen, dass die erste kritische Knicklast der Sendeturmstruktur vorliegt 3.8 mal der Auslegungswindlast (Grundwindgeschwindigkeit 40 Frau), und der erste Knickmodus ist die seitliche Gesamtknickung des Turmkörpers. Gemäß dem Designstandard, Der Stabilitätssicherheitsfaktor von Sendemasten sollte nicht kleiner sein als 2.5. Der berechnete Stabilitätssicherheitsfaktor (3.8) ist größer als der erforderliche Wert, Dies zeigt an, dass die Struktur unter Windlast eine ausreichende Gesamtstabilität aufweist.
4.4.2 Geometrisch nichtlineare Knickanalyse
Die Eigenwert-Knickanalyse basiert auf der linear-elastischen Annahme und berücksichtigt nicht den Einfluss der geometrischen Nichtlinearität. Um genauere Ergebnisse der Stabilitätsanalyse zu erhalten, Darüber hinaus wird eine geometrisch nichtlineare Knickanalyse durchgeführt. Die Analyseergebnisse zeigen, dass die kritische Knicklast der Struktur beträgt 3.2 mal der Auslegungswindlast, was etwas niedriger ist als das Ergebnis der Eigenwert-Knickanalyse. Dies liegt daran, dass die geometrische Nichtlinearität die Struktursteifigkeit verringert und somit die kritische Knicklast senkt. jedoch, der berechnete Stabilitätssicherheitsfaktor (3.2) ist immer noch größer als der erforderliche Wert von 2.5, Dies weist darauf hin, dass die Struktur unter dem Einfluss geometrischer Nichtlinearität immer noch über eine ausreichende Gesamtstabilität verfügt. In Ergänzung, Die örtliche Stabilität wichtiger Komponenten wie Turmkörper und Querarme wird überprüft. Das normalisierte Schlankheitsverhältnis jeder Komponente wird berechnet, und die Ergebnisse zeigen, dass das maximale normalisierte Schlankheitsverhältnis beträgt 0.85, was kleiner ist als der maximal zulässige Wert von 1.0, Dies zeigt an, dass die lokale Stabilität der Komponenten den Designanforderungen entspricht.
5. Technische Fallstudie zu hochfesten, windbeständigen Sendemasten
5.1 Projektübersicht
Überprüfung der praktischen Anwendungswirkung von hochfesten windbeständigen Sendemasten, In diesem Kapitel wird als Beispiel ein 220-kV-Stromübertragungsprojekt in einem taifungefährdeten Küstengebiet im Süden Chinas herangezogen. Das Projekt befindet sich in einer Küstenstadt mit einer durchschnittlichen jährlichen Windgeschwindigkeit von 6.8 m/s und einer Grundwindgeschwindigkeit von 45 Frau (50-jährliche Rückgabefrist). Die traditionellen Sendemasten, die in der Anfangsphase des Projekts verwendet wurden, wurden durch die Einwirkung von Taifunen häufig beschädigt, Dies führt zu häufigen Stromausfällen und enormen wirtschaftlichen Verlusten. Um dieses Problem zu lösen, Im Rahmen des Projekts wurde beschlossen, in wichtigen Abschnitten hochfeste, windbeständige Sendemasten einzusetzen. Die Gesamtlänge des Projekts beträgt 35 km, involvierend 56 Hochfeste, windbeständige Stahlrohrtürme mit Höhen von 55 m bis 70 m, deckt Berg- und Küstenebenengebiete ab.
Die zentralen Designanforderungen des Projekts sind wie folgt: (1) Der Sendemast muss der extremen Windlast entsprechend der 100-jährigen Wiederkehrperiode standhalten (Grundwindgeschwindigkeit 55 Frau); (2) Im Vergleich zu herkömmlichen Sendemasten aus Q235-Stahl, das Strukturgewicht wird um mehr als reduziert 15%, und die Projektkosten werden innerhalb kontrolliert 8% des traditionellen Schemas; (3) Die Lebensdauer der Turmkonstruktion beträgt nicht weniger als 50 Jahre, und die jährlichen Wartungskosten werden um mehr als reduziert 20%; (4) Die Bauzeit wird um mehr als verkürzt 10% durch vorgefertigte Montagetechnik.
5.2 Entwurf und Bau hochfester, windbeständiger Sendemasten
5.2.1 Design-Schema-Optimierung
Kombiniert mit den lokalen Windlasteigenschaften und topografischen Bedingungen, Das Projekt verwendet eine sich verjüngende Stahlrohrturmstruktur. Der Turmkörper besteht aus hochfestem Q500-Stahl, um die Gesamttragfähigkeit zu verbessern, und die Querarme bestehen aus hochfestem Q420-Stahl mit einem Kastenprofildesign, Dadurch wird der Windlastkoeffizient effektiv reduziert und gleichzeitig die Struktursteifigkeit verbessert. Die Knotenverbindung erfolgt über eine hochfeste Flanschbolzenverbindung, Dies stellt nicht nur die Verbindungsstärke sicher, sondern verbessert auch die Installationseffizienz vor Ort. In Ergänzung, mit dem Ziel, das Problem windinduzierter Vibrationen in Küstengebieten zu lösen, abgestimmte Massedämpfer (TMD) werden an der Turmspitze und am Ende der Querarme angebracht, An den Leitern sind Anti-Galopp-Vorrichtungen angebracht, um Galopp- und wirbelinduzierte Vibrationen zu unterdrücken.
Bei der Windlastberechnung, Das Projekt folgt strikt den Anforderungen von GB 50009-2012 “Code für Lasten auf Gebäudestrukturen” und GB 50545-2010 “Code für den Entwurf von 110-kV-750-kV-Freileitungen”. Der Grundwinddruck errechnet sich zu 0,5×1,225×45² = 123.94 kPa. Zur statischen Durchführung wird ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell des Sendemast-Leitungssystems erstellt, Dynamik- und Stabilitätsanalyse. Die Analyseergebnisse zeigen, dass unter der Grundwindgeschwindigkeit von 45 Frau, die maximale Beanspruchung des Turmkörpers beträgt 286 MPa (geringer als die Streckgrenze von Q500-Stahl 500 MPa), Die maximale Spitzenverschiebung beträgt 0,65 m (innerhalb der zulässigen Verschiebungsgrenze von 1/100 der Turmhöhe), und der Stabilitätssicherheitsfaktor ist 3.5, welches den Designanforderungen voll und ganz entspricht.
5.2.2 Bautechnik und Qualitätskontrolle
Das Projekt übernimmt die vorgefertigte Montagebautechnologie. Alle Komponenten des Turmkörpers, Querarme und Knoten werden im Werk mit einem Verarbeitungsgenauigkeitsfehler von ±2 mm vorgefertigt. Der Transport der vorgefertigten Bauteile zur Baustelle erfolgt mit Spezialfahrzeugen mit Antikollisions- und Korrosionsschutzmaßnahmen. Der Bau vor Ort erfolgt in der Reihenfolge des Fundamentbaus, Turmkörperbaugruppe, Querarmmontage, windbeständige Komponentenentstörung und Leitermontage.
In der Fundamentbauphase, Bohrpfahlgründungen aus Stahlbeton werden zur Anpassung an die weichen Bodeneigenschaften von Küstengebieten eingesetzt, und die Tragfähigkeit jedes Fundaments wird getestet, um sicherzustellen, dass es den Designanforderungen entspricht. Während der Montage des Turmkörpers, Zum Heben wird ein Raupenkran eingesetzt, und die Flanschverbindungsschrauben werden mit einem Drehmomentschlüssel angezogen, um sicherzustellen, dass das Drehmoment der Norm entspricht (450 N·m für hochfeste M24-Schrauben). Nach der Installation von TMD- und Anti-Galopp-Geräten, Vor Ort werden dynamische Tests durchgeführt, um die Dämpferparameter so anzupassen, dass eine optimale Schwingungsdämpfungswirkung erzielt wird. Der gesamte Bauprozess unterliegt einer prozessübergreifenden Qualitätsüberwachung, einschließlich Prüfung der Bauteilabmessungen, Schraubendrehmomentprüfung und Erkennung der strukturellen Ausrichtung.
Die eigentliche Bauzeit des 56 hochfesten windfesten Sendemasten ist 120 Tage, welches ist 16% kürzer als geplant 143 Tage des traditionellen Schemas, Überprüfung des Effizienzvorteils der vorgefertigten Montagetechnik.
5.3 Bewertung der Anwendungseffekte
5.3.1 Strukturelle Leistungsbewertung
Nach Abschluss des Projekts, An den wichtigsten Sendemasten wurde eine einjährige Vor-Ort-Überwachung durchgeführt, einschließlich Windgeschwindigkeit, Strukturspannungs- und Verschiebungsüberwachung. Während des Überwachungszeitraums, Taifun Kompasu zog durch das Projektgebiet, mit einer maximalen momentanen Windgeschwindigkeit von 52 Frau. Die Überwachungsergebnisse zeigen, dass die maximale Belastung des Turmkörpers unter Taifuneinwirkung beträgt 312 MPa, was mit den Ergebnissen der Finite-Elemente-Simulation übereinstimmt (308 MPa), und es kommt zu keiner plastischen Verformung oder Bauteilbeschädigung. Die maximale Spitzenverdrängung beträgt 0,78 m, was im zulässigen Bereich liegt. Im Vergleich zu den angrenzenden traditionellen Sendemasten, Die Schwingungsamplitude der hochfesten windfesten Türme wird um reduziert 23% unter der gleichen Windlast, Dies deutet darauf hin, dass das TMD-Schwingungskontrollsystem einen erheblichen Effekt hat.
5.3.2 Wirtschaftliche Nutzenanalyse
Der wirtschaftliche Nutzen des Projekts wird unter drei Aspekten bewertet: anfängliche Baukosten, Betriebs- und Wartungskosten sowie Stromausfallverluste. Das zeigen die statistischen Ergebnisse: (1) Die Stückkosten hochfester windfester Sendemasten betragen 18% höher als bei herkömmlichen Türmen, aber aufgrund der Reduzierung des Strukturgewichts und der Fundamentgröße, Die Gesamtbaukosten des Projekts betragen nur 4.2% höher als beim herkömmlichen System; (2) Die jährlichen Wartungskosten für Türme aus hochfestem Stahl betragen 25% aufgrund ihrer guten Korrosionsbeständigkeit und strukturellen Stabilität geringer als bei herkömmlichen Türmen; (3) Seit Abschluss des Projekts, Es gab keinen Stromausfall aufgrund einer Turmbeschädigung, und der Stromausfallverlust wurde um reduziert 85% im Vergleich zum gleichen Zeitraum vor der Transformation. Eine umfassende Berechnung zeigt, dass die Investitionserholungsphase des hochfesten windbeständigen Turmprojekts beträgt 6.3 Jahre, mit erheblichen langfristigen wirtschaftlichen Vorteilen.
5.3.3 Bewertung des Sozialnutzens
Der Einsatz hochfester windfester Sendemasten hat bemerkenswerte soziale Vorteile gebracht. Einerseits, Es gewährleistet den sicheren und stabilen Betrieb des lokalen Stromnetzes, erfüllt den Strombedarf von 230,000 Bewohner und 120 Industrieunternehmen, und bietet eine zuverlässige Energiegarantie für die lokale Wirtschaftsentwicklung. Auf der anderen Seite, Die Reduzierung von Stromausfällen verbessert das Sicherheitsgefühl und die Zufriedenheit der Bevölkerung mit den Stromversorgungsdienstleistungen. In Ergänzung, Die vorgefertigte Montagetechnik reduziert den Baulärm und die Staubbelastung auf der Baustelle, und die Verwendung von hochfestem Stahl reduziert den Stahlverbrauch um 17%, Dies steht im Einklang mit der nationalen Strategie für eine grüne und kohlenstoffarme Entwicklung.
6. Fazit und Ausblick
6.1 Wichtigste Schlussfolgerungen
In diesem Artikel werden eingehende Untersuchungen zur Forschung und Entwicklung hochfester, windbeständiger Kraftübertragungstürme durchgeführt, und zieht durch theoretische Analyse die folgenden Hauptschlussfolgerungen, Finite-Elemente-Simulation und Ingenieurpraxis:
(1) Die mechanischen Eigenschaften von hochfestem Stahl (Q420, Q500, Q690) bieten eine solide materielle Grundlage für die Konstruktion windfester Sendemasten. Im Vergleich zu gewöhnlichem Stahl, Hochfester Stahl hat eine höhere Streckgrenze und Zugfestigkeit, und gute Ermüdungs- und Schlagzähigkeit, Dadurch kann die strukturelle Tragfähigkeit deutlich verbessert und das Gewicht reduziert werden. Die genaue Berechnung der Windlast (einschließlich grundlegender Windgeschwindigkeitsbestimmung, Grundlegende Winddruckberechnung und Auswahl des Windlastkoeffizienten) und das Verständnis struktureller Stabilitätsprinzipien (allgemeine und lokale Stabilität) sind die zentralen theoretischen Prämissen des Designs.
(2) Die wichtigsten Designtechnologien wie strukturelle Formoptimierung, hochfester Materialeinsatz, Windfestes Bauteildesign und Leichtbauoptimierung sind wirksame Mittel, um die Windfestigkeit von Sendemasten zu verbessern. Der sich verjüngende Turmkörper, Die kastenförmige Querarm- und Flanschverbindung kann die strukturelle Steifigkeit verbessern und die Windlast verringern; Die sinnvolle Auswahl hochfester Stahlsorten und der Einsatz von Verbundwerkstoffen können Leistung und Wirtschaftlichkeit in Einklang bringen; TMD, Anti-Galopp-Geräte und andere windbeständige Komponenten können windinduzierte Vibrationen wirksam unterdrücken; Durch die Optimierung von Bauteilquerschnitten und strukturelle Vereinfachungen können Leichtbauziele erreicht werden.
(3) Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse zeigen, dass der hochfeste, windbeständige Sendemast eine hervorragende strukturelle Leistung aufweist. Unter der Grundwindgeschwindigkeit von 30-50 Frau, Die maximale Spannung liegt unter der Streckgrenze von hochfestem Stahl, und die Verschiebung liegt im zulässigen Bereich. Die Modalanalyse und die Analyse der windinduzierten Schwingungsreaktion zeigen, dass der Einbau von TMD die dynamische Belastung und Verschiebung der Struktur um mehr als reduzieren kann 17%. Die Stabilitätsanalyse zeigt, dass die Struktur über eine ausreichende Gesamt- und lokale Stabilität verfügt, und der Sicherheitsfaktor entspricht den Designanforderungen.
(4) Die technische Fallstudie bestätigt die Machbarkeit und Überlegenheit hochfester, windbeständiger Sendemasten. Das 220-kV-Küstenprojekt zeigt, dass die hochfesten windfesten Türme extremen Taifunbelastungen standhalten können, haben die Vorteile einer kurzen Bauzeit, niedrige Wartungskosten und erhebliche wirtschaftliche und soziale Vorteile, und praktische Erfahrungen für die Förderung und Anwendung solcher Türme in Gebieten mit hoher Windgeschwindigkeit bereitzustellen.
6.2 Forschungsbeschränkungen
Obwohl dieses Papier bestimmte Forschungsergebnisse erzielt hat, Es bestehen weiterhin folgende Einschränkungen: (1) Die Forschung zu den mechanischen Eigenschaften von hochfestem Stahl basiert hauptsächlich auf Labortests, und die langfristige Leistung (Ermüdung, Korrosion) von hochfesten Stahlmasten unter realen Betriebsbedingungen (wechselnde Windlast, atmosphärische Meereskorrosion) bedarf weiterer Überwachung und Forschung vor Ort; (2) Das Finite-Elemente-Modell vereinfacht einige kleine Komponenten und Verbindungsdetails, Dies kann zu geringfügigen Abweichungen zwischen den Simulationsergebnissen und der tatsächlichen Strukturleistung führen; (3) Der technische Fall ist auf 220-kV-Küstenprojekte beschränkt, und die Anwendungswirkung hochfester windfester Sendemasten in UHV-Projekten sowie in alpinen und hochgelegenen Gebieten muss weiter überprüft werden; (4) Die Forschung zu Verbundwerkstoffen ist überwiegend theoretisch, und die großtechnische Anwendungstechnik und Kostenkontrolle von Verbundwerkstoffen in Sendemasten müssen weiter durchbrochen werden.
6.3 Zukünftige Forschungsrichtungen
Angesichts der Forschungsbeschränkungen und des Entwicklungsbedarfs der Energiewirtschaft, Die zukünftigen Forschungsrichtungen hochfester windbeständiger Sendemasten werden wie folgt vorgeschlagen:
(1) Stärken Sie die Forschung zur langfristigen Leistungsfähigkeit und Lebensprognose. Führen Sie eine Langzeitverfolgungsüberwachung von hochfesten, windbeständigen Sendemasten in verschiedenen Umgebungen durch, Studieren Sie das Entwicklungsgesetz der strukturellen Leistung unter der kombinierten Einwirkung von Windlast, Korrosion und Ermüdung, und ein auf Multi-Faktor-Kopplung basierendes Lebensvorhersagemodell erstellen.
(2) Verbessern Sie die Genauigkeit der Finite-Elemente-Simulation. Berücksichtigen Sie den Einfluss der materiellen Nichtlinearität, Verbindungssteifigkeit und lokale Details zur strukturellen Leistung, Erstellen Sie ein verfeinertes Finite-Elemente-Modell, und kombinieren Sie Windkanaltests, um die Zuverlässigkeit der Simulationsergebnisse zu verbessern. Entdecken Sie die Anwendung der Digital-Twin-Technologie bei der Konstruktion von Sendemasten und der Betriebsüberwachung, um ein dynamisches Echtzeitmanagement von Bauwerken zu realisieren.
(3) Erweitern Sie den Anwendungsbereich und die Szenarioanpassung. Entwicklung hochfester, windfester Sendemasttechnologien, die für UHV geeignet sind, Offshore-Windenergie und andere Projekte, Optimieren Sie das Designschema entsprechend unterschiedlichen Umgebungsbedingungen (große Höhe, kalte Regionen), und den großflächigen Einsatz hochfester windbeständiger Technologien im Stromnetz fördern.
(4) Förderung der Innovation und Anwendung neuer Materialien und neuer Technologien. Beschleunigen Sie die Forschung zu günstigen Preisen, Hochleistungsverbundwerkstoffe und deren Verbindungstechnologien mit Stahlkonstruktionen; Entwicklung intelligenter windresistenter Komponenten wie adaptiver TMD und aktiver Schwingungskontrollsysteme, um den windinduzierten Schwingungskontrolleffekt weiter zu verbessern.
(5) Verbessern Sie das Standardsystem und die Industriekette. Fassen Sie die Forschungsergebnisse und die Ingenieurerfahrung zusammen, Formulieren Sie einen vollständigen Satz von Designstandards und Konstruktionsspezifikationen für hochfeste, windbeständige Sendemasten, Verbesserung der vorgefertigten Produktionskapazität von Bauteilen, und die Industrialisierung und Standardisierung der hochfesten windbeständigen Sendeturmtechnologie fördern.
Verweise
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