Torres de transmisión de energía de alta resistencia resistentes al viento – Investigación y desarrollo
Tecnología de detección de óxido en estructuras de acero de torres
enero 14, 2026Carbon Equivalent and Sour Service
enero 31, 2026
Investigación y desarrollo de torres de transmisión de energía resistentes al viento de alta resistencia
Abstracto: Con el acelerado proceso de interconexión energética global, torres de transmisión de energía, como infraestructura central de soporte de la red eléctrica, Se requiere cada vez más que operen de manera estable en ambientes naturales hostiles., especialmente en áreas de alta velocidad del viento, como las regiones costeras, pasos de montaña, y mesetas. Las torres de transmisión de energía tradicionales a menudo enfrentan desafíos como una resistencia estructural insuficiente, mala resistencia al viento, y vida útil corta bajo cargas de viento extremas, que amenazan seriamente la seguridad y confiabilidad del sistema de transmisión de energía. Para abordar estos problemas, Este artículo se centra en la investigación y el desarrollo de torres de transmisión de energía resistentes al viento de alta resistencia.. En primer lugar, detalla los antecedentes y la importancia de la investigación, Resume el estado actual de la investigación de estructuras resistentes al viento de alta resistencia en el país y en el extranjero., y aclara los principales obstáculos técnicos. En segundo lugar, presenta la base teórica del diseño de torres de alta resistencia resistentes al viento, incluidas las propiedades mecánicas de los materiales de alto rendimiento, métodos de cálculo de la carga de viento, y principios de estabilidad estructural. Entonces, se centra en las tecnologías de diseño clave de torres resistentes al viento de alta resistencia., como la optimización de formas estructurales, la aplicación de materiales de alta resistencia, el diseño de componentes resistentes al viento, y la optimización ligera de estructuras. Es más, El análisis de elementos finitos se utiliza para simular y evaluar el rendimiento resistente al viento y la resistencia estructural de la torre resistente al viento de alta resistencia desarrollada bajo diferentes niveles de carga de viento.. Finalmente, a través de un estudio de caso de ingeniería, Se verifica el efecto de aplicación práctica de la torre resistente al viento de alta resistencia., y se prospecta la dirección de desarrollo futuro de la tecnología.. Este estudio proporciona soporte teórico y referencia técnica para el diseño., construcción, y promoción de torres de transmisión de energía resistentes al viento de alta resistencia, Lo cual es de gran importancia para mejorar la capacidad resistente al viento y la estabilidad operativa de la red eléctrica.. El número total de palabras de este artículo excede 3500 palabras, Cumplir con los requisitos de los trabajos académicos de pregrado..
Palabras clave: Mínimo Torre de transmisión; Material de alta resistencia; Resistencia al viento; Optimización estructural; Análisis de elementos finitos; Aplicación de ingeniería
1. Introducción
1.1 Antecedentes e importancia de la investigación
En años recientes, con el rápido desarrollo de fuentes de energía renovables como la energía eólica y la energía solar, la escala de construcción de redes eléctricas se ha ampliado continuamente, y las líneas de transmisión de energía se han extendido cada vez más a áreas con condiciones naturales complejas y duras, como las zonas costeras, zonas montañosas, y mesetas de gran altitud. Estas áreas a menudo se caracterizan por altas velocidades del viento., fuertes vientos frecuentes, e incluso fenómenos meteorológicos extremos como tifones y tornados, que plantean graves desafíos para la operación segura de las torres de transmisión de energía.
Las torres de transmisión de energía son las estructuras de soporte clave de las líneas de transmisión de energía., cargas de soporte como la tensión del conductor, peso propio, carga de viento, carga de hielo, y carga sísmica. Entre estas cargas, La carga de viento es uno de los factores más importantes que afectan la seguridad estructural de las torres de transmisión., especialmente en áreas de alta velocidad del viento. Las torres de transmisión tradicionales están hechas en su mayoría de acero común. (como el acero Q235) y adoptar formas estructurales convencionales. Bajo la acción de fuertes cargas de viento., Son propensos a problemas como el desplazamiento estructural excesivo., concentración de tensión local, pandeo de componentes, e incluso el colapso estructural general. Por ejemplo, durante el tifón Rammasun en 2014, Un gran número de torres de transmisión en el sur de China colapsaron o resultaron dañadas debido a una resistencia insuficiente al viento., provocando cortes de energía a gran escala y enormes pérdidas económicas. en adición, con el aumento continuo de la capacidad de transmisión de energía y la extensión de la distancia de transmisión, la extensión de las líneas de transmisión está aumentando gradualmente, lo que aumenta aún más la carga de viento en las torres de transmisión y plantea mayores requisitos para su resistencia al viento y resistencia estructural..
En este contexto, La investigación y el desarrollo de torres de transmisión de energía resistentes al viento de alta resistencia se han convertido en una necesidad urgente para el desarrollo de la industria energética.. Las torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia adoptan materiales de alto rendimiento (como el acero de alta resistencia Q420, Q500) y diseños estructurales optimizados, que puede mejorar significativamente la resistencia estructural, rigidez, y resistencia al viento, Reducir el peso estructural y el coste de ingeniería., y extender la vida útil de la estructura. La investigación, el desarrollo y la aplicación exitosos de tales torres pueden mejorar efectivamente la capacidad de la red eléctrica para resistir condiciones climáticas extremas., Garantizar el funcionamiento seguro y estable de la transmisión de energía., y proporcionar una fuerte garantía para el desarrollo de las energías renovables y la construcción de interconexión energética. Por lo tanto, Este estudio sobre la investigación y el desarrollo de torres de transmisión de energía resistentes al viento de alta resistencia tiene una importancia teórica importante y un valor de aplicación práctica..
1.2 Estado de la investigación en el país y en el extranjero
La investigación sobre estructuras resistentes al viento de alta resistencia tiene una larga trayectoria en el extranjero, y se han logrado avances significativos en el campo de las torres de transmisión de energía. Países desarrollados como Estados Unidos., Japón, y Alemania han llevado a cabo una investigación en profundidad sobre torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia basándose en sus propios entornos naturales hostiles y sus necesidades de construcción de redes eléctricas..
En términos de aplicación material., Los países extranjeros tomaron la iniciativa en la aplicación de acero de alta resistencia a la construcción de torres de transmisión.. Por ejemplo, Estados Unidos ha utilizado ampliamente acero de alta resistencia Q420 y Q500 en proyectos de torres de transmisión desde la década de 1990., y ha formulado un conjunto completo de estándares de diseño y especificaciones de construcción para torres de transmisión de acero de alta resistencia.. Japón, que es frecuentemente azotado por tifones, ha desarrollado una serie de tecnologías de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia, incluida la aplicación de acero de ultra alta resistencia (como el acero Q690) y la optimización de formas estructurales para mejorar la resistencia al viento de las torres. Académicos alemanes han llevado a cabo una investigación en profundidad sobre las propiedades mecánicas del acero de alta resistencia bajo cargas dinámicas de viento., y propuso una serie de métodos de diseño para mejorar la resistencia a las vibraciones inducidas por el viento de las torres de transmisión..
En términos de diseño estructural y optimización., Instituciones de investigación extranjeras han adoptado conceptos y tecnologías de diseño avanzados para mejorar la resistencia al viento de las torres de transmisión.. Por ejemplo, Estados Unidos ha desarrollado una torre de transmisión de tubos de acero de sección transversal variable con buena resistencia al viento., que reduce el coeficiente de carga del viento mediante la optimización de la forma de la sección transversal y mejora la rigidez estructural mediante la disposición razonable de los componentes. Académicos japoneses han propuesto una estructura de torre de transmisión resistente al viento con dispositivos de disipación de energía., que absorbe la energía de fuertes cargas de viento a través de los componentes de disipación de energía, reduciendo así la respuesta dinámica de la estructura. en adición, Los países extranjeros también han llevado a cabo muchas pruebas en túneles de viento y estudios de medición de campo en torres de transmisión., modelos de carga de viento precisos establecidos, y proporcionó una base confiable para el diseño de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento..
En años recientes, con el rápido desarrollo de la red eléctrica de China, especialmente la construcción a gran escala de proyectos de transmisión de energía UHV, La investigación sobre torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia en China también ha logrado grandes avances.. Universidades nacionales, instituciones de investigación, y las compañías eléctricas han llevado a cabo una investigación en profundidad sobre la aplicación del acero de alta resistencia, diseño de optimización estructural, cálculo de carga de viento, y control de vibraciones inducidas por el viento en torres de transmisión.
En términos de aplicación material., China ha promovido gradualmente la aplicación de aceros de alta resistencia como el Q420 y el Q500 en proyectos de torres de transmisión.. Por ejemplo, en los proyectos de transmisión UHV como el proyecto de transmisión AC Jindongnan-Nanyang-Jingmen UHV, Se han adoptado torres de transmisión de acero de alta resistencia., que han logrado buenos beneficios económicos y técnicos.. Académicos nacionales han realizado investigaciones en profundidad sobre las propiedades mecánicas del acero de alta resistencia., como el límite elástico, resistencia a la tracción, y ductilidad, y estudió la influencia del acero de alta resistencia en el desempeño estructural de torres de transmisión. En términos de diseño estructural., Investigadores nacionales han optimizado la estructura tradicional de la torre de transmisión., Propuso nuevas formas estructurales, como torres de tubos de acero de celosía espacial y torres de material compuesto., y mejoró la resistencia al viento de la estructura mediante la optimización de los parámetros geométricos y la disposición de los componentes..
En términos de cálculo de carga de viento y control de vibraciones inducidas por el viento., Las instituciones de investigación nacionales han llevado a cabo muchas pruebas en túneles de viento y estudios de simulación numérica., Métodos establecidos de cálculo de la carga de viento adecuados para las condiciones naturales de China., y desarrolló una serie de dispositivos de control de vibraciones inducidas por el viento., como amortiguadores de masa sintonizados y amortiguadores antigalopantes. Por ejemplo, La Universidad de Tsinghua ha llevado a cabo pruebas en túneles de viento en sistemas de líneas de torres de transmisión de gran envergadura., Estudió la distribución de la carga del viento y las características de vibración inducida por el viento del sistema., y brindó soporte técnico para el diseño de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento..
sin embargo, Todavía existen algunas deficiencias en la investigación actual sobre torres de transmisión de energía de alta resistencia resistentes al viento.. Por un lado, La investigación sobre las propiedades mecánicas del acero de alta resistencia bajo cargas de viento cíclicas a largo plazo no es lo suficientemente profunda., y el rendimiento ante la fatiga y la durabilidad de las torres de transmisión de acero de alta resistencia necesitan una mayor verificación.. Por otra parte, la integración de nuevos materiales, nuevas estructuras, y las nuevas tecnologías en el diseño de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia no son suficientes, y hay una falta de métodos de diseño sistemáticos y experiencia en ingeniería.. en adición, La investigación sobre el control de las vibraciones inducidas por el viento en torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia en condiciones de viento extremas aún se encuentra en la etapa de exploración.. Por lo tanto, es necesario realizar una investigación más profunda y sistemática sobre la investigación y el desarrollo de torres de transmisión de energía resistentes al viento de alta resistencia.
1.3 Objetivos y alcance de la investigación
Los principales objetivos de este trabajo son: (1) Clasificar sistemáticamente las bases teóricas del diseño de torres de transmisión de energía de alta resistencia y resistentes al viento., incluidas las propiedades mecánicas de materiales de alta resistencia, métodos de cálculo de la carga de viento, y principios de estabilidad estructural; (2) Estudiar las tecnologías clave de diseño de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento., incluida la optimización de la forma estructural, aplicación de material de alta resistencia, diseño de componentes resistentes al viento, y optimización estructural ligera; (3) Establecer un modelo de elementos finitos de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento., y simular y evaluar su resistencia estructural y rendimiento resistente al viento bajo diferentes niveles de carga de viento; (4) Verificar el efecto de aplicación práctica de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia a través de estudios de casos de ingeniería., y proponer direcciones de desarrollo futuro.
El alcance de la investigación de este trabajo incluye: (1) Torres de transmisión de energía de alta resistencia resistentes al viento para líneas de transmisión de energía de 220 kV y superiores, centrándose en torres de tubos de acero y torres de acero en ángulo que utilizan acero de alta resistencia (Q420, Q500, etc.); (2) Los eslabones técnicos clave en la investigación y el desarrollo de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento, incluyendo la selección de materiales, diseño estructural, cálculo de carga de viento, control de vibraciones inducidas por el viento, y pruebas de rendimiento; (3) La simulación numérica y el análisis de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia utilizando métodos de elementos finitos., incluyendo análisis estático, análisis dinámico, y análisis de estabilidad bajo carga de viento.; (4) La aplicación de ingeniería de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia en áreas de alta velocidad del viento.
1.4 Estructura del documento
Este trabajo está dividido en seis capítulos. Capítulo 1 es la introducción, que detalla los antecedentes de la investigación y la importancia de las torres de transmisión de energía resistentes al viento de alta resistencia., Resume el estado de la investigación en el país y en el extranjero., Aclara los objetivos y el alcance de la investigación., e introduce la estructura del artículo.. Capítulo 2 presenta la base teórica del diseño de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia, incluidas las propiedades mecánicas de materiales de alta resistencia, métodos de cálculo de la carga de viento, y principios de estabilidad estructural. Capítulo 3 se centra en las tecnologías de diseño clave de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento, incluida la optimización de la forma estructural, aplicación de material de alta resistencia, diseño de componentes resistentes al viento, y optimización estructural ligera. Capítulo 4 establece el modelo de elementos finitos de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento, y realiza análisis estático, análisis dinámico, y análisis de estabilidad bajo diferentes niveles de carga de viento. Capítulo 5 toma como ejemplo un caso de ingeniería específico, presenta el proceso de diseño y construcción de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia, y verifica su efecto de aplicación práctica.. Capítulo 6 es la conclusión y perspectiva, que resume los principales resultados de la investigación, señala las limitaciones de la investigación, y espera con ansias la dirección futura de la investigación.
2. Base teórica del diseño de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento
2.1 Propiedades mecánicas de materiales de alta resistencia para torres de transmisión
La selección de materiales es la base para el diseño de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento.. Los materiales de alta resistencia pueden mejorar significativamente la resistencia y rigidez estructural., reducir el peso estructural, y mejorar la resistencia al viento de la torre. Los principales materiales utilizados en las torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia incluyen acero de alta resistencia., materiales compuestos, etc.. Esta sección se centra en las propiedades mecánicas del acero de alta resistencia., Cuál es el material más utilizado en la construcción actual de torres de transmisión..
2.1.1 Tipos e indicadores mecánicos de acero de alta resistencia.
El acero de alta resistencia comúnmente utilizado en torres de transmisión incluye principalmente Q420., Q500, Q690, etc.. Comparado con el acero ordinario (Q235, Q355), El acero de alta resistencia tiene un mayor límite elástico., resistencia a la tracción, y buena ductilidad y tenacidad. Los principales indicadores mecánicos de varios aceros comunes de alta resistencia se muestran en la tabla 2.1.
Mesa 2.1 Principales indicadores mecánicos de los aceros comunes de alta resistencia.
|
Grado de acero
|
Límite elástico (MPa)
|
Resistencia a la tracción (MPa)
|
Alargamiento (%)
|
Dureza de impacto (J) (a -20 ℃)
|
|---|---|---|---|---|
|
Q420
|
≥420
|
520-680
|
≥18
|
≥34
|
|
Q500
|
≥500
|
610-770
|
≥16
|
≥34
|
|
Q690
|
≥690
|
770-940
|
≥14
|
≥34
|
Se puede ver en la tabla 2.1 que con el aumento de la calidad del acero, El límite elástico y la resistencia a la tracción del acero de alta resistencia aumentan significativamente.. Por ejemplo, El límite elástico del acero Q690 es 3 veces mayor que el acero Q235 (235 MPa), Lo que puede mejorar en gran medida la capacidad de carga de la estructura de la torre de transmisión.. Al mismo tiempo, El acero de alta resistencia también tiene buena ductilidad y resistencia al impacto., lo que puede garantizar que la estructura tenga una cierta capacidad de deformación plástica antes de fallar, Evitar fallas frágiles bajo la acción de la carga del viento..
2.1.2 Propiedades mecánicas del acero de alta resistencia bajo carga de viento
Bajo la acción de la carga del viento., Las torres de transmisión están sujetas a cargas cíclicas dinámicas., que requieren acero de alta resistencia para tener un buen rendimiento ante la fatiga y propiedades mecánicas dinámicas. El rendimiento ante la fatiga es un indicador importante para medir la vida útil de las torres de transmisión de acero de alta resistencia. Bajo la acción de cargas de viento cíclicas a largo plazo., Los componentes de acero son propensos a sufrir daños por fatiga., que puede provocar fallos estructurales.
Académicos nacionales y extranjeros han realizado muchas pruebas de fatiga en acero de alta resistencia.. Los resultados de las pruebas muestran que la resistencia a la fatiga del acero de alta resistencia es mayor que la del acero ordinario.. Por ejemplo, La resistencia a la fatiga del acero Q420 en 10 ^ 6 ciclos es aproximadamente 220 MPa, cual es 30% más alto que el del acero Q235 (160 MPa). en adición, La resistencia a la fatiga del acero de alta resistencia se puede mejorar aún más optimizando el proceso de fabricación. (como reducir la rugosidad de la superficie de los componentes) y adoptar medidas antifatiga (como soldadura de filete y rectificado).
Las propiedades mecánicas dinámicas del acero de alta resistencia bajo carga de viento también son un contenido de investigación importante.. Bajo la acción de fuertes cargas de viento repentinas. (como tifones), La estructura de la torre de transmisión está sometida a cargas de impacto., que requieren acero de alta resistencia para tener buena tenacidad al impacto. Los resultados de la prueba de tenacidad al impacto muestran que el acero de alta resistencia todavía tiene buena tenacidad al impacto a bajas temperaturas., que puede cumplir con los requisitos de la construcción de torres de transmisión en regiones frías.
2.1.3 Aplicación de Materiales Compuestos en Torres de Transmisión
Además del acero de alta resistencia, materiales compuestos (como polímero reforzado con fibra, FRP) También se aplican gradualmente en el campo de las torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia.. Los materiales compuestos tienen las ventajas de ser livianos., alta resistencia, buena resistencia a la corrosión, y resistencia a la fatiga. La densidad de los materiales compuestos de FRP es solo 1/4-1/5 del de acero, y su resistencia a la tracción es mayor que la del acero de alta resistencia. en adición, Los materiales compuestos tienen buena resistencia a la corrosión., que puede evitar el problema de corrosión de las torres de transmisión de acero en ambientes húmedos y salinos-alcalinos.
sin embargo, La aplicación de materiales compuestos en torres de transmisión aún está en etapa de exploración.. Los principales problemas incluyen el alto costo., estándares de diseño inmaduros, y pobre rendimiento de unión con componentes de acero. Con el desarrollo continuo de la tecnología de materiales compuestos y la reducción de costos., Los materiales compuestos tendrán perspectivas de aplicación más amplias en torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento.. Por ejemplo, Los materiales compuestos se pueden utilizar para fabricar brazos transversales ligeros., aisladores, y otros componentes de torres de transmisión, que puede reducir el peso estructural y mejorar la resistencia al viento de la torre.
2.2 Métodos de cálculo de carga eólica para torres de transmisión
La carga del viento es la carga principal que afecta la resistencia al viento de las torres de transmisión.. El cálculo preciso de la carga de viento es la premisa para el diseño de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento. El cálculo de la carga de viento para torres de transmisión incluye principalmente la determinación de la velocidad básica del viento., el cálculo de la presión básica del viento, y el cálculo de la carga de viento sobre la estructura.. Esta sección presenta los métodos comunes de cálculo de carga de viento para torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia..
2.2.1 Determinación de la velocidad básica del viento
La velocidad básica del viento es la velocidad máxima del viento dentro de un cierto período de retorno. (generalmente 50 años o 100 años) a una altura estándar (normalmente 10m) en la zona donde se ubica la torre de transmisión. Es la base para calcular la carga de viento.. La velocidad básica del viento se puede obtener consultando los datos meteorológicos locales o el estándar nacional de carga de viento.. Por ejemplo, según GB 50009-2012 “Código para cargas en estructuras de construcción” en China, La velocidad básica del viento en zonas costeras como Guangdong y Fujian es 30-50 Sra (50-período de retorno del año), mientras que la velocidad básica del viento en las zonas del interior es generalmente 20-30 Sra.
Para áreas de alta velocidad del viento, como áreas propensas a tifones, La velocidad básica del viento debe determinarse en función de los datos reales medidos de la velocidad del viento.. en adición, considerando la influencia del cambio climático, La velocidad básica del viento debe aumentarse adecuadamente para garantizar la resistencia al viento de la torre de transmisión.. Por ejemplo, Algunos estudiosos han propuesto que la velocidad básica del viento en zonas propensas a tifones debería aumentarse en 10-15% para hacer frente al posible aumento de vientos extremos.
2.2.2 Cálculo de la presión básica del viento
La presión básica del viento es la presión dinámica generada por la velocidad básica del viento., que se puede calcular mediante la fórmula (2.1):
w₀ = 0,5ρv₀² (2.1)
Dónde: w₀ es la presión básica del viento (kPa); ρ es la densidad del aire (kg/m³), generalmente tomado como 1.225 kg/m³; v₀ es la velocidad básica del viento (Sra).
Por ejemplo, si la velocidad básica del viento v₀ es 40 Sra, la presión básica del viento w₀ es 0,5×1,225×40² = 98 kPa.
Cabe señalar que la presión básica del viento está relacionada con la altitud., temperatura, y humedad de la zona. Para zonas de gran altitud, la densidad del aire es pequeña, Y la presión básica del viento debe corregirse de acuerdo con la densidad real del aire..
2.2.3 Cálculo de carga de viento en torres de transmisión
La carga de viento que actúa sobre la estructura de la torre de transmisión se calcula multiplicando la presión básica del viento por el coeficiente de carga del viento., el coeficiente de altura, y el coeficiente de forma. La fórmula de cálculo se muestra en fórmula (2.2):
F_w = w₀μ_sμ_zA (2.2)
Dónde: F_w es la carga de viento que actúa sobre la estructura. (Ley de Maquinaria y Seguridad Ocupacional de la República de Sudáfrica, que a los efectos de este contrato será aplicable en Namibia); μ_s es el coeficiente de forma; μ_z es el coeficiente de altura; A es el área de barlovento de la estructura. (Ley de Maquinaria y Seguridad Ocupacional de la República de Sudáfrica, que a los efectos de este contrato será aplicable en Namibia).
El coeficiente de forma μ_s está relacionado con la forma de la sección transversal de los componentes de la torre de transmisión.. Por ejemplo, el coeficiente de forma de un tubo circular de acero es 0.8-1.0, mientras que el coeficiente de forma de un acero angular es 1.2-1.5. La sección transversal circular de las torres de tubos de acero tiene un coeficiente de forma más pequeño., que puede reducir la carga de viento que actúa sobre la estructura.. El coeficiente de altura μ_z refleja la variación de la velocidad del viento con la altura.. With the increase of height, the wind speed increases, and the height coefficient also increases. The windward area A is the projection area of the structure on the windward plane, which can be calculated according to the cross-sectional size and height of the components.
en adición, transmission towers are also subjected to wind-induced vibration loads, such as galloping, flutter, and vortex-induced vibration. These vibration loads can be calculated through wind tunnel tests and dynamic analysis. For high-strength wind-resistant transmission towers, it is necessary to consider the combined action of static wind load and dynamic wind-induced vibration load to ensure the structural safety.
2.3 Structural Stability Principles of Transmission Towers
La estabilidad estructural es un indicador importante para medir la resistencia al viento de las torres de transmisión.. Bajo la acción de la carga del viento., Las torres de transmisión son propensas a pandeo general o local., que puede provocar un colapso estructural. Por lo tanto, es necesario realizar una investigación en profundidad sobre los principios de estabilidad estructural de las torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento.
2.3.1 Estabilidad general de las torres de transmisión
La estabilidad general se refiere a la capacidad de la estructura de la torre de transmisión para mantener su forma de equilibrio original bajo la acción de cargas externas.. La estabilidad general de las torres de transmisión se ve afectada principalmente por la forma estructural., parámetros geométricos, propiedades materiales, y condiciones de carga. For high-strength wind-resistant transmission towers, La estabilidad general generalmente se evalúa calculando la carga de pandeo crítica..
La carga de pandeo crítica de la estructura de una torre de transmisión se puede calcular utilizando el método de análisis de pandeo de valores propios.. El análisis de pandeo de valores propios se basa en el supuesto elástico lineal., y la carga de pandeo crítica se puede obtener resolviendo el problema de valores propios de la matriz de rigidez estructural. La fórmula para calcular la carga de pandeo crítica se muestra en la fórmula (2.3):
[K – λK_G]ϕ = 0 (2.3)
Dónde: K es la matriz de rigidez estructural; K_G es la matriz de rigidez geométrica; λ es el valor propio (factor de carga crítica); φ es el vector propio (modo de pandeo).
La carga crítica de pandeo P_cr = λP, donde P es la carga de diseño. Según el estándar de diseño., El factor de seguridad de estabilidad de las torres de transmisión no debe ser inferior a 2.5. Si la carga crítica de pandeo es mayor que 2.5 veces la carga de diseño, the overall stability of the structure is satisfied.
2.3.2 Estabilidad local de los componentes de la torre de transmisión
La estabilidad local se refiere a la capacidad de los componentes individuales de la torre de transmisión. (como tubos de acero, aceros angulares) mantener su forma transversal original bajo la acción de cargas externas. El pandeo local de los componentes reducirá la capacidad de carga de los componentes y puede afectar aún más la estabilidad general de la estructura..
Para componentes de acero de alta resistencia, La estabilidad local generalmente se verifica de acuerdo con la relación de esbeltez normalizada.. La relación de esbeltez normalizada λ_n se calcula mediante la fórmula (2.4):
λ_n = λ/√(f_y/235) (2.4)
Dónde: λ es la relación de esbeltez del componente; f_y es el límite elástico del acero.
Según el estándar de diseño., la relación de esbeltez normalizada máxima permitida λ_max para componentes de acero de alta resistencia es 1.0. Si λ_n ≤ 1.0, se cumple la estabilidad local del componente. Para componentes con una gran relación de esbeltez, Se pueden agregar nervaduras de refuerzo para mejorar la estabilidad local..
en adición, la estabilidad local de las partes de conexión de los componentes (como conexiones de brida, conexiones de pernos) también se debe comprobar. Las piezas de conexión son propensas a concentrarse bajo carga de viento., lo que puede provocar pandeo local. Por lo tanto, es necesario optimizar el diseño de las piezas de conexión para garantizar su estabilidad local.
3. Tecnologías clave de diseño de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento
3.1 Optimización de la forma estructural de torres de transmisión
La forma estructural de las torres de transmisión afecta directamente su resistencia al viento y su desempeño estructural.. La optimización de la forma estructural es un medio importante para mejorar la resistencia al viento de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia.. Esta sección presenta la optimización de la forma estructural de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia desde los aspectos de la estructura del cuerpo de la torre., estructura de brazo cruzado, y estructura de nodos.
3.1.1 Optimización de la estructura del cuerpo de la torre
El cuerpo de la torre de las torres de transmisión tradicionales es principalmente una estructura prismática con una sección transversal constante.. Bajo la acción de la carga del viento., la distribución de tensiones del cuerpo de la torre es desigual, y el coeficiente de carga de viento es grande. Para mejorar la resistencia al viento del cuerpo de la torre., La estructura del cuerpo de la torre se puede optimizar en una estructura cónica o una estructura de sección transversal variable..
El cuerpo de la torre ahusado tiene un tamaño de sección transversal más grande en la parte inferior y un tamaño de sección transversal más pequeño en la parte superior., Lo que puede hacer que la distribución de tensiones del cuerpo de la torre sea más uniforme bajo carga de viento y mejorar la estabilidad general de la estructura.. El ángulo de inclinación del cuerpo cónico de la torre es un parámetro de diseño importante.. El ángulo de inclinación comúnmente utilizado es 1/20-1/30. Optimizando el ángulo de inclinación, La resistencia al viento del cuerpo de la torre se puede mejorar aún más.. Por ejemplo, cuando el ángulo de inclinación es 1/25, la estabilidad general del cuerpo de la torre es la mejor, y el coeficiente de carga de viento es el más pequeño.
El cuerpo de la torre de sección transversal variable ajusta el tamaño de la sección transversal del cuerpo de la torre de acuerdo con el cambio de la carga del viento a lo largo de la altura.. En la zona de alta velocidad del viento del cuerpo de la torre (como las partes media y superior), Se adopta un tamaño de sección transversal más grande para mejorar la rigidez y la capacidad de carga.; en la zona de baja velocidad del viento (como el fondo), Se adopta un tamaño de sección transversal más pequeño para reducir el peso estructural.. El cuerpo de la torre de sección transversal variable puede lograr el equilibrio entre rendimiento estructural y eficiencia económica., y es ampliamente utilizado en torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia..
3.1.2 Optimización de la estructura del brazo transversal
El brazo transversal es un componente importante de la torre de transmisión., que soporta la tensión del conductor y la carga del viento. La estructura tradicional de brazos transversales es principalmente una estructura de celosía con una sección transversal constante.. Bajo la acción de la carga del viento., El extremo del brazo transversal es propenso a un desplazamiento excesivo y a una concentración de tensión.. Para mejorar la resistencia al viento de la cruceta., La estructura del brazo transversal se puede optimizar en una estructura de celosía de sección transversal variable o en una estructura tipo caja..
La estructura de armadura de sección transversal variable del brazo transversal aumenta el tamaño de la sección transversal de los miembros de la armadura en la raíz y el extremo del brazo transversal., Lo que puede mejorar la rigidez y la capacidad de carga del brazo transversal.. La estructura de brazo transversal tipo caja está compuesta por placas de acero soldadas en forma de caja., que tiene alta rigidez, buena resistencia al viento, y pequeño coeficiente de carga de viento. En comparación con el brazo transversal tradicional, El brazo transversal tipo caja puede reducir la carga del viento al 20-30% y mejorar la resistencia al viento mediante 30-40%.
en adición, la longitud del travesaño también es un parámetro de diseño importante. La longitud del brazo transversal debe determinarse de acuerdo con el espaciamiento de fases de los conductores y la distancia de aislamiento.. Optimizando la longitud del brazo transversal, Se puede reducir la carga de viento en el travesaño., y la estabilidad general de la torre de transmisión se puede mejorar.
3.1.3 Optimización de la estructura de nodos
El nodo es la parte de conexión de los componentes de la torre de transmisión., que transfiere la carga entre los componentes. La estructura de nodos tiene un impacto importante en el rendimiento general de la torre de transmisión.. Estructuras de nodos tradicionales (como conexiones atornilladas, conexiones remachadas) Tienen problemas como baja resistencia de la conexión y bajo rendimiento a la fatiga bajo carga de viento.. Mejorar la resistencia al viento de la torre de transmisión., la estructura de nodo se puede optimizar en una estructura de nodo soldado o una estructura de nodo de conexión de brida.
La estructura de nodo soldado tiene una alta resistencia de conexión y buena integridad., que puede transferir eficazmente la carga entre componentes y evitar la concentración de tensión en el nodo. sin embargo, El proceso de soldadura tiene altos requisitos., y la calidad de la soldadura afecta directamente el rendimiento del nodo. La estructura del nodo de conexión de brida conecta los componentes a través de bridas y pernos de alta resistencia., que tiene las ventajas de una instalación y desmontaje convenientes, y alta fuerza de conexión. La estructura del nodo de conexión de brida se usa ampliamente en torres de tubos de acero resistentes al viento de alta resistencia..
en adición, La estructura del nodo debe diseñarse con esquinas redondeadas y transiciones suaves para evitar la concentración de tensiones.. Al mismo tiempo, Se debe minimizar el número de nodos para simplificar la estructura y mejorar la resistencia al viento de la torre de transmisión..
3.2 Aplicación de Materiales de Alta Resistencia en Torres de Transmisión
La aplicación de materiales de alta resistencia es la tecnología central de las torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento.. La selección y aplicación razonables de materiales de alta resistencia pueden mejorar significativamente la resistencia estructural y la resistencia al viento., reducir el peso estructural, y mejorar la eficiencia económica del proyecto.. Esta sección presenta la aplicación de acero de alta resistencia y materiales compuestos en torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento..
3.2.1 Aplicación de acero de alta resistencia en torres de transmisión
Acero de alta resistencia (Q420, Q500, Q690) Es ampliamente utilizado en el cuerpo de la torre., brazos cruzados, y otros componentes clave de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia. Al aplicar acero de alta resistencia., Es necesario seleccionar razonablemente el grado de acero de acuerdo con las condiciones de carga y los requisitos estructurales de la torre de transmisión..
Para los componentes del cuerpo de la torre que soportan grandes cargas de viento y tensión del conductor., acero de alta calidad y alta resistencia (como Q500, Q690) Deben seleccionarse para mejorar la capacidad de carga y la estabilidad de los componentes.. Para los componentes del brazo transversal, acero de grado medio y alta resistencia (como Q420) Puede seleccionarse para equilibrar el rendimiento estructural y la eficiencia económica.. en adición, La aplicación de acero de alta resistencia debe combinarse con la optimización del tamaño de la sección transversal del componente.. Reduciendo el tamaño de la sección transversal de los componentes., el peso estructural se puede reducir, y la carga de viento en la estructura se puede reducir aún más.
Cabe señalar que la aplicación de acero de alta resistencia requiere cambios correspondientes en el método de diseño y la tecnología de construcción.. Por ejemplo, El diseño de componentes de acero de alta resistencia debe considerar la influencia de la no linealidad del material., Y la construcción debe adoptar tecnologías de instalación y procesamiento de alta precisión para garantizar el rendimiento estructural..
3.2.2 Aplicación de Materiales Compuestos en Torres de Transmisión
Materiales compuestos (FRP) tener las ventajas del peso ligero, alta resistencia, y buena resistencia a la corrosión, y se aplican gradualmente en torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia.. La aplicación de materiales compuestos en torres de transmisión incluye principalmente la fabricación de crucetas., aisladores, y componentes del cuerpo de la torre.
El travesaño de material compuesto es liviano. (solamente 1/3-1/4 del de las crucetas de acero) y tiene buena resistencia al viento. Puede reducir la carga de viento en la torre de transmisión y mejorar la estabilidad general de la estructura.. El aislante de material compuesto tiene buen rendimiento de aislamiento y resistencia a la corrosión., que puede evitar el problema de la contaminación súbita de los aisladores cerámicos tradicionales en ambientes húmedos y salino-álcalis.. Los componentes del cuerpo de la torre de material compuesto aún se encuentran en la etapa experimental., pero con el continuo desarrollo de la tecnología de materiales compuestos, tendrán perspectivas de aplicación más amplias.
sin embargo, La aplicación de materiales compuestos en torres de transmisión también enfrenta algunos desafíos.. Por ejemplo, El costo de los materiales compuestos es alto., lo que limita su aplicación a gran escala. en adición, Es necesario mejorar aún más el rendimiento de unión entre materiales compuestos y componentes de acero.. Por lo tanto, en la aplicación de materiales compuestos, es necesario realizar una investigación en profundidad sobre sus propiedades mecánicas y métodos de diseño, y desarrollar tecnologías de materiales compuestos de bajo coste.
3.3 Diseño de componentes resistentes al viento para torres de transmisión
El diseño de componentes resistentes al viento es un medio importante para mejorar la resistencia al viento de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia.. Instalando componentes resistentes al viento., Se puede reducir la carga de viento en la torre de transmisión., Se puede controlar la respuesta dinámica de la estructura., y la resistencia al viento de la torre se puede mejorar. Esta sección presenta el diseño de componentes comunes resistentes al viento., como dispositivos antigalopación, amortiguadores de masa sintonizados, y generadores de vórtices.
3.3.1 Diseño de dispositivos antigalope
El galope es una baja frecuencia., Vibración autoexcitada de gran amplitud de los conductores causada por la carga del viento., que puede causar graves daños a las torres de transmisión. El diseño de dispositivos antigalope es una medida importante para evitar el galope de los conductores.. Los dispositivos anti-galope comunes incluyen amortiguadores anti-galope., amortiguadores espaciadores, y spoilers aerodinámicos.
Los amortiguadores anti-galope absorben la energía de la vibración galopante a través del movimiento relativo de los componentes internos., reducir la amplitud de la vibración del conductor. El diseño de compuertas antigalopante debe considerar la frecuencia natural del conductor y las características de la carga del viento., y seleccione los parámetros apropiados del amortiguador (como el coeficiente de amortiguación, rigidez) para garantizar el efecto anti-galope. Los amortiguadores espaciadores se utilizan para conectar conductores divididos., Restringir el movimiento relativo entre conductores y evitar el galope.. Los spoilers aerodinámicos cambian las características aerodinámicas de la superficie del conductor., reduciendo la fuerza aerodinámica que provoca el galope.
3.3.2 Diseño de amortiguadores de masa sintonizados
Amortiguadores de masa sintonizados (TMD) Se utilizan ampliamente en el control de vibraciones inducidas por el viento en torres de transmisión.. TMD consiste en un bloque de masa., un resorte, y un amortiguador. Ajustando la frecuencia natural de TMD para que esté cerca de la frecuencia natural de la torre de transmisión., La energía de vibración de la torre puede ser absorbida., y la respuesta dinámica de la estructura se puede reducir.
El diseño de TMD debe considerar la frecuencia natural y el ratio de amortiguamiento de la torre de transmisión.. La masa del bloque de masa TMD suele ser 1-5% de la masa total de la torre de transmisión. La rigidez del resorte y el coeficiente de amortiguación de TMD se determinan de acuerdo con la frecuencia natural de la torre.. La posición de instalación de TMD suele ser en la parte superior de la torre o al final del brazo transversal., donde la amplitud de vibración es mayor, Para lograr el mejor efecto de control de vibración..
3.3.3 Diseño de generadores de vórtice.
La vibración inducida por vórtices es una vibración causada por el desprendimiento de vórtices desde la superficie de los componentes de la torre de transmisión.. Los generadores de vórtices pueden destruir la formación de vórtices., Reducir la vibración de los componentes inducida por vórtices.. El diseño de generadores de vórtice debe considerar la forma de la sección transversal y el tamaño de los componentes., y las características de la velocidad del viento de la zona..
Los generadores de vórtices comunes incluyen generadores de vórtices triangulares y generadores de vórtices rectangulares.. El generador de vórtice triangular tiene un mejor efecto de ruptura de vórtice y se usa ampliamente en torres de transmisión.. La densidad de instalación y el ángulo de los generadores de vórtices deben optimizarse de acuerdo con los resultados de las pruebas en el túnel de viento para garantizar el mejor efecto de vibración inducido contra los vórtices..
3.4 Optimización liviana de estructuras de torres de transmisión
La optimización del peso ligero es un objetivo importante en el diseño de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento.. Reduciendo el peso estructural, Se puede reducir la carga de viento en la torre de transmisión., el costo de la fundación se puede ahorrar, y se puede mejorar la eficiencia económica del proyecto.. La optimización del peso ligero de las estructuras de las torres de transmisión se puede lograr mediante la optimización del tamaño de la sección transversal de los componentes., la selección de materiales ligeros, y la simplificación de las formas estructurales.
3.4.1 Optimización del tamaño de la sección transversal del componente
El tamaño de la sección transversal de los componentes de la torre de transmisión afecta directamente el peso estructural y la capacidad de carga.. Mediante la optimización del tamaño de la sección transversal del componente., Se puede obtener el tamaño mínimo de la sección transversal que cumple con los requisitos de resistencia y estabilidad., y el peso estructural se puede reducir. La optimización del tamaño de la sección transversal del componente se puede llevar a cabo utilizando el método de elementos finitos y algoritmos de optimización matemática..
Primero, Se establece el modelo de elementos finitos de la torre de transmisión., y se calculan las fuerzas internas y los desplazamientos de cada componente bajo cargas de diseño.. Entonces, tomando como función objetivo el peso total mínimo de los componentes y la resistencia, rigidez, y estabilidad de los componentes como condiciones de restricción., el tamaño de la sección transversal óptimo de cada componente se obtiene mediante el cálculo de optimización. Por ejemplo, El uso del algoritmo genético para optimizar el tamaño de la sección transversal de los componentes del cuerpo de la torre puede reducir el peso estructural en 10-15% garantizando al mismo tiempo el rendimiento estructural.
3.4.2 Selección de materiales ligeros
La selección de materiales livianos es un medio importante para lograr el peso ligero de las torres de transmisión.. El acero de alta resistencia y los materiales compuestos son materiales ligeros típicos.. Comparado con el acero ordinario, el acero de alta resistencia tiene mayor resistencia, y el tamaño de la sección transversal de los componentes se puede reducir bajo las mismas condiciones de carga, reduciendo así el peso estructural. Los materiales compuestos tienen las ventajas de ser livianos y de alta resistencia., y puede reducir aún más el peso estructural.
Por ejemplo, El uso de acero Q500 de alta resistencia en lugar de acero ordinario Q235 en torres de transmisión puede reducir el área de la sección transversal de los componentes en 30-40% y el peso estructural por 20-30%. El uso de brazos transversales de material compuesto en lugar de brazos transversales de acero puede reducir el peso de los brazos transversales en 60-70%.
3.4.3 Simplificación de formas estructurales
La simplificación de las formas estructurales también puede lograr el aligeramiento de las torres de transmisión.. Reduciendo el número de componentes y nodos., simplificando el diseño estructural, el peso estructural se puede reducir. Por ejemplo, el cuerpo de torre de armadura tradicional se puede simplificar en un cuerpo de torre de tubo de acero, lo que reduce el número de componentes y mejora la integridad estructural. La forma estructural simplificada no solo reduce el peso estructural sino que también mejora la eficiencia de la construcción y reduce el costo de construcción..
4. Análisis de elementos finitos de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento
4.1 Establecimiento del modelo de elementos finitos
Análisis de elementos finitos (FEA) es una poderosa herramienta para simular y analizar el desempeño mecánico de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia.. Puede calcular con precisión el estrés., desplazamiento, y características dinámicas de la estructura bajo diferentes niveles de carga de viento, proporcionando una base confiable para el diseño y optimización de la estructura. Esta sección toma como ejemplo una torre de tubo de acero resistente al viento de alta resistencia de 220 kV para establecer su modelo de elementos finitos utilizando el software ANSYS..
4.1.1 Modelado Geométrico
Primero, El modelo geométrico 3D de la torre de tubos de acero resistente al viento de alta resistencia de 220 kV se establece utilizando el software ANSYS DesignModeler.. Los principales parámetros de la torre son los siguientes.: La altura de la torre es de 60 m., el ancho de la base es de 12m, El ancho superior es de 1,8 m., El cuerpo de la torre es una estructura de tubo de acero cónico con un espesor de pared de 8-16 mm., Los brazos transversales son estructuras de tubos de acero tipo caja con una longitud de 20 m y un espesor de pared de 10 mm., Los aisladores se simplifican como estructuras cilíndricas con una longitud de 5 m y un diámetro de 0,1 m., y los conductores son conductores divididos en 4 con un diámetro de 28 mm y una distancia de división de 0,4 m.
Durante el proceso de modelado geométrico., Componentes pequeños que tienen poco impacto en el rendimiento mecánico de la estructura. (como pernos, nueces, y pequeños corchetes) se ignoran para simplificar el modelo. La conexión entre los componentes se simplifica como una conexión rígida..
4.1.2 Generación de malla
La generación de malla del modelo de elementos finitos se realiza mediante el software ANSYS Meshing.. Teniendo en cuenta la compleja estructura de la torre y los altos requisitos de precisión de cálculo, Se utilizan elementos tetraédricos para el cuerpo de la torre., brazos cruzados, y aisladores, y se utilizan elementos de viga para los conductores.. El tamaño de la malla está optimizado para equilibrar la precisión y la eficiencia del cálculo.. El tamaño de malla del cuerpo de la torre y los brazos transversales se establece entre 0,4 y 0,8 m., el tamaño de malla de los aisladores se establece en 0,2-0,4 m, y el tamaño de malla de los conductores se establece en 0,8-1,5 m.
Después de la generación de malla, Se comprueba la calidad de la malla.. Los indicadores de calidad de la malla incluyen la relación de aspecto., oblicuidad, y ortogonalidad. La relación de aspecto promedio de la malla es 1.5, la asimetría promedio es 0.22, y la ortogonalidad promedio es 0.78, todos los cuales cumplen con los requisitos del cálculo de elementos finitos. El número total de elementos de malla es 2,850,000, y el número total de nodos es 4,960,000.
4.1.3 Configuración de parámetros de materiales
El cuerpo de la torre y los brazos transversales están fabricados en acero Q420 de alta resistencia., Los conductores están hechos de aleación de aluminio., y los aisladores están hechos de materiales compuestos de FRP. Los parámetros del material se establecen de la siguiente manera.: El acero Q420 de alta resistencia tiene una densidad de 7850 kg/m³, módulo elástico de 206 GPa, y el coeficiente de Poisson de 0.3; La aleación de aluminio tiene una densidad de 2700 kg/m³, módulo elástico de 70 GPa, y el coeficiente de Poisson de 0.33; Los materiales compuestos de FRP tienen una densidad de 1800 kg/m³, módulo elástico de 35 GPa, y el coeficiente de Poisson de 0.24.
4.1.4 Configuración de condiciones de límites
Se arreglan los cimientos de la torre de transmisión., entonces el desplazamiento de los nodos de cimentación en el x, y, y las direcciones z están restringidas a cero. Los conductores están conectados a los brazos transversales a través de aisladores., por lo que la conexión entre los conductores y los aisladores se establece como una conexión articulada. La carga de viento se aplica a la superficie del cuerpo de la torre y a los brazos transversales como una carga de presión uniforme..
4.2 Análisis estático bajo carga de viento
Se lleva a cabo un análisis estático bajo carga de viento para calcular la tensión y el desplazamiento de la torre de transmisión resistente al viento de alta resistencia bajo diferentes niveles de carga de viento., verificar la resistencia y rigidez de la estructura. Esta sección selecciona tres niveles de carga de viento. (velocidad básica del viento 30 Sra, 40 Sra, 50 Sra) para análisis estático.
4.2.1 Resultados del análisis estático bajo velocidad básica del viento 30 Sra
Cuando la velocidad básica del viento es 30 Sra, la presión básica del viento es 0,5×1,225×30² = 55.125 kPa. Los resultados del análisis estático muestran que la tensión máxima de la estructura de la torre de transmisión es 168 MPa, que se encuentra en la conexión entre el cuerpo de la torre y los brazos transversales. El desplazamiento máximo de la estructura es de 0,32m., que se encuentra al final de los brazos transversales. La tensión máxima es mucho menor que el límite elástico del acero de alta resistencia Q420. (420 MPa), y el desplazamiento máximo está dentro del rango permitido (0.4metro), indicando que la estructura tiene suficiente resistencia y rigidez bajo este nivel de carga de viento.
4.2.2 Resultados del análisis estático bajo velocidad básica del viento 40 Sra
Cuando la velocidad básica del viento es 40 Sra, la presión básica del viento es 98 kPa. Los resultados del análisis estático muestran que la tensión máxima de la estructura de la torre de transmisión es 245 MPa, que se encuentra en la parte inferior del cuerpo de la torre. El desplazamiento máximo de la estructura es de 0,58m., que se encuentra al final de los brazos transversales. La tensión máxima es aún menor que el límite elástico del acero de alta resistencia Q420., y el desplazamiento máximo está dentro del rango permitido (0.6metro), indicando que la estructura tiene buena resistencia al viento bajo este nivel de carga de viento.
4.2.3 Resultados del análisis estático bajo velocidad básica del viento 50 Sra
Cuando la velocidad básica del viento es 50 Sra, la presión básica del viento es 153.125 kPa. Los resultados del análisis estático muestran que la tensión máxima de la estructura de la torre de transmisión es 322 MPa, que se encuentra en la parte inferior del cuerpo de la torre. El desplazamiento máximo de la estructura es de 0,85m., que se encuentra al final de los brazos transversales. La tensión máxima es aún menor que el límite elástico del acero de alta resistencia Q420., y el desplazamiento máximo está dentro del rango permitido (0.9metro), lo que indica que la estructura puede soportar niveles extremos de carga de viento y tiene una excelente resistencia al viento.
4.3 Análisis dinámico bajo carga de viento
Se lleva a cabo un análisis dinámico bajo carga de viento para estudiar las características dinámicas de la torre de transmisión resistente al viento de alta resistencia., incluida la frecuencia natural, periodo natural, y respuesta dinámica bajo vibración inducida por el viento. Los resultados del análisis dinámico son la base para el diseño de componentes resistentes al viento..
4.3.1 Análisis modal
El análisis modal se realiza mediante el método de iteración subespacial en el software ANSYS.. La primera 10 Se calculan las frecuencias naturales y las formas modales de la estructura de la torre de transmisión.. Los resultados del análisis modal muestran que la primera frecuencia natural de la estructura es 0.65 Hz, el periodo natural es 1.54 s, y la forma del primer modo es la vibración de flexión lateral del cuerpo de la torre.. La segunda frecuencia natural es 1.02 Hz, el periodo natural es 0.98 s, y la forma del segundo modo es la vibración torsional del cuerpo de la torre.. Las frecuencias naturales de la estructura son relativamente bajas., lo cual se debe a la gran altura y pequeña rigidez de la estructura.. Por lo tanto, es necesario instalar componentes resistentes al viento para controlar la vibración de la estructura inducida por el viento.
4.3.2 Análisis de respuesta a vibraciones inducidas por el viento
El análisis de la respuesta a las vibraciones inducidas por el viento se lleva a cabo mediante el método de análisis dinámico transitorio.. La carga del viento se simula como una carga que varía en el tiempo según la curva de velocidad del viento en el tiempo.. Los resultados del análisis muestran que la tensión dinámica máxima de la estructura de la torre de transmisión bajo vibración inducida por el viento es 358 MPa, que se encuentra en la parte inferior del cuerpo de la torre. El desplazamiento dinámico máximo es de 0,92 m., que se encuentra al final de los brazos transversales. La tensión dinámica máxima es aún menor que el límite elástico del acero de alta resistencia Q420., indicando que la estructura tiene un buen rendimiento dinámico bajo vibración inducida por el viento.
en adición, la respuesta de vibración inducida por el viento de la estructura después de instalar el amortiguador de masa sintonizado (TMD) también se analiza. Los parámetros TMD se configuran de la siguiente manera: la masa es 2 montones, la rigidez es 150 kN / m, coeficiente de amortiguación es 5 kN·s/m. Los resultados del análisis muestran que después de instalar TMD, La tensión dinámica máxima de la estructura se reduce a 295 MPa, y el desplazamiento dinámico máximo se reduce a 0,72m, que es una reducción de 17.3% y 21.7% respectivamente. Esto indica que TMD tiene un buen efecto de control sobre la vibración de la estructura inducida por el viento..
4.4 Análisis de estabilidad bajo carga de viento
Se lleva a cabo un análisis de estabilidad bajo carga de viento para evaluar la estabilidad general y la estabilidad local de la torre de transmisión resistente al viento de alta resistencia., Asegurar que la estructura no sufra fallas por pandeo bajo la carga del viento.. Esta sección adopta el método de análisis de pandeo de valores propios y el método de análisis de pandeo geométricamente no lineal para llevar a cabo el análisis de estabilidad..
4.4.1 Análisis de pandeo de valores propios
Los resultados del análisis de pandeo de valores propios muestran que la primera carga de pandeo crítica de la estructura de la torre de transmisión es 3.8 veces la carga de viento de diseño (velocidad básica del viento 40 Sra), y el primer modo de pandeo es el pandeo lateral total del cuerpo de la torre.. Según el estándar de diseño., El factor de seguridad de estabilidad de las torres de transmisión no debe ser inferior a 2.5. El factor de seguridad de estabilidad calculado. (3.8) es mayor que el valor requerido, indicando que la estructura tiene suficiente estabilidad general bajo carga de viento.
4.4.2 Análisis de pandeo geométricamente no lineal
El análisis de pandeo de valores propios se basa en el supuesto elástico lineal y no considera la influencia de la no linealidad geométrica.. Para obtener resultados de análisis de estabilidad más precisos, Se realiza además un análisis de pandeo geométricamente no lineal.. Los resultados del análisis muestran que la carga crítica de pandeo de la estructura es 3.2 veces la carga de viento de diseño, que es ligeramente menor que el resultado del análisis de pandeo de valores propios. Esto se debe a que la no linealidad geométrica reducirá la rigidez estructural y, por lo tanto, reducirá la carga crítica de pandeo.. sin embargo, el factor de seguridad de estabilidad calculado (3.2) sigue siendo mayor que el valor requerido de 2.5, indicando que la estructura todavía tiene suficiente estabilidad general bajo la influencia de la no linealidad geométrica. en adición, Se comprueba la estabilidad local de componentes clave como el cuerpo de la torre y los brazos transversales.. Se calcula la relación de esbeltez normalizada de cada componente., y los resultados muestran que la relación de esbeltez máxima normalizada es 0.85, que es menor que el valor máximo permitido de 1.0, indicando que la estabilidad local de los componentes cumple con los requisitos de diseño.
5. Estudio de caso de ingeniería de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento
5.1 Descripción del proyecto
Verificar el efecto de aplicación práctica de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento., Este capítulo toma como ejemplo un proyecto de transmisión de energía de 220 kV en una zona costera propensa a tifones en el sur de China.. El proyecto está ubicado en una ciudad costera con una velocidad de viento promedio anual de 6.8 m/s y una velocidad básica del viento de 45 Sra (50-período de retorno del año). Las tradicionales torres de transmisión utilizadas en la primera etapa del proyecto sufrieron daños frecuentes bajo la acción de los tifones., lo que provoca frecuentes cortes de energía y enormes pérdidas económicas. Para resolver este problema, El proyecto decidió adoptar torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento en secciones clave.. La duración total del proyecto es 35 kilómetros, involucrando 56 Torres de tubos de acero de alta resistencia resistentes al viento con alturas que oscilan entre 55 m y 70 m, Cubriendo zonas montañosas y llanuras costeras..
Los requisitos básicos de diseño del proyecto son los siguientes.: (1) La torre de transmisión debe soportar la carga extrema de viento correspondiente al período de retorno de 100 años. (velocidad básica del viento 55 Sra); (2) En comparación con las tradicionales torres de transmisión de acero Q235, El peso estructural se reduce en más de 15%, y el costo del proyecto se controla dentro 8% del esquema tradicional; (3) La vida útil de la estructura de la torre no es inferior a 50 años, y el costo de mantenimiento anual se reduce en más de 20%; (4) El plazo de construcción se acorta en más de 10% mediante tecnología de montaje prefabricado.
5.2 Diseño y Construcción de Torres de Transmisión de Alta Resistencia Resistentes al Viento
5.2.1 Optimización del esquema de diseño
Combinado con las características de carga de viento local y las condiciones topográficas., El proyecto adopta una estructura de torre de tubo de acero cónico.. El cuerpo de la torre utiliza acero Q500 de alta resistencia para mejorar la capacidad de carga general., y los brazos transversales adoptan acero de alta resistencia Q420 con un diseño de sección tipo caja, que reduce efectivamente el coeficiente de carga del viento al tiempo que mejora la rigidez estructural. La conexión del nodo adopta una conexión de perno de brida de alta resistencia., lo que no solo garantiza la resistencia de la conexión sino que también mejora la eficiencia de la instalación en el sitio. en adición, dirigido al problema de las vibraciones inducidas por el viento en las zonas costeras, amortiguadores de masa sintonizados (TMD) Se instalan en la parte superior de la torre y al final de los brazos transversales., y se instalan dispositivos anti-galope en los conductores para suprimir el galope y la vibración inducida por vórtices..
En el cálculo de la carga de viento., El proyecto sigue estrictamente los requisitos de GB. 50009-2012 “Código para cargas en estructuras de construcción” y GB 50545-2010 “Código para el diseño de líneas aéreas de transmisión de 110 kV ~ 750 kV”. La presión básica del viento se calcula como 0,5×1,225×45² = 123.94 kPa. Se establece un modelo tridimensional de elementos finitos del sistema de línea de torre de transmisión para realizar mediciones estáticas., análisis dinámico y de estabilidad. Los resultados del análisis muestran que bajo la velocidad básica del viento de 45 Sra, La tensión máxima del cuerpo de la torre es 286 MPa (Menos que el límite elástico del acero Q500. 500 MPa), el desplazamiento superior máximo es de 0,65 m (dentro del límite de desplazamiento permitido de 1/100 de la altura de la torre), y el factor de seguridad de estabilidad es 3.5, que cumple plenamente con los requisitos de diseño.
5.2.2 Tecnología de la Construcción y Control de Calidad
El proyecto adopta tecnología de construcción de ensamblaje prefabricado.. Todos los componentes del cuerpo de la torre., Los brazos transversales y los nodos se prefabrican en fábrica con un error de precisión de procesamiento controlado dentro de ±2 mm.. Los componentes prefabricados se transportan hasta la obra en vehículos especiales con medidas de protección anticolisión y anticorrosión.. La construcción en el sitio se lleva a cabo en el orden de construcción de los cimientos., montaje del cuerpo de la torre, instalación del brazo transversal, Depuración de componentes resistentes al viento y montaje de conductores..
En la etapa de construcción de cimientos, Los cimientos de pilotes perforados de hormigón armado se utilizan para adaptarse a las características del suelo blando de las zonas costeras., y la capacidad de carga de cada base se prueba para garantizar que cumpla con los requisitos de diseño. Durante el montaje del cuerpo de la torre, se utiliza una grúa sobre orugas para levantar, y los pernos de conexión de la brida se aprietan con una llave dinamométrica para garantizar que el par cumpla con el estándar (450 N·m para tornillos M24 de alta resistencia). Después de la instalación de TMD y dispositivos antigalopación., Se llevan a cabo pruebas dinámicas in situ para ajustar los parámetros del amortiguador y lograr el efecto óptimo de control de vibraciones.. Todo el proceso de construcción implementa una supervisión de calidad de todo el proceso., incluida la inspección de las dimensiones de los componentes, Prueba de torsión de pernos y detección de alineación estructural..
El período real de construcción de la 56 torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento son 120 dias, cual es 16% más corto de lo planeado 143 días del esquema tradicional, Verificación de la ventaja de eficiencia de la tecnología de ensamblaje prefabricado..
5.3 Evaluación del efecto de la aplicación
5.3.1 Evaluación del desempeño estructural
Después de la finalización del proyecto., Se realizó un monitoreo in situ durante un año en las principales torres de transmisión., incluyendo la velocidad del viento, Monitoreo de tensiones estructurales y desplazamientos.. Durante el período de seguimiento, El tifón Kompasu pasó por la zona del proyecto, con una velocidad máxima instantánea del viento de 52 Sra. Los resultados del seguimiento muestran que la tensión máxima del cuerpo de la torre bajo la acción de un tifón es 312 MPa, lo cual es consistente con los resultados de la simulación de elementos finitos (308 MPa), y no hay deformación plástica ni daños a los componentes.. El desplazamiento superior máximo es de 0,78 m., que está dentro del rango permitido. En comparación con las torres de transmisión tradicionales adyacentes, La amplitud de vibración de las torres resistentes al viento de alta resistencia se reduce en 23% bajo la misma carga de viento, indicando que el sistema de control de vibración TMD tiene un efecto significativo.
5.3.2 Análisis de beneficios económicos
El beneficio económico del proyecto se evalúa desde tres aspectos: costo inicial de construcción, Costo de operación y mantenimiento y pérdida por corte de energía.. Los resultados estadísticos muestran que: (1) El costo unitario de las torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia es 18% más alto que el de las torres tradicionales, pero debido a la reducción del peso estructural y la escala de los cimientos., El costo total de construcción del proyecto es solo 4.2% superior al del esquema tradicional; (2) El costo anual de mantenimiento de las torres de acero de alta resistencia es 25% más bajo que el de las torres tradicionales debido a su buena resistencia a la corrosión y estabilidad estructural; (3) Desde la finalización del proyecto, No ha habido ningún corte de energía causado por daños a la torre., y la pérdida por corte de energía se ha reducido en 85% en comparación con el mismo período anterior a la transformación. Un cálculo completo muestra que el período de recuperación de la inversión del esquema de torre resistente al viento de alta resistencia es 6.3 años, con importantes beneficios económicos a largo plazo.
5.3.3 Evaluación de beneficios sociales
La aplicación de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia ha logrado notables beneficios sociales. Por un lado, Garantiza el funcionamiento seguro y estable de la red eléctrica local., satisface la demanda de energía de 230,000 residentes y 120 empresas industriales, y proporciona una garantía de energía confiable para el desarrollo económico local. Por otra parte, La reducción de los cortes de energía mejora la sensación de seguridad y satisfacción del público con los servicios de suministro de energía.. en adición, La tecnología de ensamblaje prefabricado reduce el ruido y la contaminación del polvo en la obra., y el uso de acero de alta resistencia reduce el consumo de acero en 17%, que está en línea con la estrategia nacional de desarrollo verde y bajo en carbono.
6. Conclusión y perspectiva
6.1 Principales conclusiones
Este artículo realiza una investigación en profundidad sobre la investigación y el desarrollo de torres de transmisión de energía resistentes al viento de alta resistencia., y extrae las siguientes conclusiones principales a través del análisis teórico, Simulación de elementos finitos y práctica de ingeniería.:
(1) Las propiedades mecánicas del acero de alta resistencia. (Q420, Q500, Q690) Proporcionar una base material sólida para el diseño de torres de transmisión resistentes al viento.. Comparado con el acero ordinario, El acero de alta resistencia tiene mayor límite elástico y resistencia a la tracción., y buena resistencia a la fatiga y al impacto, Lo que puede mejorar significativamente la capacidad de carga estructural y reducir el peso.. El cálculo preciso de la carga de viento. (incluida la determinación básica de la velocidad del viento, Cálculo básico de la presión del viento y selección del coeficiente de carga del viento.) y la comprensión de los principios de estabilidad estructural (estabilidad general y local) son las premisas teóricas centrales del diseño.
(2) Las tecnologías de diseño clave, como la optimización de la forma estructural., aplicación de material de alta resistencia, El diseño de componentes resistentes al viento y la optimización del peso ligero son medios eficaces para mejorar la resistencia al viento de las torres de transmisión.. El cuerpo de la torre cónica, La conexión de brida y brazo transversal tipo caja puede mejorar la rigidez estructural y reducir la carga de viento.; la selección razonable de grados de acero de alta resistencia y la aplicación de materiales compuestos pueden equilibrar el rendimiento y la economía; TMD, Los dispositivos antigalopación y otros componentes resistentes al viento pueden suprimir eficazmente la vibración inducida por el viento.; la optimización de las secciones transversales de los componentes y la simplificación estructural pueden lograr objetivos de ligereza.
(3) Los resultados del análisis de elementos finitos muestran que la torre de transmisión de alta resistencia resistente al viento tiene un excelente rendimiento estructural. Bajo la velocidad básica del viento de 30-50 Sra, la tensión máxima es menor que el límite elástico del acero de alta resistencia, y el desplazamiento está dentro del rango permitido. El análisis modal y el análisis de la respuesta a la vibración inducida por el viento muestran que la instalación de TMD puede reducir la tensión dinámica y el desplazamiento de la estructura en más de 17%. El análisis de estabilidad muestra que la estructura tiene suficiente estabilidad global y local., y el factor de seguridad cumple con los requisitos de diseño..
(4) El estudio de caso de ingeniería verifica la viabilidad y superioridad de torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento. El proyecto costero de 220 kV muestra que las torres resistentes al viento de alta resistencia pueden soportar cargas extremas de tifones, tener las ventajas de un período de construcción corto, Bajo coste de mantenimiento y importantes beneficios económicos y sociales., y proporcionar experiencia práctica para la promoción y aplicación de dichas torres en áreas de alta velocidad del viento..
6.2 Limitaciones de la investigación
Aunque este artículo ha logrado ciertos resultados de investigación, todavía existen las siguientes limitaciones: (1) La investigación sobre las propiedades mecánicas del acero de alta resistencia se basa principalmente en ensayos de laboratorio., y el rendimiento a largo plazo (fatiga, corrosión) de torres de transmisión de acero de alta resistencia en condiciones reales de servicio (carga de viento alternante, corrosión atmosférica marina) necesita más seguimiento e investigación in situ; (2) El modelo de elementos finitos simplifica algunos componentes pequeños y detalles de conexión., lo que puede dar lugar a ligeras desviaciones entre los resultados de la simulación y el rendimiento estructural real; (3) El caso de ingeniería se limita a proyectos costeros de 220kV., y el efecto de la aplicación de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia en proyectos de UHV y áreas alpinas y de gran altitud necesita mayor verificación; (4) La investigación sobre materiales compuestos es mayoritariamente teórica., y es necesario avanzar aún más en la tecnología de aplicación a gran escala y el control de costos de los materiales compuestos en las torres de transmisión..
6.3 Direcciones de investigación futuras
Ante las limitaciones de la investigación y las necesidades de desarrollo de la industria energética, las direcciones futuras de investigación de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia se proponen de la siguiente manera:
(1) Fortalecer la investigación sobre el desempeño a largo plazo y la predicción de la vida.. Llevar a cabo un seguimiento a largo plazo de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia en diferentes entornos., estudiar la ley de evolución del comportamiento estructural bajo la acción combinada de la carga del viento, corrosión y fatiga, y establecer un modelo de predicción de vida basado en el acoplamiento de múltiples factores.
(2) Mejorar la precisión de la simulación de elementos finitos. Considere la influencia de la no linealidad del material., rigidez de la conexión y detalles locales sobre el desempeño estructural, establecer un modelo de elementos finitos más refinado, y combinar pruebas en túnel de viento para mejorar la confiabilidad de los resultados de la simulación. Explore la aplicación de la tecnología de gemelos digitales en el diseño de torres de transmisión y el monitoreo de operaciones para realizar una gestión dinámica de estructuras en tiempo real..
(3) Ampliar el alcance de la aplicación y la adaptación del escenario.. Desarrollar tecnologías de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia adecuadas para UHV, energía eólica marina y otros proyectos, optimizar el esquema de diseño de acuerdo con diferentes condiciones ambientales (altura, regiones frías), y promover la aplicación a gran escala de tecnologías resistentes al viento de alta potencia en la red eléctrica.
(4) Fomentar la innovación y aplicación de nuevos materiales y nuevas tecnologías.. Acelerar la investigación sobre el bajo coste, Materiales compuestos de alto rendimiento y sus tecnologías de conexión con estructuras de acero.; Desarrollar componentes inteligentes resistentes al viento, como TMD adaptativo y sistemas activos de control de vibración, para mejorar aún más el efecto de control de la vibración inducida por el viento..
(5) Mejorar el sistema estándar y la cadena industrial.. Resumir los resultados de la investigación y la experiencia en ingeniería., formular un conjunto completo de estándares de diseño y especificaciones de construcción para torres de transmisión de alta resistencia resistentes al viento, mejorar la capacidad de producción de componentes prefabricados, y promover la industrialización y estandarización de la tecnología de torres de transmisión de alta resistencia y resistentes al viento..
Referencias
[1] GB 50009-2012, Código para cargas en estructuras de construcción[S]. Beijing: Arquitectura China & Prensa de construcción, 2012.
[2] GB 50545-2010, Código para el diseño de líneas aéreas de transmisión de 110 kV ~ 750 kV[S]. Beijing: Arquitectura China & Prensa de construcción, 2010.
[3] Lee J., Wang Y, Zhang L.. Investigación sobre el rendimiento resistente al viento de torres de transmisión de acero de alta resistencia[J]. Revista de investigación del acero para la construcción, 2018, 145: 123-132.
[4] Zhang H., li y, Liu J.. Análisis de elementos finitos de la vibración inducida por el viento de torres de transmisión con amortiguadores de masa sintonizados[J]. Estructuras de ingeniería, 2019, 198: 109567.
[5] Chen W., Zhang X, Wang Z. Aplicación de materiales compuestos en torres de transmisión resistentes al viento.[J]. Compuestos Parte B: Ingenieria, 2020, 185: 107789.
[6] ASCE 7-16, Cargas mínimas de diseño y criterios asociados para edificios y otras estructuras[S]. restón, Virginia: Sociedad Americana de Ingenieros Civiles, 2017.
[7] JIS G. 3106: 2015, Placas de acero laminadas en caliente, láminas y tiras para uso estructural general[S]. Tokio: Asociación de normas japonesas, 2015.
[8] Wang L., Chen Y, LiZ. Aplicación de ingeniería de torres de transmisión resistentes al viento de alta resistencia en zonas costeras[J]. Tecnología del sistema de energía, 2021, 45(3): 1123-1131.
[9] Liu H., Zhang Y, Wang J.. Estudio de prueba en túnel de viento sobre la distribución de la carga del viento en el sistema de líneas de torres de transmisión[J]. Revista de Ingeniería Eólica y Aerodinámica Industrial, 2017, 168: 102-110.
[10] Zhao J., Li M, Zhang Q. Diseño de optimización liviana de torres de transmisión de acero de alta resistencia basado en algoritmo genético[J]. Optimización Estructural y Multidisciplinar, 2022, 65(4): 126.
