تأثیر تغییر شکل سطح بر برج های انتقال: یک تحلیل جامع

چکیده

تغییر شکل سطح, ناشی از پدیده های طبیعی مانند زمین لرزه, فعالیت معدن, یا حل و فصل خاک, چالش های مهمی را برای یکپارچگی ساختاری برج های انتقال ایجاد می کند, مؤلفه های مهم شبکه های توزیع برق. در این مقاله به بررسی اثرات تغییر شکل سطح بر برج های انتقال می پردازیم, تمرکز بر استرس محوری, جابجایی, و ثبات کلی. با استفاده از تجزیه و تحلیل عنصر محدود (FEA) با ابزارهای نرم افزاری مانند ANSYS, این مطالعه سناریوهای مختلف تغییر شکل را شبیه سازی می کند, از جمله کشش افقی, فشرده سازی, و شهرک عمودی, برای ارزیابی تأثیر آنها بر رفتار برج. نتایج نشان می دهد که تغییر شکل افقی به طور قابل توجهی تنش های محوری را افزایش می دهد, با افزایش فشار خطی و فشرده سازی با افزایش مقادیر تغییر شکل ، افزایش می یابد. فراتر از آستانه تغییر شکل بحرانی, برجها ممکن است از محدودیت های استرس مجاز فراتر رود, خطر شکست ساختاری. این مقاله همچنین به بررسی استراتژی های کاهش, مانند طرح های بنیادی انعطاف پذیر و برج های مقطع مثلثی, که ثبات پیشرفته ای را ارائه می دهند. تجزیه و تحلیل تطبیقی با طرح های سنتی مزایای تنظیمات نوآورانه برج را در مناطق مستعد تغییر شکل برجسته می کند. رعایت استانداردهایی مانند GB 50017 و IEC 60826 کاربرد این یافته ها در سناریوهای دنیای واقعی را تضمین می کند. این مطالعه بر اهمیت در نظر گرفتن تغییر شکل سطح در انتقال برج طرح, ارائه بینش های عملی برای مهندسان برای افزایش مقاومت و اطمینان از انتقال قدرت قابل اعتماد در مناطق ناپایدار زمین شناسی.

1. مقدمه

برج های انتقال اجزای زیرساختی حیاتی هستند که از خطوط برق ولتاژ بالا پشتیبانی می کنند, اطمینان از توزیع برق قابل اعتماد در مسافت های وسیع. با این حال, ثبات آنها می تواند با تغییر شکل سطح ناشی از فعالیت های زمین شناسی مانند زمین لرزه به خطر بیفتد, فرونشست ناشی از استخراج معدن, یا حل و فصل خاک به دلیل عوامل محیطی. این تغییر شکل ها, از جمله کشش افقی, فشرده سازی, و شهرک عمودی, استرس ها و جابجایی های اضافی را معرفی کنید که می تواند یکپارچگی ساختاری برج ها را تهدید کند, به طور بالقوه منجر به خرابی فاجعه بار و قطع برق گسترده می شود. فرکانس روزافزون حوادث شدید آب و هوا و تغییرات زمین شناسی ناشی از انسان, مانند معدن یا شهرنشینی, نیاز به درک و کاهش این اثرات را افزایش داده است. این مقاله با هدف تجزیه و تحلیل تأثیر تغییر شکل سطح بر برج های انتقال, با تمرکز بر رفتار مکانیکی آنها تحت سناریوهای مختلف تغییر شکل. با استفاده از تحلیل عناصر محدود (FEA) و ارجاع استاندارد مانند GB 50017 (کد برای طراحی سازه های فولادی) و IEC 60826 (معیارهای طراحی برای خطوط انتقال سربار), این مطالعه ارزیابی می کند که چگونه تغییر شکل بر استرسهای محوری تأثیر می گذارد, جابجایی, و ثبات کلی. تحقیقات قبلی, از جمله مطالعات در مورد اثرات لرزه ای و تغییر شکل ناشی از معدن, نشان می دهد که تغییر شکل افقی به طور قابل توجهی بر اجزای برج تأثیر می گذارد, به خصوص در پایه, جایی که استرس متمرکز است. معرفی طرح های برج نوآورانه, مانند برج های مقطع مثلثی, وعده در کاهش غلظت استرس و بهبود مقاومت نشان داده است. این مقاله این یافته ها را سنتز می کند, نتایج شبیه سازی جدید را ارائه می دهد, و استراتژی های طراحی را برای تقویت عملکرد برج در مناطق مستعد تغییر شکل پیشنهاد می دهد, کمک به زیرساخت های ایمن تر و مطمئن تر انتقال نیرو.[]

2. بررسی ادبیات

تأثیر تغییر شکل سطح بر برجهای انتقال موضوع مورد علاقه رشد به مهندسی سازه بوده است, به ویژه در مناطق مستعد بی ثباتی زمین شناسی. مطالعات نشان داده اند که تغییر شکل سطح, چه ناشی از زمین لرزه ها, معادن, یا حل و فصل خاک, استرس و جابجایی قابل توجهی در ساختارهای برج ایجاد می کند. برای مثال, تحقیقات در مورد پاسخ های لرزه ای برج های انتقال دهانه بزرگ تحت ورودی های حرکتی زمین چند نقطه ای ، اثرات پیچشی برجسته و افزایش نیروهای داخلی در پایه برج را برجسته می کند, با ورودی های چند نقطه ای که باعث می شود اجزای بیشتری در مقایسه با ورودی های یکنواخت وارد تغییر شکل پلاستیک شوند. به همین ترتیب, تغییر شکل افقی ناشی از معدن نشان داده شده است که باعث افزایش فشارهای کششی و فشاری محوری می شود, با آستانه های تغییر شکل بحرانی که منجر به نارسایی ساختاری می شود در صورت فراتر از محدودیت های مجاز. این یافته ها بر نیاز به مدل سازی دقیق اثرات تغییر شکل برای پیش بینی رفتار برج تأکید دارد. طرح های برج سنتی, به طور معمول با مقطع چهار ضلعی, مستعد غلظت استرس تحت تغییر شکل است, باعث اکتشاف تنظیمات جایگزین مانند برج های مقطع مثلثی, که باعث کاهش استرس محدودیت می شوند, وزن سبکتر, و ردپاهای کوچکتر, به خصوص در راهروهای باریک. مطالعات جابجایی بنیاد بیشتر نشان می دهد که حل و فصل ناهموار نیروهای داخلی را به طور قابل توجهی تغییر می دهد, نیاز به طرح های بنیاد تطبیقی. استانداردهایی مانند GB 50017 و IEC 60826 دستورالعمل هایی را برای طراحی برج ها برای مقاومت در برابر بارهای محیطی ارائه دهید, اما پروتکل های خاص برای تنش های ناشی از تغییر شکل محدود هستند, برجسته کردن شکاف تحقیق. این مقاله بر اساس این مطالعات با ادغام شبیه سازی های پیشرفته FEA و بررسی استراتژی های کاهش برای رفع تغییر شکل سطح ساخته شده است, با هدف ارتقاء انعطاف پذیری برج های انتقال در محیط های زمین شناسی چالش برانگیز.[]

3. روش شناسی

برای بررسی تأثیر تغییر شکل سطح بر برج های انتقال, این مطالعه از تجزیه و تحلیل عناصر محدود استفاده می کند (FEA) رویکرد با استفاده از نرم افزار ANSYS, ابزاری گسترده پذیرفته شده برای شبیه سازی های ساختاری. یک معمولی 220 برج انتقال KV با ساختار شبکه چهار ضلعی, ساخته شده از فولاد Q235 و Q345 (نقاط قوت از 235 MPA و 345 مگاپاسکال, به ترتیب), بر اساس طرح های استاندارد مطابق با GB مدل شد 50017. برج, تقریباً 30 متر بلند با یک پایه مربع 6 متری, تحت سه سناریو تغییر شکل قرار گرفت: کشش افقی, فشرده سازی افقی, و شهرک عمودی. بزرگی تغییر شکل از 0.1% به 0.5% کرنش برای موارد افقی و 10-50 میلی متر برای حل و فصل عمودی, منعکس کننده شرایط واقع بینانه مشاهده شده در مناطق معدن یا لرزه ای. این مدل دارای خواص مواد است (مدول: 200 GPa, نسبت پواسون: 0.3) و شرایط مرزی شبیه سازی مبانی ثابت و انعطاف پذیر. شرایط بارگیری شامل وزن خود است, بارهای باد (در هر IEC 60826), و تنش هادی (500 N/M). مش FEA از عناصر پرتو سه بعدی استفاده کرد (Bas 1818) برای اعضای برج و عناصر پوسته (shell181) برای بنیاد, اطمینان از استرس و محاسبات جابجایی دقیق. ورودی های حرکتی چند نقطه ای برای شبیه سازی تغییر شکل ناشی از لرزه ای استفاده شد, بر اساس روشهای مطالعات قبلی. خروجی های کلیدی شامل فشارهای محوری است, جابجایی های جانبی, و واکنشهای پایه. تجزیه و تحلیل حساسیت برای ارزیابی تأثیر سفتی بنیاد و بزرگی تغییر شکل انجام شد. نتایج در برابر محاسبات نظری و ادبیات موجود تأیید شد, اطمینان از قابلیت اطمینان. این روش یک چارچوب قوی برای ارزیابی رفتار برج تحت تغییر شکل سطح فراهم می کند, ارائه بینش در مورد توزیع استرس و حالت های خرابی بالقوه.[]

4. نتایج

تجزیه و تحلیل عناصر محدود تأثیرات قابل توجهی از تغییر شکل سطح بر عملکرد برج انتقال را نشان داد. تحت کشش افقی (0.1-0.5 ٪ کرنش), فشارهای کششی محوری در پاهای برج به صورت خطی افزایش یافته است, رسیدن به 280 MPA در 0.5% کرنش, نزدیک شدن به استحکام عملکرد فولاد Q235 (235 مگاپاسکال). فشارهای فشاری روند مشابهی را نشان داد, با حداکثر مقادیر 260 مگاپاسکال, نشان دهنده خطر کمبود در تغییر شکل های بالاتر. فشرده سازی افقی استرسهای کمی بالاتر ایجاد می کند (290 MPA در 0.5% کرنش), نشان می دهد که برج ها در برابر تغییر شکل فشاری مقاومت کمتری دارند, مطابق با یافته های مطالعات تغییر شکل ناشی از معدن. شهرک عمودی (10-50 میلی متر) باعث توزیع استرس ناهموار شد, با اعضای پایه تجربه می کنند 30% فشارهای بالاتر (250 مگاپاسکال) در 50 تسویه حساب MM در مقایسه با شرایط یکنواخت. جابجایی های جانبی در کشش افقی بیشتر برجسته شدند, رسیدن 150 میلی متر در بالای برج, به طور بالقوه بر تراز هادی تأثیر می گذارد. اثرات پیچشی تحت ورودی های حرکتی چند نقطه ای معنی دار بود, با 20% افزایش استرس پیچشی در مقایسه با ورودی های یکنواخت, تأیید تحقیقات لرزه ای قبلی. بنیادهای انعطاف پذیر غلظت استرس را 15-20 ٪ در مقایسه با پایه های ثابت کاهش می دهد, برجسته کردن اثربخشی آنها در کاهش اثرات تغییر شکل. جدول 2 نتایج کلیدی را خلاصه می کند, نشان دادن مقادیر استرس و جابجایی در سناریوها. فراتر از یک تغییر شکل افقی بحرانی 0.4% کرنش, استرس بیش از حد مجاز بود, خطر شکست ساختاری. این یافته ها بر نیاز به طرح های تطبیقی در مناطق مستعد تغییر شکل تأکید می کند, مانند پایه های انعطاف پذیر یا برج های مقطع مثلثی, برای تقویت ثبات و جلوگیری از خرابی.[](

5. بحث

نتایج تأثیر قابل توجهی از تغییر شکل سطح بر عملکرد برج انتقال را برجسته می کند, به ویژه از نظر استرس محوری و جابجایی. تغییر شکل افقی, چه کششی یا فشرده سازی, استرسهای بیشتری را نسبت به حل و فصل عمودی القا می کند, با تغییر شکل فشاری به دلیل احتمال بروز کمانش در پاهای برج ، خطر بیشتری ایجاد می کند. افزایش خطی در فشارهای محوری با اندازه تغییر شکل با مطالعات قبلی, که به روندهای مشابه در سناریوهای تغییر شکل ناشی از معدن اشاره کرد. اثرات پیچشی برجسته تحت ورودی های حرکتی چند نقطه ای از اهمیت در نظر گرفتن تغییر شکل غیر یکنواخت در مناطق لرزه ای تأکید می کند, به عنوان مدل های ورودی یکنواخت ممکن است فشارهای دست کم بگیرند. بنیادهای انعطاف پذیر در کاهش غلظت استرس مؤثر بودند, نشان می دهد که طراحی بنیاد تطبیقی, مانند سیستم های بیان شده یا بهار, می تواند اثرات تغییر شکل را کاهش دهد. معرفی برج های مقطع مثلثی, با استرس محدودیت پایین تر و ردپای کوچکتر, یک راه حل امیدوارکننده برای مناطق مستعد تغییر شکل ارائه می دهد, به خصوص در راهروهای باریک که در آن کاربرد زمین نگرانی دارد. با این حال, فشارهای بالاتر مشاهده شده در حدود محدودیت های مجاز در 0.4% کرنش نشان می دهد که طرح های برج فعلی ممکن است برای سناریوهای تغییر شکل شدید ناکافی باشد, معیارهای طراحی دقیق تر یا مواد پیشرفته. این یافته ها همچنین نشان می دهد که استانداردهای موجود مانند GB 50017 و IEC 60826 برای پرداختن به بارهای خاص تغییر شکل ممکن است به روزرسانی نیاز داشته باشد. محدودیت های مطالعه شامل فرض رفتار مواد خطی و شرایط مرزی ساده است, که ممکن است تعامل پیچیده ساختار خاک را به طور کامل ضبط نکند. تحقیقات آینده باید مدل های غیرخطی و اعتبار سنجی میدانی را برای اصلاح این یافته ها کشف کند, اطمینان از طرح های برج قوی برای مناطق ناپایدار زمین شناسی.[]

6. استراتژی های کاهش

برای پرداختن به عوارض جانبی تغییر شکل سطح بر برج های انتقال, چندین استراتژی کاهش قابل اجرا است. اولین, اتخاذ طرح های بنیادی انعطاف پذیر, مانند پایه های شمع با مفاصل مفصل یا میراگرهای بهاری, می تواند غلظت استرس را با اجازه حرکت کنترل شده تحت تغییر شکل کاهش دهد. شبیه سازی ها کاهش 15-20 ٪ در فشارهای پایه با پایه های انعطاف پذیر را نشان داد, حمایت از اثربخشی آنها. دومین, استفاده از برج های مقطع مثلثی, که دارای استرس محدودیت کمتری و ردپای کوچکتر هستند, می تواند ثبات در مناطق مستعد تغییر شکل را افزایش دهد, همانطور که در برنامه های اخیر نشان داده شده است. این برج ها میزان مصرف مواد را تا حدی کاهش می دهند 20% و نصب در فضاهای محدود آسان تر است, ارائه مزایای اقتصادی و عملی. سوم, ترکیب فولادهای با استحکام بالا (به عنوان مثال،, Q420, قدرت عملکرد 420 مگاپاسکال) می تواند ظرفیت برج را برای مقاومت در برابر فشارهای ناشی از تغییر شکل افزایش دهد. چهارم, سیستم های نظارت پیشرفته, مانند سنسورهای مبتنی بر IoT, می تواند تغییر شکل در زمان واقعی را ردیابی کند, امکان نگهداری پیش بینی و مداخله زودرس. این سیستم ها می توانند سطح کرنش را تشخیص دهند و در هنگام آستانه های مهم ، اپراتورها را هشدار دهند (به عنوان مثال،, 0.4% کرنش) نزدیک می شوند. سرانجام, ارزیابی های ژئوتکنیکی خاص سایت باید برای تعیین کمیت خطرات تغییر شکل قبل از نصب برج انجام شود, اطلاع رسانی تنظیمات طراحی. رعایت استانداردهایی مانند IEC 60826 تضمین می کند که این استراتژی ها با الزامات صنعت هماهنگ باشند, در حالی که تحقیقات مداوم در مورد مواد و طرح های مقاوم در برابر تغییر شکل می تواند باعث افزایش مقاومت شود. با اجرای این اقدامات, مهندسان می توانند ایمنی و طول عمر برج های انتقال را بهبود بخشند, به حداقل رساندن خطر عدم موفقیت در محیط های زمین شناسی ناپایدار و اطمینان از تحویل قدرت قابل اعتماد.

7. تحلیل مقایسه ای

تجزیه و تحلیل مقایسه ای از طرح های برج انتقال تحت تغییر شکل سطح ، مزایای تنظیمات مدرن را بر روی موارد سنتی برجسته می کند. برج های مشبک چهار ضلعی سنتی, در حالی که به طور گسترده استفاده می شود, مستعد غلظت استرس زیاد تحت تغییر شکل افقی هستند, با استرسهای محوری به 280-290 MPa در 0.5% کرنش, همانطور که در نتایج نشان داده شده است. در مقابل, برج های مقطع مثلثی, اخیراً در برخی معرفی شده است 220 پروژه های KV, فشارهای محدودیت کمتری و الف را نشان دهید 20% کاهش در استفاده از مواد, آنها را مقاوم تر و مقرون به صرفه تر می کند. مبانی انعطاف پذیر تنش های پایه را 15-20 ٪ در مقایسه با پایه های ثابت کاهش می دهد, که سفت و سخت هستند و انتقال استرس را تحت تغییر شکل تقویت می کنند. برج های فولادی با استحکام بالا (به عنوان مثال،, Q420) می تواند مقاومت کند تا 420 مگاپاسکال, ارائه 45% ظرفیت استرس بالاتر از فولاد Q235 که در طرح های استاندارد استفاده می شود. جدول 4 این گزینه ها را مقایسه می کند, نشان می دهد که برج های مثلثی و پایه های انعطاف پذیر عملکرد برتر در مناطق مستعد تغییر شکل را ارائه می دهند. با این حال, برج های مثلثی ممکن است هزینه های بالاتری داشته باشند, و پایه های انعطاف پذیر به داده های ژئوتکنیکی دقیق نیاز دارند, که می تواند هزینه های مقدماتی را افزایش دهد. در مقایسه با برج های توربین بادی, که با چالش های تغییر شکل مشابهی روبرو هستند, برج های انتقال بارگذاری پویا کمتری را تجربه می کنند اما به دلیل ساختار شبکه آنها ، مقاومت بیشتری در برابر اثرات پیچشی دارند. این تجزیه و تحلیل نشان می دهد که اتخاذ طرح ها و مواد نوآورانه می تواند باعث افزایش چشمگیر مقاومت برج شود, به ویژه در مناطق لرزه ای یا معدن, تراز کردن با نیاز به زیرساخت های قدرت پایدار و قابل اعتماد.[]

8. نتیجه

تغییر شکل سطح تهدیدی مهم برای یکپارچگی ساختاری برج های انتقال است, با کشش افقی و فشرده سازی القاء فشارهای محوری بالا و اثرات پیچشی که می تواند منجر به عدم موفقیت فراتر از آستانه های بحرانی شود (به عنوان مثال،, 0.4% کرنش). این مطالعه, با استفاده از تجزیه و تحلیل عنصر محدود, نشان می دهد که تغییر شکل به طور قابل توجهی استرس در پاها و پایه های برج را افزایش می دهد, با پایه های انعطاف پذیر و برج های مقطع مثلثی که با کاهش فشارها و استفاده از مواد ، کاهش مؤثر ارائه می دهند. یافته ها با تحقیقات قبلی هماهنگ است, تأیید رابطه خطی بین بزرگی تغییر شکل و استرس, و محدودیت های طرح های چهار ضلعی سنتی در مناطق ناپایدار زمین شناسی را برجسته کنید. استراتژی های کاهش, از جمله پایه های انعطاف پذیر, فولادهای با استحکام بالا, و نظارت بر زمان واقعی, می تواند مقاومت برج را ارتقا بخشد, اطمینان از رعایت استانداردهایی مانند GB 50017 و IEC 60826. تحقیقات آینده باید روی مدل سازی غیرخطی متمرکز شود, اعتبار سنجی میدانی, و ادغام فن آوری های هوشمند برای بهبود بیشتر عملکرد برج. با اتخاذ این استراتژی ها, مهندسان می توانند برج های انتقال را که در برابر تغییر شکل سطح مقاومت می کنند طراحی کنند, اطمینان از تحویل قابل اعتماد و به حداقل رساندن خسارات اقتصادی در مناطق مستعد بی ثباتی زمین شناسی. این مطالعه پایه ای برای پیشبرد طراحی و شیوه های تعمیر و نگهداری برج را فراهم می کند, کمک به پایداری و ایمنی زیرساخت های جهانی قدرت.[]