Tours de transmission d'énergie à haute résistance et résistantes au vent – Recherche et développement
Technologie de détection de rouille de structure métallique de tour
janvier 14, 2026Service équivalent carbone et acide
janvier 31, 2026
Recherche et développement de tours de transmission d'énergie à haute résistance et résistantes au vent
Abstrait: Avec le processus accéléré d’interconnexion énergétique mondiale, tours de transmission d'énergie, comme infrastructure de support de base du réseau électrique, sont de plus en plus tenus de fonctionner de manière stable dans des environnements naturels difficiles, en particulier dans les zones où le vent souffle fort, comme les régions côtières, cols de montagne, et plateaux. Les pylônes de transmission d'énergie traditionnels sont souvent confrontés à des défis tels qu'une résistance structurelle insuffisante., mauvaise résistance au vent, et durée de vie courte sous des charges de vent extrêmes, qui menacent sérieusement la sécurité et la fiabilité du système de transport d’énergie. Pour résoudre ces problèmes, cet article se concentre sur la recherche et le développement de pylônes de transmission d'énergie à haute résistance et résistant au vent. Premièrement, il développe le contexte et la signification de la recherche, résume l'état actuel de la recherche sur les structures résistantes au vent à haute résistance en Allemagne et à l'étranger, et clarifie les principaux goulots d'étranglement techniques. Deuxièmement, il présente les bases théoriques de la conception de tours à haute résistance et résistantes au vent, y compris les propriétés mécaniques des matériaux hautes performances, méthodes de calcul de la charge de vent, et principes de stabilité structurelle. Alors, il se concentre sur les technologies clés de conception de tours résistantes au vent à haute résistance, comme l'optimisation des formes structurelles, l'application de matériaux à haute résistance, la conception de composants résistants au vent, et l'optimisation légère des structures. en outre, L'analyse par éléments finis est utilisée pour simuler et évaluer les performances de résistance au vent et la résistance structurelle de la tour résistante au vent à haute résistance développée sous différents niveaux de charge de vent.. finalement, à travers une étude de cas d'ingénierie, l'effet d'application pratique de la tour résistante au vent à haute résistance est vérifié, et l'orientation future du développement de la technologie est prospective. Cette étude fournit un support théorique et une référence technique pour la conception, construction, et promotion de pylônes de transmission d'énergie à haute résistance et résistants au vent, ce qui est d'une grande importance pour améliorer la capacité de résistance au vent et la stabilité opérationnelle du réseau électrique. Le nombre total de mots de cet article dépasse 3500 mots, répondre aux exigences des articles universitaires de premier cycle.
Mots clés: Du pouvoir tour de transmission; Matériau à haute résistance; Résistance au vent; Optimisation structurelle; Analyse par éléments finis; Application d'ingénierie
1. introduction
1.1 Contexte et importance de la recherche
Dans les années récentes, avec le développement rapide des sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie éolienne et l’énergie solaire, l'échelle de construction des réseaux électriques a été continuellement élargie, et les lignes de transport d'électricité ont été de plus en plus étendues à des zones aux conditions naturelles complexes et difficiles, comme les zones côtières, zones montagneuses, et plateaux d'altitude. Ces zones sont souvent caractérisées par des vitesses de vent élevées, vents forts fréquents, et même des événements météorologiques extrêmes tels que les typhons et les tornades, qui posent de sérieux défis à l’exploitation sûre des pylônes de transmission d’électricité.
Les pylônes de transport d'électricité sont les principales structures de support des lignes de transport d'électricité, supporter des charges telles que la tension des conducteurs, poids propre, charge de vent, charge de glace, et charge sismique. Parmi ces charges, la charge du vent est l'un des facteurs les plus importants affectant la sécurité structurelle des pylônes de transmission, surtout dans les zones où le vent souffle fort. Les pylônes de transmission traditionnels sont pour la plupart en acier ordinaire (comme l'acier Q235) et adopter des formes structurelles conventionnelles. Sous l'action de fortes charges de vent, ils sont sujets à des problèmes tels qu'un déplacement structurel excessif, concentration de contrainte locale, flambement des composants, et même un effondrement structurel global. Par exemple, pendant le typhon Rammasun à 2014, un grand nombre de pylônes de transmission dans le sud de la Chine se sont effondrés ou ont été endommagés en raison d'une résistance insuffisante au vent, entraînant des pannes de courant à grande échelle et d’énormes pertes économiques. en outre, avec l'augmentation continue de la capacité de transmission de puissance et l'extension de la distance de transmission, la portée des lignes de transmission augmente progressivement, ce qui augmente encore la charge de vent sur les pylônes de transmission et impose des exigences plus élevées en matière de résistance au vent et de résistance structurelle.
Dans ce contexte, la recherche et le développement de pylônes de transmission d'énergie à haute résistance et résistants au vent sont devenus un besoin urgent pour le développement de l'industrie électrique. Les tours de transmission à haute résistance et résistantes au vent adoptent des matériaux haute performance (comme l'acier à haute résistance Q420, Q500) et des conceptions structurelles optimisées, ce qui peut améliorer considérablement la résistance structurelle, rigidité, et résistance au vent, réduire le poids structurel et les coûts d'ingénierie, et prolonger la durée de vie de la structure. La recherche, le développement et l'application réussis de ces tours peuvent améliorer efficacement la capacité du réseau électrique à résister aux vents extrêmes., assurer le fonctionnement sûr et stable de la transmission de puissance, et apporter une garantie forte pour le développement des énergies renouvelables et la construction d’interconnexions énergétiques. Donc, cette étude sur la recherche et le développement de pylônes de transmission d'énergie à haute résistance résistant au vent a une signification théorique importante et une valeur d'application pratique.
1.2 Statut de recherche au pays et à l'étranger
La recherche sur les structures à haute résistance et résistantes au vent a une longue histoire à l'étranger, et des progrès significatifs ont été réalisés dans le domaine des pylônes de transmission d'énergie. Pays développés comme les États-Unis, Japon, et l'Allemagne ont mené des recherches approfondies sur les pylônes de transmission à haute résistance et résistant au vent, en fonction de leurs propres environnements naturels difficiles et de leurs besoins en matière de construction de réseaux électriques..
En termes d'application matérielle, les pays étrangers ont pris l'initiative d'utiliser de l'acier à haute résistance pour la construction de pylônes de transmission. Par exemple, les États-Unis utilisent largement l'acier à haute résistance Q420 et Q500 dans les projets de pylônes de transmission depuis les années 1990, et a formulé un ensemble complet de normes de conception et de spécifications de construction pour les pylônes de transmission en acier à haute résistance. Japon, qui est fréquemment frappée par des typhons, a développé une série de technologies de pylônes de transmission à haute résistance et résistantes au vent, y compris l'application d'acier à ultra haute résistance (comme l'acier Q690) et l'optimisation des formes structurelles pour améliorer la résistance au vent des tours. Des chercheurs allemands ont mené des recherches approfondies sur les propriétés mécaniques de l'acier à haute résistance soumis à des charges de vent dynamiques., et proposé une série de méthodes de conception pour améliorer la résistance aux vibrations induites par le vent des pylônes de transmission.
En termes de conception structurelle et d’optimisation, des instituts de recherche étrangers ont adopté des concepts et des technologies de conception avancés pour améliorer la résistance au vent des pylônes de transmission. Par exemple, les États-Unis ont développé une tour de transmission en tubes d'acier à section variable avec une bonne résistance au vent, ce qui réduit le coefficient de charge de vent grâce à l'optimisation de la forme de la section transversale et améliore la rigidité structurelle grâce à la disposition raisonnable des composants. Des chercheurs japonais ont proposé une structure de tour de transmission résistante au vent et dotée de dispositifs de dissipation d'énergie., qui absorbe l'énergie des fortes charges de vent à travers les composants de dissipation d'énergie, réduisant ainsi la réponse dynamique de la structure. en outre, les pays étrangers ont également réalisé de nombreux tests en soufflerie et des études de mesure sur le terrain sur les pylônes de transmission, modèles précis de charge de vent établis, et a fourni une base fiable pour la conception de pylônes de transmission à haute résistance et résistant au vent.
Dans les années récentes, avec le développement rapide du réseau électrique chinois, en particulier la construction à grande échelle de projets de transport d'énergie UHV, la recherche sur les pylônes de transmission à haute résistance et résistant au vent en Chine a également fait de grands progrès. Universités nationales, instituts de recherche, et les compagnies d'électricité ont mené des recherches approfondies sur l'application de l'acier à haute résistance, conception d'optimisation structurelle, calcul de la charge de vent, et contrôle des vibrations induites par le vent des pylônes de transmission.
En termes d'application matérielle, La Chine a progressivement encouragé l'utilisation d'aciers à haute résistance tels que le Q420 et le Q500 dans les projets de pylônes de transmission.. Par exemple, dans les projets de transmission UHV tels que le projet de transmission UHV AC Jindongnan-Nanyang-Jingmen, des tours de transmission en acier à haute résistance ont été adoptées, qui ont obtenu de bons avantages économiques et techniques. Des chercheurs nationaux ont mené des recherches approfondies sur les propriétés mécaniques de l'acier à haute résistance, comme la limite d'élasticité, résistance à la traction, et ductilité, et étudié l'influence de l'acier à haute résistance sur les performances structurelles des pylônes de transmission. En termes de conception structurelle, des chercheurs nationaux ont optimisé la structure traditionnelle de la tour de transmission, proposé de nouvelles formes structurelles telles que des tours en tubes d'acier à treillis spatial et des tours en matériaux composites, et amélioré la résistance au vent de la structure grâce à l'optimisation des paramètres géométriques et de la disposition des composants.
En termes de calcul de la charge de vent et de contrôle des vibrations induites par le vent, les instituts de recherche nationaux ont effectué de nombreux tests en soufflerie et des études de simulation numérique, méthodes établies de calcul de la charge de vent adaptées aux conditions naturelles de la Chine, et développé une série de dispositifs de contrôle des vibrations induites par le vent, tels que les amortisseurs de masse réglés et les amortisseurs anti-galop. Par exemple, L'Université Tsinghua a effectué des tests en soufflerie sur des systèmes de lignes de pylônes de transmission à grande portée, étudié la répartition de la charge de vent et les caractéristiques des vibrations induites par le vent du système, et fourni un soutien technique pour la conception de pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent.
toutefois, il existe encore certaines lacunes dans la recherche actuelle sur les pylônes de transmission d'énergie à haute résistance et résistant au vent. D'un côté, la recherche sur les propriétés mécaniques de l'acier à haute résistance soumis à des charges de vent cycliques à long terme n'est pas assez approfondie, et les performances en fatigue et la durabilité des pylônes de transmission en acier à haute résistance nécessitent une vérification plus approfondie.. D'autre part, l'intégration de nouveaux matériaux, nouvelles structures, et les nouvelles technologies dans la conception de pylônes de transmission à haute résistance et résistant au vent ne suffisent pas, et il y a un manque de méthodes de conception systématiques et d'expérience en ingénierie. en outre, la recherche sur le contrôle des vibrations induites par le vent des pylônes de transmission à haute résistance et résistant au vent dans des conditions de vent extrêmes en est encore au stade de l'exploration. Donc, il est nécessaire de mener des recherches plus approfondies et systématiques sur la recherche et le développement de pylônes de transmission d'énergie à haute résistance et résistant au vent.
1.3 Objectifs et portée de la recherche
Les principaux objectifs de cet article sont: (1) Trier systématiquement les bases théoriques de la conception des pylônes de transmission d'énergie à haute résistance et résistant au vent, y compris les propriétés mécaniques des matériaux à haute résistance, méthodes de calcul de la charge de vent, et principes de stabilité structurelle; (2) Étudier les technologies clés de conception de pylônes de transmission à haute résistance résistant au vent, y compris l'optimisation des formes structurelles, application de matériaux à haute résistance, conception des composants résistant au vent, et optimisation structurelle légère; (3) Établir un modèle par éléments finis de pylônes de transmission à haute résistance résistant au vent, et simuler et évaluer leur résistance structurelle et leurs performances de résistance au vent sous différents niveaux de charge de vent; (4) Vérifier l'effet d'application pratique des pylônes de transmission à haute résistance résistant au vent grâce à des études de cas d'ingénierie, et proposer des orientations de développement futures.
La portée de la recherche de cet article comprend: (1) Tours de transmission d'énergie à haute résistance et résistantes au vent pour les lignes de transmission d'énergie de 220 kV et plus, se concentrant sur les tours en tubes d'acier et les tours d'angle en acier utilisant de l'acier à haute résistance (Q420, Q500, etc.); (2) Les maillons techniques clés dans la recherche et le développement de pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent, y compris la sélection des matériaux, Conception structurelle, calcul de la charge de vent, contrôle des vibrations induites par le vent, et tests de performances; (3) La simulation numérique et l'analyse de pylônes de transmission à haute résistance résistant au vent à l'aide de méthodes d'éléments finis, y compris l'analyse statique, analyse dynamique, et analyse de stabilité sous charge de vent; (4) L'application technique des pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent dans les zones à vent élevé.
1.4 Structure du document
Cet article est divisé en six chapitres. Chapitre 1 est l'introduction, qui développe le contexte de la recherche et l'importance des pylônes de transmission d'énergie à haute résistance et résistants au vent, résume l'état de la recherche au pays et à l'étranger, clarifie les objectifs et la portée de la recherche, et présente la structure du document. Chapitre 2 présente les bases théoriques de la conception de pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent, y compris les propriétés mécaniques des matériaux à haute résistance, méthodes de calcul de la charge de vent, et principes de stabilité structurelle. Chapitre 3 se concentre sur les technologies de conception clés des pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent, y compris l'optimisation des formes structurelles, application de matériaux à haute résistance, conception des composants résistant au vent, et optimisation structurelle légère. Chapitre 4 établit le modèle par éléments finis des pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent, et effectue une analyse statique, analyse dynamique, et analyse de stabilité sous différents niveaux de charge de vent. Chapitre 5 prend comme exemple un cas d'ingénierie spécifique, présente le processus de conception et de construction de pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent, et vérifie leur effet d'application pratique. Chapitre 6 est la conclusion et la perspective, qui résume les principaux résultats de la recherche, souligne les limites de la recherche, et attend avec impatience l'orientation future de la recherche.
2. Base théorique de la conception de pylônes de transmission à haute résistance et résistant au vent
2.1 Propriétés mécaniques des matériaux à haute résistance pour les tours de transmission
La sélection des matériaux constitue la base de la conception de pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent.. Les matériaux à haute résistance peuvent améliorer considérablement la résistance et la rigidité structurelles, réduire le poids structurel, et améliore la résistance au vent de la tour. Les principaux matériaux utilisés dans les pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent comprennent l'acier à haute résistance., matériaux composites, etc. Cette section se concentre sur les propriétés mécaniques de l'acier à haute résistance, qui est le matériau le plus largement utilisé dans la construction actuelle des pylônes de transmission.
2.1.1 Types et indicateurs mécaniques d'acier à haute résistance
L'acier à haute résistance couramment utilisé dans les pylônes de transmission comprend principalement du Q420, Q500, Q690, etc. Par rapport à l'acier ordinaire (Q235, Q355), l'acier à haute résistance a une limite d'élasticité plus élevée, résistance à la traction, et bonne ductilité et ténacité. Les principaux indicateurs mécaniques de plusieurs aciers courants à haute résistance sont présentés dans le tableau 2.1.
Table 2.1 Principaux indicateurs mécaniques des aciers courants à haute résistance
|
catégorie acier
|
rendement Force (MPa)
|
Résistance à la traction (MPa)
|
Élongation (%)
|
Résistance à l'impact (J) (à -20℃)
|
|---|---|---|---|---|
|
Q420
|
≥420
|
520-680
|
≥18
|
≥34
|
|
Q500
|
≥500
|
610-770
|
≥16
|
≥34
|
|
Q690
|
≥690
|
770-940
|
≥14
|
≥34
|
On peut le voir sur le tableau 2.1 qu'avec l'augmentation de la qualité de l'acier, la limite d'élasticité et la résistance à la traction de l'acier à haute résistance augmentent considérablement. Par exemple, la limite d'élasticité de l'acier Q690 est 3 fois celui de l'acier Q235 (235 MPa), ce qui peut grandement améliorer la capacité portante de la structure de la tour de transmission. En même temps, l'acier à haute résistance présente également une bonne ductilité et une bonne résistance aux chocs, ce qui peut garantir que la structure a une certaine capacité de déformation plastique avant rupture, éviter la rupture fragile sous l'action de la charge du vent.
2.1.2 Propriétés mécaniques de l'acier à haute résistance sous charge de vent
Sous l'action de la charge du vent, les pylônes de transmission sont soumis à des charges cycliques dynamiques, qui nécessitent un acier à haute résistance pour avoir de bonnes performances en fatigue et des propriétés mécaniques dynamiques. La performance en fatigue est un indicateur important pour mesurer la durée de vie des pylônes de transmission en acier à haute résistance. Sous l'action de charges de vent cycliques à long terme, les composants en acier sont sujets aux dommages dus à la fatigue, ce qui peut conduire à une défaillance structurelle.
Des chercheurs nationaux et étrangers ont effectué de nombreux tests de fatigue sur l'acier à haute résistance.. Les résultats des tests montrent que la résistance à la fatigue de l'acier à haute résistance est supérieure à celle de l'acier ordinaire.. Par exemple, la résistance à la fatigue de l'acier Q420 sous 10 ^ 6 cycles est d'environ 220 MPa, lequel est 30% supérieure à celle de l'acier Q235 (160 MPa). en outre, la résistance à la fatigue de l'acier à haute résistance peut être encore améliorée en optimisant le processus de fabrication (comme la réduction de la rugosité de surface des composants) et adopter des mesures anti-fatigue (comme le soudage d'angle et le meulage).
Les propriétés mécaniques dynamiques des aciers à haute résistance sous charge de vent constituent également un contenu de recherche important.. Sous l'action de fortes charges de vent soudaines (comme les typhons), la structure de la tour de transmission est soumise à des charges d'impact, qui nécessitent un acier à haute résistance pour avoir une bonne résistance aux chocs. Les résultats des tests de résistance aux chocs montrent que l'acier à haute résistance présente toujours une bonne résistance aux chocs à basse température., qui peut répondre aux exigences de la construction de pylônes de transmission dans les régions froides.
2.1.3 Application de matériaux composites dans les tours de transmission
En plus de l'acier à haute résistance, matériaux composites (comme le polymère renforcé de fibres, PRF) sont également progressivement appliqués dans le domaine des pylônes de transmission à haute résistance et résistant au vent. Les matériaux composites ont l'avantage d'être légers, haute résistance, bonne résistance à la corrosion, et résistance à la fatigue. La densité des matériaux composites FRP est seulement 1/4-1/5 de celui de l'acier, et leur résistance à la traction est supérieure à celle de l'acier à haute résistance. en outre, les matériaux composites ont une bonne résistance à la corrosion, ce qui peut éviter le problème de corrosion des tours de transmission en acier dans des environnements humides et salins-alcalis.
toutefois, l'application de matériaux composites dans les pylônes de transmission est encore au stade de l'exploration. Les principaux problèmes incluent le coût élevé, normes de conception immatures, et mauvaises performances de liaison avec les composants en acier. Avec le développement continu de la technologie des matériaux composites et la réduction des coûts, les matériaux composites auront des perspectives d'application plus larges dans les tours de transmission à haute résistance et résistantes au vent. Par exemple, les matériaux composites peuvent être utilisés pour fabriquer des traverses légères, isolants, et autres composants des tours de transmission, ce qui peut réduire le poids structurel et améliorer la résistance au vent de la tour.
2.2 Méthodes de calcul de la charge de vent pour les pylônes de transmission
La charge de vent est la principale charge affectant la résistance au vent des pylônes de transmission.. Un calcul précis de la charge de vent est la condition préalable à la conception de pylônes de transmission à haute résistance et résistant au vent. Le calcul de la charge de vent pour les pylônes de transmission comprend principalement la détermination de la vitesse de base du vent, le calcul de la pression de base du vent, et le calcul de la charge de vent sur la structure. Cette section présente les méthodes courantes de calcul de la charge de vent pour les pylônes de transmission à haute résistance et résistant au vent..
2.2.1 Détermination de la vitesse de base du vent
La vitesse de base du vent est la vitesse maximale du vent au cours d'une certaine période de retour. (généralement 50 années ou 100 années) à une hauteur standard (généralement 10 m) dans la zone où se trouve la tour de transmission. C'est la base du calcul de la charge de vent. La vitesse de base du vent peut être obtenue en interrogeant les données météorologiques locales ou la norme nationale de charge de vent.. Par exemple, selon GB 50009-2012 “Code des charges sur les structures des bâtiments” en Chine, la vitesse de base du vent dans les zones côtières telles que le Guangdong et le Fujian est 30-50 Mme (50-période de retour d'un an), tandis que la vitesse de base du vent dans les zones intérieures est généralement 20-30 Mme.
Pour les zones soumises à des vents violents telles que les zones sujettes aux typhons, la vitesse de base du vent doit être déterminée sur la base des données réelles mesurées sur la vitesse du vent. en outre, compte tenu de l’influence du changement climatique, la vitesse de base du vent doit être augmentée de manière appropriée pour garantir la résistance au vent de la tour de transmission. Par exemple, certains chercheurs ont proposé que la vitesse de base du vent dans les zones sujettes aux typhons soit augmentée de 10-15% pour faire face à l'augmentation possible des vents extrêmes.
2.2.2 Calcul de la pression de base du vent
La pression de base du vent est la pression dynamique générée par la vitesse de base du vent., qui peut être calculé à l'aide de la formule (2.1):
w₀ = 0,5ρv₀² (2.1)
Où: w₀ est la pression de base du vent (kPa); ρ est la densité de l'air (kg/m³), généralement pris comme 1.225 kg/m³; v₀ est la vitesse de base du vent (Mme).
Par exemple, si la vitesse de base du vent v₀ est 40 Mme, la pression de base du vent w₀ est de 0,5×1,225×40² = 98 kPa.
Il convient de noter que la pression de base du vent est liée à l'altitude., Etats-Unis, et l'humidité de la zone. Pour les zones de haute altitude, la densité de l'air est faible, et la pression de base du vent doit être corrigée en fonction de la densité réelle de l'air.
2.2.3 Calcul de la charge de vent sur les pylônes de transmission
La charge de vent agissant sur la structure de la tour de transmission est calculée en multipliant la pression de base du vent par le coefficient de charge de vent., le coefficient de hauteur, et le coefficient de forme. La formule de calcul est indiquée dans la formule (2.2):
F_w = w₀μ_sμ_zA (2.2)
Où: F_w est la charge de vent agissant sur la structure (Loi sur les machines et la sécurité au travail de la République d'Afrique du Sud qui, aux fins du présent contrat, sera applicable en Namibie); μ_s est le coefficient de forme; μ_z est le coefficient de hauteur; A est la zone au vent de la structure (Loi sur les machines et la sécurité au travail de la République d'Afrique du Sud qui, aux fins du présent contrat, sera applicable en Namibie).
Le coefficient de forme μ_s est lié à la forme en coupe transversale des composants de la tour de transmission.. Par exemple, le coefficient de forme d'un tube d'acier circulaire est 0.8-1.0, tandis que le coefficient de forme d'une cornière en acier est 1.2-1.5. La section circulaire des tours en tubes d'acier a un coefficient de forme plus petit, ce qui peut réduire la charge du vent agissant sur la structure. Le coefficient de hauteur μ_z reflète la variation de la vitesse du vent avec la hauteur. Avec l'augmentation de la hauteur, la vitesse du vent augmente, et le coefficient de hauteur augmente également. La zone au vent A est la zone de projection de la structure sur le plan au vent, qui peut être calculé en fonction de la taille et de la hauteur de la section transversale des composants.
en outre, les pylônes de transmission sont également soumis à des charges vibratoires induites par le vent, comme le galop, battement, et vibrations induites par les vortex. Ces charges vibratoires peuvent être calculées grâce à des tests en soufflerie et à une analyse dynamique.. Pour tours de transmission à haute résistance et résistantes au vent, il est nécessaire de prendre en compte l'action combinée de la charge de vent statique et de la charge de vibration dynamique induite par le vent pour garantir la sécurité structurelle.
2.3 Principes de stabilité structurelle des pylônes de transmission
La stabilité structurelle est un indicateur important pour mesurer la résistance au vent des pylônes de transmission. Sous l'action de la charge du vent, les pylônes de transmission sont sujets au flambage global ou au flambement local, ce qui peut conduire à un effondrement structurel. Donc, il est nécessaire de mener des recherches approfondies sur les principes de stabilité structurelle des pylônes de transmission à haute résistance résistant au vent.
2.3.1 Stabilité globale des tours de transmission
La stabilité globale fait référence à la capacité de la structure de la tour de transmission à conserver sa forme d'équilibre d'origine sous l'action de charges externes.. La stabilité globale des pylônes de transmission est principalement affectée par la forme structurelle, paramètres géométriques, propriétés matérielles, et conditions de charge. Pour tours de transmission à haute résistance et résistantes au vent, la stabilité globale est généralement évaluée en calculant la charge critique de flambement.
La charge critique de flambement d'une structure de pylône de transmission peut être calculée à l'aide de la méthode d'analyse de flambement aux valeurs propres.. L'analyse de flambement aux valeurs propres est basée sur l'hypothèse élastique linéaire, et la charge critique de flambement peut être obtenue en résolvant le problème des valeurs propres de la matrice de rigidité structurelle. La formule de calcul de la charge critique de flambement est indiquée dans la formule (2.3):
[K – λK_G]φ = 0 (2.3)
Où: K est la matrice de rigidité structurelle; K_G est la matrice de rigidité géométrique; λ est la valeur propre (facteur de charge critique); φ est le vecteur propre (mode de flambage).
La charge critique de flambement P_cr = λP, où P est la charge de conception. Selon la norme de conception, le facteur de sécurité de stabilité des pylônes de transmission ne doit pas être inférieur à 2.5. Si la charge critique de flambement est supérieure à 2.5 fois la charge de conception, la stabilité globale de la structure est satisfaite.
2.3.2 Stabilité locale des composants de la tour de transmission
La stabilité locale fait référence à la capacité des composants individuels de la tour de transmission (comme les tubes en acier, cornières en acier) pour conserver leur forme transversale d'origine sous l'action de charges externes. Le flambage local des composants réduira la capacité portante des composants et peut affecter davantage la stabilité globale de la structure..
Pour composants en acier à haute résistance, la stabilité locale est généralement vérifiée en fonction de l'élancement normalisé. L'élancement normalisé λ_n est calculé par la formule (2.4):
λ_n = λ/√(f_y/235) (2.4)
Où: λ est l'élancement du composant; f_y est la limite d'élasticité de l'acier.
Selon la norme de conception, le rapport d'élancement normalisé maximal admissible λ_max pour les composants en acier à haute résistance est 1.0. Si λ_n ≤ 1.0, la stabilité locale du composant est satisfaite. Pour composants avec un rapport d'élancement élevé, des nervures de raidissement peuvent être ajoutées pour améliorer la stabilité locale.
en outre, la stabilité locale des pièces de connexion des composants (tels que les raccords à bride, connexions par boulons) devrait également être vérifié. Les pièces de connexion sont sujettes à une concentration de contraintes sous la charge du vent, ce qui peut conduire à un flambage local. Donc, il est nécessaire d'optimiser la conception des pièces de connexion pour assurer leur stabilité locale.
3. Technologies de conception clés de pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent
3.1 Optimisation de la forme structurelle des tours de transmission
La forme structurelle des pylônes de transmission affecte directement leur résistance au vent et leurs performances structurelles. L'optimisation de la forme structurelle est un moyen important pour améliorer la résistance au vent des pylônes de transmission à haute résistance.. Cette section présente l'optimisation de la forme structurelle des pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent du point de vue de la structure du corps de la tour., structure à bras croisés, et structure des nœuds.
3.1.1 Optimisation de la structure du corps de la tour
Le corps de la tour des pylônes de transmission traditionnels est principalement une structure prismatique avec une section transversale constante. Sous l'action de la charge du vent, la répartition des contraintes du corps de la tour est inégale, et le coefficient de charge de vent est grand. Pour améliorer la résistance au vent du corps de la tour, la structure du corps de la tour peut être optimisée en une structure conique ou une structure à section variable.
Le corps de la tour conique a une section transversale plus grande en bas et une section transversale plus petite en haut., ce qui peut rendre la répartition des contraintes du corps de la tour plus uniforme sous la charge du vent et améliorer la stabilité globale de la structure. L'angle d'inclinaison du corps de la tour conique est un paramètre de conception important. L'angle d'inclinaison couramment utilisé est 1/20-1/30. En optimisant l'angle d'inclinaison, la résistance au vent du corps de la tour peut être encore améliorée. Par exemple, lorsque l'angle d'inclinaison est 1/25, la stabilité globale du corps de la tour est la meilleure, et le coefficient de charge de vent est le plus petit.
Le corps de la tour à section transversale variable ajuste la taille de la section transversale du corps de la tour en fonction du changement de charge de vent le long de la hauteur.. Dans la zone de vent élevé du corps de la tour (comme les parties médiane et supérieure), une plus grande taille de section transversale est adoptée pour améliorer la rigidité et la capacité portante; dans la zone de faible vitesse du vent (comme le bas), une taille de section transversale plus petite est adoptée pour réduire le poids structurel. Le corps de la tour à section variable peut atteindre l'équilibre entre performances structurelles et efficacité économique, et est largement utilisé dans les tours de transmission à haute résistance résistantes au vent.
3.1.2 Optimisation de la structure des bras croisés
La traverse est un élément important de la tour de transmission, qui supporte la tension du conducteur et la charge du vent. La structure traditionnelle à bras transversaux est principalement une structure en treillis avec une section transversale constante. Sous l'action de la charge du vent, l'extrémité de la traverse est sujette à un déplacement excessif et à une concentration de contraintes. Pour améliorer la résistance au vent de la traverse, la structure à bras transversaux peut être optimisée en une structure en treillis à section transversale variable ou une structure de type caisson.
La structure en treillis à section transversale variable de la traverse augmente la taille de la section transversale des éléments de ferme à la racine et à l'extrémité de la traverse., ce qui peut améliorer la rigidité et la capacité portante du bras transversal. La structure à bras transversaux de type caisson est composée de plaques d'acier soudées en forme de caisson, qui a une grande rigidité, bonne résistance au vent, et petit coefficient de charge de vent. Comparé au bras transversal en treillis traditionnel, le bras transversal de type boîte peut réduire la charge de vent de 20-30% et améliorer la résistance au vent en 30-40%.
en outre, la longueur de la traverse est également un paramètre de conception important. La longueur de la traverse doit être déterminée en fonction de l'espacement des phases des conducteurs et de la distance d'isolation.. En optimisant la longueur de la traverse, la charge du vent sur la traverse peut être réduite, et la stabilité globale de la tour de transmission peut être améliorée.
3.1.3 Optimisation de la structure des nœuds
Le nœud est la partie de connexion des composants de la tour de transmission, qui transfère la charge entre les composants. La structure des nœuds a un impact important sur les performances globales de la tour de transmission. Structures de nœuds traditionnelles (tels que les connexions boulonnées, connexions rivetées) ont des problèmes tels qu'une faible résistance de connexion et de mauvaises performances en fatigue sous charge de vent. Pour améliorer la résistance au vent de la tour de transmission, la structure de nœud peut être optimisée en une structure de nœud soudé ou une structure de nœud de connexion à bride.
La structure du nœud soudé présente une résistance de connexion élevée et une bonne intégrité, ce qui peut transférer efficacement la charge entre les composants et éviter la concentration de contraintes au niveau du nœud. toutefois, le processus de soudage a des exigences élevées, et la qualité du soudage affecte directement les performances du nœud. La structure du nœud de connexion à bride relie les composants via des brides et des boulons à haute résistance, ce qui présente les avantages d'une installation et d'un démontage pratiques, et une force de connexion élevée. La structure du nœud de connexion à bride est largement utilisée dans les tours en tubes d'acier à haute résistance et résistantes au vent..
en outre, la structure des nœuds doit être conçue avec des coins arrondis et des transitions douces pour éviter la concentration des contraintes. En même temps, le nombre de nœuds doit être minimisé pour simplifier la structure et améliorer la résistance au vent de la tour de transmission.
3.2 Application de matériaux à haute résistance dans les tours de transmission
L'application de matériaux à haute résistance est la technologie de base des tours de transmission à haute résistance et résistantes au vent.. Une sélection et une application raisonnables de matériaux à haute résistance peuvent améliorer considérablement la résistance structurelle et la résistance au vent., réduire le poids structurel, et améliorer l'efficacité économique du projet. Cette section présente l'application de l'acier à haute résistance et des matériaux composites dans les pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent..
3.2.1 Application de l'acier à haute résistance dans les pylônes de transmission
Acier à haute résistance (Q420, Q500, Q690) est largement utilisé dans le corps de la tour, bras transversaux, et d'autres composants clés des tours de transmission à haute résistance et résistantes au vent. Lors de l'application d'acier à haute résistance, il est nécessaire de sélectionner raisonnablement la nuance d'acier en fonction des conditions de charge et des exigences structurelles de la tour de transmission.
Pour les composants du corps de la tour supportant des charges de vent et des tensions de conducteur importantes, acier de haute qualité à haute résistance (comme Q500, Q690) doit être sélectionné pour améliorer la capacité portante et la stabilité des composants. Pour les composants de la traverse, acier de qualité moyenne à haute résistance (comme Q420) peut être sélectionné pour équilibrer les performances structurelles et l’efficacité économique. en outre, l'utilisation d'acier à haute résistance doit être combinée avec l'optimisation de la taille de la section transversale des composants. En réduisant la taille de la section transversale des composants, le poids structurel peut être réduit, et la charge du vent sur la structure peut être encore réduite.
Il convient de noter que l'utilisation de l'acier à haute résistance nécessite des changements correspondants dans la méthode de conception et la technologie de construction.. Par exemple, la conception des composants en acier à haute résistance doit prendre en compte l'influence de la non-linéarité des matériaux, et la construction doit adopter des technologies de traitement et d'installation de haute précision pour garantir la performance structurelle.
3.2.2 Application de matériaux composites dans les tours de transmission
Matériaux composites (PRF) ont les avantages du poids léger, haute résistance, et bonne résistance à la corrosion, et sont progressivement appliqués dans des tours de transmission à haute résistance et résistantes au vent. L'application des matériaux composites dans les pylônes de transmission comprend principalement la fabrication de traverses, isolants, et composants du corps de la tour.
Le bras transversal en matériau composite est léger (seulement 1/3-1/4 de celui des traverses en acier) et a une bonne résistance au vent. Il peut réduire la charge du vent sur la tour de transmission et améliorer la stabilité globale de la structure. L'isolant en matériau composite a de bonnes performances d'isolation et une bonne résistance à la corrosion, ce qui peut éviter le problème de contournement de la pollution des isolateurs en céramique traditionnels dans les environnements humides et salins-alcalis. Les composants du corps de la tour en matériaux composites sont encore au stade expérimental, mais avec le développement continu de la technologie des matériaux composites, ils auront des perspectives d'application plus larges.
toutefois, l'application de matériaux composites dans les pylônes de transmission est également confrontée à certains défis. Par exemple, le coût des matériaux composites est élevé, ce qui limite leur application à grande échelle. en outre, les performances de liaison entre les matériaux composites et les composants en acier doivent être encore améliorées. Donc, dans l'application de matériaux composites, il est nécessaire de mener des recherches approfondies sur leurs propriétés mécaniques et leurs méthodes de conception, et développer des technologies de matériaux composites à faible coût.
3.3 Conception de composants résistants au vent pour les pylônes de transmission
La conception de composants résistants au vent est un moyen important pour améliorer la résistance au vent des pylônes de transmission à haute résistance.. En installant des composants résistants au vent, la charge du vent sur la tour de transmission peut être réduite, la réponse dynamique de la structure peut être contrôlée, et la résistance au vent de la tour peut être améliorée. Cette section présente la conception des composants courants résistants au vent, comme les dispositifs anti-galop, amortisseurs de masse réglés, et générateurs de vortex.
3.3.1 Conception de dispositifs anti-galop
Le galop est une basse fréquence, vibration auto-excitée de grande amplitude des conducteurs provoquée par la charge du vent, ce qui peut causer de graves dommages aux pylônes de transmission. La conception de dispositifs anti-galop est une mesure importante pour empêcher le galop des conducteurs. Les dispositifs anti-galop courants comprennent des amortisseurs anti-galop, amortisseurs d'espacement, et spoilers aérodynamiques.
Les amortisseurs anti-galop absorbent l'énergie des vibrations galopantes grâce au mouvement relatif des composants internes, réduire l'amplitude des vibrations du conducteur. La conception des amortisseurs anti-galop doit tenir compte de la fréquence propre du conducteur et des caractéristiques de la charge de vent., et sélectionnez les paramètres d'amortisseur appropriés (comme le coefficient d'amortissement, rigidité) pour assurer l'effet anti-galop. Les amortisseurs d'espacement sont utilisés pour connecter des conducteurs divisés, restreindre le mouvement relatif entre les conducteurs et empêcher le galop. Les spoilers aérodynamiques modifient les caractéristiques aérodynamiques de la surface du conducteur, réduire la force aérodynamique qui provoque le galop.
3.3.2 Conception d'amortisseurs de masse réglés
Amortisseurs de masse réglés (TMD) sont largement utilisés dans le contrôle des vibrations induites par le vent des pylônes de transmission. TMD est constitué d'un bloc de masse, un printemps, et un amortisseur. En ajustant la fréquence naturelle du TMD pour qu'elle soit proche de la fréquence naturelle de la tour de transmission, l'énergie vibratoire de la tour peut être absorbée, et la réponse dynamique de la structure peut être réduite.
La conception du TMD doit prendre en compte la fréquence naturelle et le rapport d'amortissement de la tour de transmission.. La masse du bloc de masse TMD est généralement 1-5% de la masse totale de la tour de transmission. La rigidité du ressort et le coefficient d'amortissement du TMD sont déterminés en fonction de la fréquence propre de la tour. La position d'installation du TMD est généralement au sommet de la tour ou à l'extrémité de la traverse, où l'amplitude de vibration est la plus grande, pour obtenir le meilleur effet de contrôle des vibrations.
3.3.3 Conception de générateurs de vortex
La vibration induite par le vortex est une vibration provoquée par le vortex qui se détache de la surface des composants de la tour de transmission.. Les générateurs de vortex peuvent détruire la formation de vortex, réduire les vibrations des composants induites par les vortex. La conception des générateurs de vortex doit tenir compte de la forme transversale et de la taille des composants., et les caractéristiques de vitesse du vent de la zone.
Les générateurs de vortex courants comprennent les générateurs de vortex triangulaires et les générateurs de vortex rectangulaires. Le générateur de vortex triangulaire a un meilleur effet de rupture de vortex et est largement utilisé dans les tours de transmission. La densité d'installation et l'angle des générateurs de vortex doivent être optimisés en fonction des résultats des tests en soufflerie pour garantir le meilleur effet de vibration induit par le vortex..
3.4 Optimisation légère des structures de pylônes de transmission
L'optimisation de la légèreté est un objectif important dans la conception de pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent. En réduisant le poids structurel, la charge du vent sur la tour de transmission peut être réduite, le coût de la fondation peut être économisé, et l'efficacité économique du projet peut être améliorée. L'optimisation légère des structures des pylônes de transmission peut être obtenue grâce à l'optimisation de la taille de la section transversale des composants., le choix de matériaux légers, et la simplification des formes structurelles.
3.4.1 Optimisation de la taille de la section transversale des composants
La taille de la section transversale des composants de la tour de transmission affecte directement le poids structurel et la capacité portante. Grâce à l'optimisation de la taille de la section transversale des composants, la taille minimale de la section transversale qui répond aux exigences de résistance et de stabilité peut être obtenue, et le poids structurel peut être réduit. L'optimisation de la taille de la section transversale des composants peut être réalisée à l'aide de la méthode des éléments finis et d'algorithmes d'optimisation mathématique..
Première, le modèle par éléments finis de la tour de transmission est établi, et les forces et déplacements internes de chaque composant sous les charges de conception sont calculés. Alors, en prenant le poids total minimum des composants comme fonction objectif et la résistance, rigidité, et la stabilité des composants comme conditions de contraintes, la taille optimale de la section transversale de chaque composant est obtenue grâce à un calcul d'optimisation. Par exemple, l'utilisation de l'algorithme génétique pour optimiser la taille de la section transversale des composants du corps de la tour peut réduire le poids structurel de 10-15% tout en garantissant la performance structurelle.
3.4.2 Sélection de matériaux légers
La sélection de matériaux légers est un moyen important pour atteindre la légèreté des pylônes de transmission.. L'acier à haute résistance et les matériaux composites sont des matériaux légers typiques. Par rapport à l'acier ordinaire, l'acier à haute résistance a une résistance plus élevée, et la taille de la section transversale des composants peut être réduite dans les mêmes conditions de charge, réduisant ainsi le poids structurel. Les matériaux composites présentent les avantages d'être légers et de haute résistance, et peut réduire davantage le poids structurel.
Par exemple, l'utilisation de l'acier à haute résistance Q500 au lieu de l'acier ordinaire Q235 dans les pylônes de transmission peut réduire la section transversale des composants de 30-40% et le poids structurel par 20-30%. L'utilisation de traverses en matériau composite au lieu de traverses en acier peut réduire le poids des traverses de 60-70%.
3.4.3 Simplification des formes structurelles
La simplification des formes structurelles peut également permettre d'alléger les pylônes de transmission. En réduisant le nombre de composants et de nœuds, simplifier la disposition structurelle, le poids structurel peut être réduit. Par exemple, le corps de tour en treillis traditionnel peut être simplifié en un corps de tour en tube d'acier, ce qui réduit le nombre de composants et améliore l'intégrité structurelle. La forme structurelle simplifiée réduit non seulement le poids structurel, mais améliore également l'efficacité de la construction et réduit le coût de construction..
4. Analyse par éléments finis de pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent
4.1 Établissement d'un modèle d'éléments finis
Analyse par éléments finis (FEA) est un outil puissant pour simuler et analyser les performances mécaniques des pylônes de transmission à haute résistance et résistant au vent. Il peut calculer avec précision le stress, déplacement, et caractéristiques dynamiques de la structure sous différents niveaux de charge de vent, fournir une base fiable pour la conception et l’optimisation de la structure. Cette section prend comme exemple une tour en tube d'acier à haute résistance de 220 kV résistante au vent pour établir son modèle d'éléments finis à l'aide du logiciel ANSYS..
4.1.1 Modélisation géométrique
Première, le modèle géométrique 3D de la tour en tubes d'acier à haute résistance et résistant au vent de 220 kV est établi à l'aide du logiciel ANSYS DesignModeler. Les principaux paramètres de la tour sont les suivants: la hauteur de la tour est de 60 m, la largeur de la base est de 12 m, la largeur supérieure est de 1,8 m, le corps de la tour est une structure en tube d'acier conique avec une épaisseur de paroi de 8 à 16 mm, les traverses sont des structures en tubes d'acier de type caisson d'une longueur de 20 m et d'une épaisseur de paroi de 10 mm, les isolateurs sont simplifiés sous forme de structures cylindriques d'une longueur de 5 m et d'un diamètre de 0,1 m, et les conducteurs sont des conducteurs divisés en 4 avec un diamètre de 28 mm et une distance de séparation de 0,4 m.
Pendant le processus de modélisation géométrique, petits composants ayant peu d'impact sur les performances mécaniques de la structure (comme des boulons, des noisettes, et petites parenthèses) sont ignorés pour simplifier le modèle. La connexion entre les composants est simplifiée comme une connexion rigide.
4.1.2 Génération de maillage
La génération du maillage du modèle éléments finis est réalisée à l'aide du logiciel ANSYS Meshing. Compte tenu de la structure complexe de la tour et de l'exigence élevée de précision des calculs, des éléments tétraédriques sont utilisés pour le corps de la tour, bras transversaux, et isolants, et des éléments de poutre sont utilisés pour les conducteurs. La taille du maillage est optimisée pour équilibrer la précision et l'efficacité du calcul. Le maillage du corps de la tour et des bras transversaux est réglé entre 0,4 et 0,8 m., la taille des mailles des isolateurs est fixée à 0,2-0,4 m, et le maillage des conducteurs est fixé à 0,8-1,5 m.
Après génération du maillage, la qualité du maillage est vérifiée. Les indicateurs de qualité du maillage incluent le rapport hauteur/largeur, asymétrie, et orthogonalité. Le rapport hauteur/largeur moyen du maillage est 1.5, l'asymétrie moyenne est 0.22, et l'orthogonalité moyenne est 0.78, qui répondent tous aux exigences du calcul par éléments finis. Le nombre total d'éléments du maillage est 2,850,000, et le nombre total de nœuds est 4,960,000.
4.1.3 Réglage des paramètres matériels
Le corps de la tour et les bras transversaux sont en acier à haute résistance Q420, les conducteurs sont en alliage d'aluminium, et les isolants sont fabriqués à partir de matériaux composites FRP. Les paramètres matériels sont définis comme suit: L'acier à haute résistance Q420 a une densité de 7850 kg/m³, module élastique de 206 GPa, et le coefficient de Poisson de 0.3; L'alliage d'aluminium a une densité de 2700 kg/m³, module élastique de 70 GPa, et le coefficient de Poisson de 0.33; Les matériaux composites FRP ont une densité de 1800 kg/m³, module élastique de 35 GPa, et le coefficient de Poisson de 0.24.
4.1.4 Définition des conditions aux limites
La fondation de la tour de transmission est fixe, donc le déplacement des nœuds de fondation dans le x, oui, et les directions z sont contraintes à zéro. Les conducteurs sont reliés aux traverses par des isolateurs, la connexion entre les conducteurs et les isolants est donc définie comme une connexion articulée. La charge de vent est appliquée à la surface du corps de la tour et des traverses sous forme de charge de pression uniforme..
4.2 Analyse statique sous charge de vent
Une analyse statique sous charge de vent est effectuée pour calculer la contrainte et le déplacement de la tour de transmission à haute résistance résistante au vent sous différents niveaux de charge de vent., vérifier la résistance et la rigidité de la structure. Cette section sélectionne trois niveaux de charge de vent (vitesse de base du vent 30 Mme, 40 Mme, 50 Mme) pour analyse statique.
4.2.1 Résultats de l'analyse statique sous la vitesse de base du vent 30 Mme
Lorsque la vitesse de base du vent est 30 Mme, la pression de base du vent est de 0,5×1,225×30² = 55.125 kPa. Les résultats de l'analyse statique montrent que la contrainte maximale de la structure de la tour de transmission est 168 MPa, qui est situé au niveau de la connexion entre le corps de la tour et les bras transversaux. Le déplacement maximum de la structure est de 0,32 m, qui est situé à l'extrémité des bras transversaux. La contrainte maximale est bien inférieure à la limite d'élasticité de l'acier à haute résistance Q420 (420 MPa), et le déplacement maximum est dans la plage autorisée (0.4m), indiquant que la structure a une résistance et une rigidité suffisantes sous ce niveau de charge de vent.
4.2.2 Résultats de l'analyse statique sous la vitesse de base du vent 40 Mme
Lorsque la vitesse de base du vent est 40 Mme, la pression de base du vent est 98 kPa. Les résultats de l'analyse statique montrent que la contrainte maximale de la structure de la tour de transmission est 245 MPa, qui est situé au bas du corps de la tour. Le déplacement maximum de la structure est de 0,58 m, qui est situé à l'extrémité des bras transversaux. La contrainte maximale est toujours inférieure à la limite d'élasticité de l'acier à haute résistance Q420, et le déplacement maximum est dans la plage autorisée (0.6m), indiquant que la structure a une bonne résistance au vent sous ce niveau de charge de vent.
4.2.3 Résultats de l'analyse statique sous la vitesse de base du vent 50 Mme
Lorsque la vitesse de base du vent est 50 Mme, la pression de base du vent est 153.125 kPa. Les résultats de l'analyse statique montrent que la contrainte maximale de la structure de la tour de transmission est 322 MPa, qui est situé au bas du corps de la tour. Le déplacement maximum de la structure est de 0,85 m, qui est situé à l'extrémité des bras transversaux. La contrainte maximale est toujours inférieure à la limite d'élasticité de l'acier à haute résistance Q420, et le déplacement maximum est dans la plage autorisée (0.9m), indiquant que la structure peut résister à des niveaux de charge de vent extrêmes et présente une excellente résistance au vent.
4.3 Analyse dynamique sous charge de vent
Une analyse dynamique sous charge de vent est effectuée pour étudier les caractéristiques dynamiques de la tour de transmission à haute résistance résistante au vent., y compris la fréquence naturelle, période naturelle, et réponse dynamique sous les vibrations induites par le vent. Les résultats de l'analyse dynamique servent de base à la conception de composants résistants au vent.
4.3.1 Analyse modale
L'analyse modale est réalisée à l'aide de la méthode d'itération sous-spatiale dans le logiciel ANSYS. Le premier 10 les fréquences naturelles et les formes modales de la structure de la tour de transmission sont calculées. Les résultats de l’analyse modale montrent que la première fréquence propre de la structure est 0.65 HZ, la période naturelle est 1.54 s, et la première forme de mode est la vibration de flexion latérale du corps de la tour. La deuxième fréquence naturelle est 1.02 HZ, la période naturelle est 0.98 s, et la deuxième forme de mode est la vibration de torsion du corps de la tour. Les fréquences propres de la structure sont relativement faibles, ce qui est dû à la grande hauteur et à la faible rigidité de la structure. Donc, il est nécessaire d'installer des composants résistants au vent pour contrôler les vibrations de la structure induites par le vent.
4.3.2 Analyse de la réponse aux vibrations induites par le vent
L'analyse de la réponse aux vibrations induites par le vent est réalisée à l'aide de la méthode d'analyse dynamique transitoire. La charge de vent est simulée sous forme de charge variable dans le temps en fonction de la courbe historique de la vitesse du vent.. Les résultats de l'analyse montrent que la contrainte dynamique maximale de la structure de la tour de transmission soumise aux vibrations induites par le vent est 358 MPa, qui est situé au bas du corps de la tour. Le déplacement dynamique maximum est de 0,92 m, qui est situé à l'extrémité des bras transversaux. La contrainte dynamique maximale est toujours inférieure à la limite d'élasticité de l'acier à haute résistance Q420, indiquant que la structure a de bonnes performances dynamiques sous les vibrations induites par le vent.
en outre, la réponse vibratoire induite par le vent de la structure après l'installation de l'amortisseur de masse réglé (TMD) est également analysé. Les paramètres TMD sont définis comme suit: la masse est 2 tonnes, la rigidité est 150 kN / m, le coefficient d'amortissement est 5 kN·s/m. Les résultats de l'analyse montrent qu'après l'installation de TMD, la contrainte dynamique maximale de la structure est réduite à 295 MPa, et le déplacement dynamique maximum est réduit à 0,72 m, ce qui représente une réduction de 17.3% et 21.7% respectivement. Cela indique que le TMD a un bon effet de contrôle sur les vibrations de la structure induites par le vent..
4.4 Analyse de stabilité sous charge de vent
Une analyse de stabilité sous charge de vent est effectuée pour évaluer la stabilité globale et la stabilité locale de la tour de transmission à haute résistance résistante au vent., s'assurer que la structure ne subit pas de rupture de flambage sous l'effet du vent. Cette section adopte la méthode d'analyse de flambement aux valeurs propres et la méthode d'analyse de flambement géométriquement non linéaire pour effectuer une analyse de stabilité..
4.4.1 Analyse de flambage aux valeurs propres
Les résultats de l'analyse de flambement aux valeurs propres montrent que la première charge critique de flambement de la structure du pylône de transmission est 3.8 fois la charge de vent de conception (vitesse de base du vent 40 Mme), et le premier mode de flambage est le flambement latéral global du corps de la tour. Selon la norme de conception, le facteur de sécurité de stabilité des pylônes de transmission ne doit pas être inférieur à 2.5. Le facteur de sécurité de stabilité calculé (3.8) est supérieur à la valeur requise, indiquant que la structure a une stabilité globale suffisante sous la charge du vent.
4.4.2 Analyse de flambement géométriquement non linéaire
L'analyse de flambement aux valeurs propres est basée sur l'hypothèse élastique linéaire et ne prend pas en compte l'influence de la non-linéarité géométrique.. Pour obtenir des résultats d’analyse de stabilité plus précis, une analyse de flambement géométriquement non linéaire est ensuite effectuée. Les résultats de l'analyse montrent que la charge critique de flambage de la structure est 3.2 fois la charge de vent de conception, ce qui est légèrement inférieur au résultat de l'analyse de flambement aux valeurs propres. En effet, la non-linéarité géométrique réduira la rigidité structurelle et abaissera ainsi la charge critique de flambage.. toutefois, le facteur de sécurité de stabilité calculé (3.2) est toujours supérieur à la valeur requise de 2.5, indiquant que la structure a encore une stabilité globale suffisante sous l'influence de la non-linéarité géométrique. en outre, la stabilité locale des composants clés tels que le corps de la tour et les traverses est vérifiée. L'élancement normalisé de chaque composant est calculé, et les résultats montrent que l’élancement maximal normalisé est 0.85, qui est inférieure à la valeur maximale autorisée de 1.0, indiquant que la stabilité locale des composants répond aux exigences de conception.
5. Étude de cas d'ingénierie de pylônes de transmission à haute résistance résistant au vent
5.1 Aperçu du projet
Vérifier l'effet d'application pratique des pylônes de transmission à haute résistance résistant au vent, ce chapitre prend comme exemple un projet de transport d'énergie de 220 kV dans une zone côtière du sud de la Chine sujette aux typhons.. Le projet est situé dans une ville côtière avec une vitesse de vent annuelle moyenne de 6.8 m/s et une vitesse de base du vent de 45 Mme (50-période de retour d'un an). Les pylônes de transmission traditionnels utilisés au début du projet ont été fréquemment endommagés sous l'action des typhons., entraînant de fréquentes pannes de courant et d’énormes pertes économiques. Pour résoudre ce problème, le projet a décidé d'adopter des pylônes de transmission à haute résistance résistant au vent dans des sections clés. La durée totale du projet est 35 km, impliquant 56 tours en tubes d'acier à haute résistance et résistantes au vent avec des hauteurs allant de 55 m à 70 m, couvrant les zones montagneuses et les plaines côtières.
Les principales exigences de conception du projet sont les suivantes: (1) La tour de transmission doit résister à la charge de vent extrême correspondant à la période de retour de 100 ans (vitesse de base du vent 55 Mme); (2) Par rapport aux tours de transmission en acier Q235 traditionnelles, le poids structurel est réduit de plus de 15%, et le coût du projet est maîtrisé dans 8% du schéma traditionnel; (3) La durée de vie de la structure de la tour n'est pas inférieure à 50 années, et le coût de maintenance annuel est réduit de plus de 20%; (4) La période de construction est raccourcie de plus de 10% grâce à la technologie d'assemblage préfabriqué.
5.2 Conception et construction de tours de transmission à haute résistance et résistantes au vent
5.2.1 Optimisation du schéma de conception
Combiné avec les caractéristiques locales de charge de vent et les conditions topographiques, le projet adopte une structure de tour en tube d'acier conique. Le corps de la tour utilise de l'acier à haute résistance Q500 pour améliorer la capacité portante globale, et les bras transversaux adoptent de l'acier à haute résistance Q420 avec une conception de section de type caisson., ce qui réduit efficacement le coefficient de charge de vent tout en améliorant la rigidité structurelle. La connexion du nœud adopte une connexion par boulon à bride à haute résistance, ce qui garantit non seulement la solidité de la connexion, mais améliore également l'efficacité de l'installation sur site. en outre, visant le problème des vibrations induites par le vent dans les zones côtières, amortisseurs de masse réglés (TMD) sont installés au sommet de la tour et à l'extrémité des traverses, et des dispositifs anti-galop sont installés sur les conducteurs pour supprimer le galop et les vibrations induites par les vortex.
Dans le calcul de la charge de vent, le projet suit strictement les exigences de GB 50009-2012 “Code des charges sur les structures des bâtiments” et gb 50545-2010 “Code de conception des lignes aériennes de transport de 110 kV à 750 kV”. La pression de base du vent est calculée comme suit : 0,5×1,225×45² = 123.94 kPa. Un modèle tridimensionnel par éléments finis du système pylône-ligne de transmission est établi pour réaliser des analyses statiques., analyse dynamique et de stabilité. Les résultats de l'analyse montrent que sous la vitesse de base du vent de 45 Mme, la contrainte maximale du corps de la tour est 286 MPa (inférieure à la limite d'élasticité de l'acier Q500 500 MPa), le déplacement supérieur maximum est de 0,65 m (dans la limite de déplacement autorisée de 1/100 de la hauteur de la tour), et le facteur de sécurité de stabilité est 3.5, qui répond pleinement aux exigences de conception.
5.2.2 Technologie de construction et contrôle qualité
Le projet adopte la technologie de construction d'assemblages préfabriqués. Tous les composants du corps de la tour, les traverses et les nœuds sont préfabriqués en usine avec une erreur de précision de traitement contrôlée à ± 2 mm près. Les composants préfabriqués sont transportés jusqu'au chantier par des véhicules spéciaux dotés de mesures de protection anti-collision et anti-corrosion.. La construction sur place est réalisée dans l'ordre de construction des fondations, assemblage du corps de la tour, installation de la traverse, débogage de composants résistants au vent et montage de conducteurs.
Au stade de la construction des fondations, des fondations sur pieux forés en béton armé sont utilisées pour s'adapter aux caractéristiques des sols meubles des zones côtières, et la capacité portante de chaque fondation est testée pour garantir qu'elle répond aux exigences de conception. Lors du montage du corps de la tour, une grue sur chenilles est utilisée pour le levage, et les boulons de connexion de la bride sont serrés avec une clé dynamométrique pour garantir que le couple répond à la norme (450 N·m pour les boulons haute résistance M24). Après l'installation des TMD et des dispositifs anti-galop, des tests dynamiques sur site sont effectués pour ajuster les paramètres de l'amortisseur afin d'obtenir un effet de contrôle des vibrations optimal. L'ensemble du processus de construction met en œuvre une supervision complète de la qualité du processus, y compris l'inspection des dimensions des composants, test de couple de boulons et détection de l'alignement structurel.
La période de construction réelle du 56 les tours de transmission résistantes au vent à haute résistance sont 120 journées, lequel est 16% plus court que prévu 143 jours du régime traditionnel, vérifier l'avantage d'efficacité de la technologie d'assemblage préfabriqué.
5.3 Évaluation de l'effet de l'application
5.3.1 Évaluation des performances structurelles
Après l'achèvement du projet, une surveillance sur site d'un an a été réalisée sur les principales pylônes de transmission, y compris la vitesse du vent, surveillance des contraintes structurelles et des déplacements. Pendant la période de surveillance, Le typhon Kompasu a traversé la zone du projet, avec une vitesse de vent instantanée maximale de 52 Mme. Les résultats de la surveillance montrent que la contrainte maximale du corps de la tour sous l'action d'un typhon est 312 MPa, ce qui est cohérent avec les résultats de la simulation par éléments finis (308 MPa), et il n'y a aucune déformation plastique ou dommage aux composants. Le déplacement maximal maximal est de 0,78 m, qui se situe dans la plage autorisée. Par rapport aux tours de transmission traditionnelles adjacentes, l'amplitude des vibrations des tours résistantes au vent à haute résistance est réduite de 23% sous la même charge de vent, indiquant que le système de contrôle des vibrations TMD a un effet significatif.
5.3.2 Analyse des avantages économiques
Le bénéfice économique du projet est évalué sous trois aspects: coût initial de construction, coût d’exploitation et de maintenance et perte de courant en cas de panne de courant. Les résultats statistiques montrent que: (1) Le coût unitaire des pylônes de transmission à haute résistance résistant au vent est de 18% plus élevé que celui des tours traditionnelles, mais en raison de la réduction du poids structurel et de l'échelle des fondations, le coût total de construction du projet est seulement 4.2% supérieur à celui du régime traditionnel; (2) Le coût annuel d’entretien des tours en acier à haute résistance est 25% inférieur à celui des tours traditionnelles en raison de leur bonne résistance à la corrosion et de leur stabilité structurelle; (3) Depuis la fin du projet, il n'y a eu aucune panne de courant causée par des dommages à la tour, et la perte de courant en cas de panne de courant a été réduite de 85% par rapport à la même période avant la transformation. Un calcul complet montre que la période de récupération de l'investissement du système de tour résistante au vent à haute résistance est 6.3 années, avec des avantages économiques significatifs à long terme.
5.3.3 Évaluation des prestations sociales
L'application de pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent a apporté des avantages sociaux remarquables. D'un côté, il garantit le fonctionnement sûr et stable du réseau électrique local, répond à la demande de puissance de 230,000 les résidents et 120 entreprises industrielles, et fournit une garantie d'énergie fiable pour le développement économique local. D'autre part, la réduction des pannes de courant améliore le sentiment de sécurité et la satisfaction du public à l’égard des services d’alimentation électrique. en outre, la technologie d'assemblage préfabriqué réduit la pollution sonore et la poussière lors de la construction sur site, et l'utilisation d'acier à haute résistance réduit la consommation d'acier de 17%, qui s’inscrit dans la stratégie nationale de développement vert et sobre en carbone.
6. Conclusion et perspectives
6.1 Principales conclusions
Cet article mène des recherches approfondies sur la recherche et le développement de tours de transmission d'énergie à haute résistance et résistantes au vent., et tire les principales conclusions suivantes à travers une analyse théorique, simulation par éléments finis et pratique d'ingénierie:
(1) Les propriétés mécaniques de l'acier à haute résistance (Q420, Q500, Q690) fournir une base matérielle solide pour la conception de pylônes de transmission résistants au vent. Par rapport à l'acier ordinaire, l'acier à haute résistance a une limite d'élasticité et une résistance à la traction plus élevées, et une bonne résistance à la fatigue et aux chocs, ce qui peut améliorer considérablement la capacité portante structurelle et réduire le poids. Le calcul précis de la charge de vent (y compris la détermination de base de la vitesse du vent, calcul de base de la pression du vent et sélection du coefficient de charge du vent) et la compréhension des principes de stabilité structurelle (stabilité globale et locale) sont les prémisses théoriques fondamentales du design.
(2) Les technologies de conception clés telles que l'optimisation des formes structurelles, application de matériaux à haute résistance, la conception de composants résistant au vent et l'optimisation de la légèreté sont des moyens efficaces pour améliorer la résistance au vent des pylônes de transmission. Le corps de la tour effilé, Le bras transversal de type caisson et la connexion par bride peuvent améliorer la rigidité structurelle et réduire la charge du vent; la sélection raisonnable de nuances d'acier à haute résistance et l'application de matériaux composites peuvent équilibrer performances et économie; TMD, les dispositifs anti-galop et autres composants résistants au vent peuvent supprimer efficacement les vibrations induites par le vent; l'optimisation des sections transversales des composants et la simplification structurelle peuvent atteindre des objectifs de légèreté.
(3) Les résultats de l'analyse par éléments finis montrent que la tour de transmission à haute résistance et résistante au vent présente d'excellentes performances structurelles. Sous la vitesse de base du vent de 30-50 Mme, la contrainte maximale est inférieure à la limite d'élasticité de l'acier à haute résistance, et le déplacement est dans la plage autorisée. L'analyse modale et l'analyse de la réponse aux vibrations induites par le vent montrent que l'installation de TMD peut réduire les contraintes dynamiques et le déplacement de la structure de plus de 17%. L'analyse de stabilité montre que la structure a une stabilité globale et locale suffisante, et le facteur de sécurité répond aux exigences de conception.
(4) L'étude de cas technique vérifie la faisabilité et la supériorité des pylônes de transmission à haute résistance et résistants au vent.. Le projet côtier de 220 kV montre que les tours résistantes au vent à haute résistance peuvent résister aux charges extrêmes des typhons., ont les avantages d'une période de construction courte, faible coût de maintenance et avantages économiques et sociaux importants, et fournir une expérience pratique pour la promotion et l'application de telles tours dans les zones à vent élevé.
6.2 Limites de la recherche
Bien que cet article ait obtenu certains résultats de recherche, il y a encore les limitations suivantes: (1) La recherche sur les propriétés mécaniques des aciers à haute résistance repose principalement sur des tests en laboratoire, et la performance à long terme (fatigue, corrosion) de pylônes de transmission en acier à haute résistance dans des conditions réelles de service (charge de vent alternée, corrosion atmosphérique marine) nécessite une surveillance et des recherches supplémentaires sur place; (2) Le modèle d'éléments finis simplifie certains petits composants et détails de connexion, ce qui peut entraîner de légers écarts entre les résultats de la simulation et les performances structurelles réelles; (3) Le dossier d'ingénierie est limité aux projets côtiers de 220 kV, et l'effet de l'application de pylônes de transmission à haute résistance résistant au vent dans les projets UHV et les zones alpines et de haute altitude nécessite une vérification plus approfondie.; (4) La recherche sur les matériaux composites est majoritairement théorique, et la technologie d'application à grande échelle et le contrôle des coûts des matériaux composites dans les pylônes de transmission doivent être encore approfondis..
6.3 Orientations futures de la recherche
Compte tenu des limites de la recherche et des besoins de développement de l'industrie électrique, les futures orientations de recherche sur les pylônes de transmission à haute résistance résistant au vent sont proposées comme suit:
(1) Renforcer la recherche sur la performance à long terme et la prédiction de la vie. Effectuer une surveillance de suivi à long terme des pylônes de transmission à haute résistance résistant au vent dans différents environnements, étudier la loi d'évolution des performances structurelles sous l'action combinée de la charge de vent, corrosion et fatigue, et établir un modèle de prédiction de vie basé sur un couplage multifactoriel.
(2) Améliorer la précision de la simulation par éléments finis. Considérez l’influence de la non-linéarité matérielle, rigidité des connexions et détails locaux sur les performances structurelles, établir un modèle d'éléments finis plus raffiné, et combiner les essais en soufflerie pour améliorer la fiabilité des résultats de simulation. Explorez l'application de la technologie des jumeaux numériques dans la conception des pylônes de transmission et la surveillance de l'exploitation pour réaliser une gestion dynamique en temps réel des structures.
(3) Élargir le champ d'application et l'adaptation des scénarios. Développer des technologies de pylônes de transmission à haute résistance et résistantes au vent, adaptées aux UHV, énergie éolienne offshore et autres projets, optimiser le schéma de conception en fonction de différentes conditions environnementales (haute altitude, régions froides), et promouvoir l'application à grande échelle de technologies résistantes au vent à haute résistance dans le réseau électrique.
(4) Promouvoir l’innovation et l’application de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies. Accélérer la recherche sur le low-cost, matériaux composites hautes performances et leurs technologies de connexion avec les structures en acier; développer des composants intelligents résistants au vent tels que des systèmes adaptatifs TMD et de contrôle actif des vibrations pour améliorer encore l'effet de contrôle des vibrations induites par le vent.
(5) Améliorer le système standard et la chaîne industrielle. Résumer les résultats de la recherche et l’expérience en ingénierie, formuler un ensemble complet de normes de conception et de spécifications de construction pour les pylônes de transmission à haute résistance résistant au vent, améliorer la capacité de production de composants préfabriqués, et promouvoir l'industrialisation et la standardisation de la technologie des tours de transmission à haute résistance et résistantes au vent.
Les références
[1] GB 50009-2012, Code des charges sur les structures des bâtiments[S]. Pékin: Architecture chinoise & Bâtiment Presse, 2012.
[2] GB 50545-2010, Code de conception des lignes aériennes de transport de 110 kV à 750 kV[S]. Pékin: Architecture chinoise & Bâtiment Presse, 2010.
[3] Lee J., Wang Y., Zhang L.. Recherche sur la résistance au vent des pylônes de transmission en acier à haute résistance[J]. Journal de recherche sur l'acier de construction, 2018, 145: 123-132.
[4] Zhang H., Li et, Liu J.. Analyse par éléments finis des vibrations induites par le vent des pylônes de transmission avec amortisseurs de masse réglés[J]. Ouvrages d'ingénierie, 2019, 198: 109567.
[5] Chen W., Zhang X, Wang Z.. Application de matériaux composites dans les pylônes de transmission résistants au vent[J]. Composites partie B: Ingénierie, 2020, 185: 107789.
[6] ASCE 7-16, Charges minimales de calcul et critères connexes pour les bâtiments et autres structures[S]. Reston, Virginie: Société américaine des ingénieurs civils, 2017.
[7] JIS G 3106: 2015, Tôles d'acier laminées à chaud, feuilles et bandes à usage structurel général[S]. Tokyo: Association japonaise de normalisation, 2015.
[8] Wang L., Chen Y., Li Z. Application technique de pylônes de transmission à haute résistance résistant au vent dans les zones côtières[J]. Technologie du système électrique, 2021, 45(3): 1123-1131.
[9] Liu H., Zhang Y., Wang J.. Étude d'essai en soufflerie sur la répartition de la charge de vent du système de lignes de pylônes de transmission[J]. Journal d'ingénierie éolienne et d'aérodynamique industrielle, 2017, 168: 102-110.
[10] Zhao J., Li M, Zhang Q. Conception d'optimisation légère de pylônes de transmission en acier à haute résistance basée sur un algorithme génétique[J]. Optimisation structurelle et multidisciplinaire, 2022, 65(4): 126.
Articles Similaires
Selon la Chine 16, 2025
Selon la Chine 14, 2025