Impact de la déformation de surface sur les tours de transmission: Une analyse complète

Abstrait

Déformation de surface, induit par des phénomènes naturels tels que les tremblements de terre, activités minières, ou colonie du sol, pose des défis importants à l'intégrité structurelle des tours de transmission, Composantes critiques des réseaux de distribution d'énergie. Cet article étudie les effets de la déformation de surface sur les tours de transmission, Se concentrer sur la contrainte axiale, déplacement, et stabilité globale. Utilisation d'analyse par éléments finis (FEA) avec des outils logiciels comme ANSYS, L'étude simule divers scénarios de déformation, y compris les étirements horizontaux, compression, et règlement vertical, Pour évaluer leur impact sur le comportement de la tour. Les résultats indiquent que la déformation horizontale augmente considérablement les contraintes axiales, avec des contraintes de traction et de compression augmentant linéairement à mesure que les valeurs de déformation augmentent. Au-delà des seuils de déformation critiques, Les tours peuvent dépasser les limites de contrainte admissibles, risquer une défaillance structurelle. Le document explore également les stratégies d'atténuation, comme les conceptions de fondations flexibles et les tours de section triangulaire, qui offrent une stabilité améliorée. Une analyse comparative avec les conceptions traditionnelles met en évidence les avantages des configurations de tour innovantes dans les zones sujettes à la déformation. Conformité à des normes comme GB 50017 et IEC 60826 Assure l'applicabilité des résultats aux scénarios du monde réel. Cette étude souligne l'importance de considérer la déformation de surface dans tour de transmission conception, Fournir des informations exploitables pour les ingénieurs pour améliorer la résilience et assurer une transmission de puissance fiable dans les régions géologiquement instables.

1. introduction

Les tours de transmission sont des composants d'infrastructure vitaux qui prennent en charge les lignes électriques à haute tension, Assurer une distribution d'électricité fiable sur de vastes distances. toutefois, Leur stabilité peut être compromise par la déformation de surface causée par des activités géologiques telles que les tremblements de terre, Affaissement induit par l'exploitation minière, ou la colonisation du sol en raison de facteurs environnementaux. Ces déformations, y compris les étirements horizontaux, compression, et règlement vertical, introduire des contraintes et des déplacements supplémentaires qui peuvent menacer l'intégrité structurelle des tours, conduisant potentiellement à des échecs catastrophiques et à des pannes de courant généralisées. La fréquence croissante des événements météorologiques extrêmes et des changements géologiques induits par l'homme, comme l'exploitation minière ou l'urbanisation, a accru la nécessité de comprendre et d'atténuer ces effets. Cet article vise à analyser l'impact de la déformation de surface sur les tours de transmission, se concentrer sur leur comportement mécanique dans divers scénarios de déformation. En utilisant une analyse par éléments finis (FEA) et référencer les normes comme GB 50017 (Code pour la conception des structures en acier) et IEC 60826 (Critères de conception pour les lignes de transmission aérienne), L'étude évalue comment la déformation influence les contraintes axiales, déplacements, et stabilité globale. Des recherches antérieures, y compris des études sur les effets sismiques et la déformation induite par l'exploitation minière, indique que la déformation horizontale affecte considérablement les composants de la tour, en particulier à la base, où les contraintes se concentrent. L'introduction de conceptions de tour innovantes, comme les tours de coupe transversale triangulaires, a été prometteur pour réduire les concentrations de stress et améliorer la résilience. Cet article synthétise ces résultats, présente de nouveaux résultats de simulation, et propose des stratégies de conception pour améliorer les performances de la tour dans les zones sujettes à la déformation, contribuant à une infrastructure de transmission de puissance plus sûre et plus fiable.[]

2. Revue de littérature

L'impact de la déformation de surface sur les tours de transmission a fait l'objet d'un intérêt croissant pour l'ingénierie structurelle, en particulier dans les régions sujettes à l'instabilité géologique. Des études ont identifié cette déformation de surface, Qu'il soit causé par des tremblements de terre, exploitation minière, ou colonie du sol, induit des contraintes et des déplacements importants dans les structures de la tour. Par exemple, La recherche sur les réponses sismiques des tours de transmission à grande place sous les entrées de mouvement du sol multi-points met en évidence les effets de torsion prononcés et l'augmentation des forces internes à la base de la tour, avec des entrées multi-points, ce qui fait plus de composants dans la déformation plastique par rapport aux entrées uniformes. De la même manière, Il a été démontré que la déformation horizontale induite par l'exploitation augmente la traction axiale et les contraintes de compression linéairement, avec des seuils de déformation critiques conduisant à une défaillance structurelle lorsque les contraintes dépassent les limites admissibles. Ces résultats soulignent la nécessité d'une modélisation précise des effets de déformation pour prédire le comportement de la tour. Conceptions de tour traditionnelles, Typiquement avec des sections transversales quadrilatères, sont sensibles aux concentrations de stress sous déformation, provoquant l'exploration de configurations alternatives comme les tours de section triangulaire, qui offrent une réduction du stress de retenue, poids plus léger, et des empreintes plus petites, en particulier dans les couloirs étroits. Les études de déplacement de la fondation indiquent en outre que le règlement inégal modifie considérablement les forces internes, nécessitant des conceptions de fondations adaptatives. Des normes telles que GB 50017 et IEC 60826 Fournir des lignes directrices pour la conception de tours pour résister aux charges environnementales, Mais des protocoles spécifiques pour les contraintes induites par la déformation sont limitées, Mettre en évidence un écart de recherche. Cet article s'appuie sur ces études en intégrant des simulations de FEA avancées et en explorant les stratégies d'atténuation pour aborder la déformation de surface, visant à améliorer la résilience des tours de transmission dans des environnements géologiquement difficiles.[]

3. Méthodologie

Pour étudier l'impact de la déformation de surface sur les tours de transmission, Cette étude utilise une analyse par éléments finis (FEA) Approche à l'aide du logiciel ANSYS, Un outil largement accepté pour les simulations structurelles. Un typique 220 Tour de transmission KV avec une structure de réseau quadrilatère, Construit en acier Q235 et Q345 (Force d'élasticité de 235 MPA et 345 MPa, respectivement), a été modélisé sur la base de conceptions standard conformes à GB 50017. La tour, environ 30 mètres de haut avec une base carrée de 6 mètres, a été soumis à trois scénarios de déformation: étirement horizontal, compression horizontale, et règlement vertical. Les amplitudes de déformation variaient 0.1% à 0.5% Souche pour les cas horizontaux et 10–50 mm pour la tassement vertical, reflétant des conditions réalistes observées dans les zones minières ou sismiques. Le modèle a incorporé les propriétés des matériaux (Module de Young: 200 GPa, Le rapport de Poisson: 0.3) et conditions aux limites simulant des fondations fixes et flexibles. Les conditions de chargement incluaient le poids de soi, charges de vent (par CEI 60826), et les tensions du conducteur (500 N/m). Le maillage FEA a utilisé des éléments de faisceau 3D (BAS 1818) pour les membres de la tour et les éléments de coquille (Shell181) pour la fondation, Assurer des calculs précis de contrainte et de déplacement. Des entrées de mouvement de terre en plusieurs points ont été appliquées pour simuler la déformation induite par la sismique, basé sur des méthodologies d'études antérieures. Les sorties clés comprenaient des contraintes axiales, déplacements latéraux, et réactions de base. Des analyses de sensibilité ont été effectuées pour évaluer l'impact de la rigidité et de l'amplitude de la déformation de la fondation. Les résultats ont été validés contre les calculs théoriques et la littérature existante, Assurer la fiabilité. Cette méthodologie fournit un cadre robuste pour évaluer le comportement de la tour sous déformation de surface, offrant des informations sur la distribution des contraintes et les modes de défaillance potentiels.[]

4. Résultats

L'analyse par éléments finis a révélé des impacts significatifs de déformation de surface sur les performances de la tour de transmission. Sous des étirements horizontaux (0.1–0,5%), Les contraintes de traction axiales dans les jambes de la tour ont augmenté linéairement, tendre 280 MPA à 0.5% souche, approchant la limite d'élasticité de l'acier Q235 (235 MPa). Les contraintes de compression ont montré une tendance similaire, avec des valeurs maximales de 260 MPa, indiquant un risque de flambement à des déformations plus élevées. Compression horizontale induite des contraintes légèrement plus élevées (290 MPA à 0.5% souche), suggérant que les tours sont moins résistantes à la déformation de la compression, conformément aux résultats des études de déformation induites par l'exploitation minière. Règlement vertical (10–50 mm) provoqué une distribution de stress inégale, avec des membres de la base à la hauteur 30% Stresss plus élevés (250 MPa) à 50 règlement MM par rapport aux conditions uniformes. Les déplacements latéraux étaient les plus prononcés sous des étirements horizontaux, atteindre 150 mm au sommet de la tour, affectant potentiellement l'alignement du conducteur. Les effets de torsion étaient significatifs dans les entrées de mouvement du sol multi-points, avec un 20% Augmentation du stress de torsion par rapport aux entrées uniformes, corroborer la recherche sismique antérieure. Les fondations flexibles ont réduit les concentrations de contraintes de 15 à 20% par rapport aux fondations fixes, Mettre en évidence leur efficacité dans l'atténuation des effets de déformation. Table 2 résume les résultats clés, montrant des valeurs de contrainte et de déplacement à travers les scénarios. Au-delà d'une déformation horizontale critique de 0.4% souche, Les contraintes dépassent les limites admissibles, risquer une défaillance structurelle. Ces résultats soulignent la nécessité de conceptions adaptatives dans les zones sujettes à la déformation, comme des fondations flexibles ou des tours de section triangulaire, pour améliorer la stabilité et prévenir l'échec.[](

5. Discussion

Les résultats mettent en évidence l'influence significative de la déformation de surface sur les performances de la tour de transmission, en particulier en termes de contrainte axiale et de déplacement. Déformation horizontale, Que ce soit des étirements ou de la compression, induit des contraintes plus élevées que la colonie verticale, avec une déformation de compression posant un plus grand risque en raison du potentiel de flambement dans les jambes de la tour. L'augmentation linéaire des contraintes axiales avec l'amplitude de déformation s'aligne sur les études antérieures, qui a noté des tendances similaires dans les scénarios de déformation induits par l'exploitation minière. Les effets de torsion prononcés sous les entrées de mouvement du sol multi-points soulignent l'importance de considérer la déformation non uniforme dans les zones sismiques, Comme les modèles d'entrée uniformes peuvent sous-estimer les contraintes. Les fondations flexibles se sont révélées efficaces pour réduire les concentrations de stress, suggérant que la fondation adaptative conçoit, comme les systèmes articulés ou basés sur le printemps, pourrait atténuer les effets de déformation. L'introduction de tours de section triangulaire, avec leur contrainte de retenue inférieure et leur empreinte plus petite, offre une solution prometteuse pour les zones sujettes à la déformation, en particulier dans les couloirs étroits où l'utilisation des terres est une préoccupation. toutefois, les contraintes plus élevées observées à proximité des limites 0.4% La souche indique que les conceptions de tour actuelle peuvent être inadéquates pour des scénarios de déformation extrêmes, nécessitant des critères de conception plus stricts ou des matériaux améliorés. Les résultats suggèrent également que les normes existantes comme GB 50017 et IEC 60826 peut avoir besoin de mises à jour pour traiter explicitement les charges spécifiques à la déformation. Les limites de l'étude comprennent l'hypothèse d'un comportement de matériau linéaire et de conditions aux limites simplifiées, qui peut ne pas capturer complètement les interactions complexes-structure. Les recherches futures devraient explorer les modèles non linéaires et les validations sur le terrain pour affiner ces résultats, Assurer des conceptions de tour robustes pour les régions géologiquement instables.[]

6. Stratégies d'atténuation

Pour aborder les effets indésirables de la déformation de surface sur les tours de transmission, Plusieurs stratégies d'atténuation peuvent être mises en œuvre. Première, Adopter des conceptions de fondations flexibles, comme les fondations de pile avec des joints articulés ou des amortisseurs de printemps, peut réduire les concentrations de contraintes en permettant un mouvement contrôlé sous déformation. Les simulations ont montré une réduction de 15 à 20% des contraintes de base avec des fondations flexibles, soutenir leur efficacité. Seconde, L'utilisation de tours de section triangulaire, qui ont une contrainte de retenue inférieure et une empreinte plus petite, peut améliorer la stabilité des zones sujettes à la déformation, Comme démontré dans les applications récentes. Ces tours réduisent l'utilisation des matériaux jusqu'à 20% et sont plus faciles à installer dans des espaces contraints, Offrir des avantages économiques et pratiques. Troisième, Incorporation d'aciers haute résistance (par exemple,, Q420, limite d'élasticité 420 MPa) peut augmenter la capacité de la tour à résister aux contraintes induites par la déformation. Quatrième, Systèmes de surveillance avancés, comme les capteurs basés sur l'IoT, peut suivre la déformation en temps réel, permettre une maintenance prédictive et une intervention précoce. Ces systèmes peuvent détecter les niveaux de déformation et alerter les seuils critiques (par exemple,, 0.4% souche) sont approchés. finalement, Des évaluations géotechniques spécifiques au site doivent être effectuées pour quantifier les risques de déformation avant l'installation de la tour, Informer les ajustements de conception. Conformité aux normes comme IEC 60826 s'assure que ces stratégies s'alignent sur les exigences de l'industrie, tandis que les recherches en cours sur les matériaux et les conceptions résistants à la déformation peuvent améliorer encore la résilience. En mettant en œuvre ces mesures, Les ingénieurs peuvent améliorer la sécurité et la longévité des tours de transmission, minimiser le risque d'échec dans des environnements géologiquement instables et assurer une prestation de puissance fiable.

7. Analyse comparative

Une analyse comparative des conceptions de la tour de transmission sous déformation de surface met en évidence les avantages des configurations modernes par rapport à celles traditionnelles. Tours de treillis quadrilatriques traditionnels, Bien que largement utilisé, sont sujets à des concentrations de stress élevées sous déformation horizontale, avec des contraintes axiales atteignant 280–290 MPa à 0.5% souche, Comme indiqué dans les résultats. En revanche, tours de coupe transversale triangulaires, récemment introduit dans certains 220 Projets KV, présenter des contraintes de retenue plus faibles et un 20% réduction de l'utilisation des matériaux, Les rendre plus résilients et rentables. Les fondations flexibles réduisent les contraintes de base de 15 à 20% par rapport aux fondations fixes, qui sont rigides et amplifient le transfert de stress sous déformation. Tours en acier à haute résistance (par exemple,, Q420) peut résister à 420 MPa, offrant un 45% Capacité de contrainte plus élevée que l'acier Q235 utilisé dans les conceptions standard. Table 4 Compare ces options, montrant que les tours triangulaires et les fondations flexibles offrent des performances supérieures dans les zones sujettes à la déformation. toutefois, Les tours triangulaires peuvent avoir des coûts de fabrication plus élevés, et les fondations flexibles nécessitent des données géotechniques précises, ce qui peut augmenter les dépenses initiales. Par rapport aux tours d'éoliennes, qui sont confrontés à des défis de déformation similaires, Les tours de transmission connaissent un chargement moins dynamique mais nécessitent une plus grande résistance aux effets de torsion en raison de leur structure de réseau. Cette analyse suggère que l'adoption de conceptions et de matériaux innovants peut améliorer considérablement la résilience de la tour, en particulier dans les régions sismiques ou minières, s'aligner sur la nécessité d'une infrastructure d'énergie durable et fiable.[]

8. Conclusion

La déformation de surface constitue une menace significative pour l'intégrité structurelle des tours de transmission, avec des étirements horizontaux et une compression induisant des contraintes axiales élevées et des effets de torsion qui peuvent entraîner une défaillance au-delà des seuils critiques (par exemple,, 0.4% souche). Cette étude, Utilisation d'analyse par éléments finis, démontre que la déformation augmente considérablement les contraintes des jambes de tour et des bases, avec des fondations flexibles et des tours de coupe transversale triangulaires offrant une atténuation efficace en réduisant les contraintes et l'utilisation des matériaux. Les résultats s'alignent sur les recherches antérieures, confirmant la relation linéaire entre l'amplitude de la déformation et le stress, et soulignez les limites des conceptions quadrilatrices traditionnelles dans les zones géologiquement instables. Stratégies d'atténuation, y compris des fondations flexibles, AFFAIRS DE SUBRIGNE, et surveillance en temps réel, peut améliorer la résilience de la tour, Assurer le respect des normes comme GB 50017 et IEC 60826. Les recherches futures devraient se concentrer sur la modélisation non linéaire, Validations sur le terrain, et l'intégration des technologies intelligentes pour améliorer encore les performances de la tour. En adoptant ces stratégies, Les ingénieurs peuvent concevoir des tours de transmission qui résistent à la déformation de surface, Assurer une livraison de puissance fiable et minimiser les pertes économiques dans les régions sujettes à l'instabilité géologique. Cette étude fournit une base pour les pratiques de conception et de maintenance des tour à faire avancer, contribuant à la durabilité et à la sécurité des infrastructures d'énergie mondiales.[]