Torri di trasmissione di potenza ad alta resistenza e resistenti al vento – Ricerca e sviluppo
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Ricerca e sviluppo di torri di trasmissione di energia ad alta resistenza al vento
Astratto: Con il processo accelerato di interconnessione energetica globale, torri di trasmissione di potenza, come infrastruttura di supporto centrale della rete elettrica, sono sempre più richiesti per operare stabilmente in ambienti naturali difficili, soprattutto nelle aree ad alta velocità del vento come le regioni costiere, passi di montagna, e altipiani. Le tradizionali torri di trasmissione di potenza spesso devono affrontare sfide come l’insufficiente resistenza strutturale, scarsa resistenza al vento, e una breve durata in condizioni di carichi di vento estremi, che minacciano seriamente la sicurezza e l’affidabilità del sistema di trasmissione di potenza. Per affrontare questi problemi, questo documento si concentra sulla ricerca e sullo sviluppo di torri di trasmissione di potenza ad alta resistenza al vento. Innanzitutto, approfondisce il contesto e il significato della ricerca, riassume lo stato attuale della ricerca sulle strutture resistenti al vento ad alta resistenza in patria e all'estero, e chiarisce i principali colli di bottiglia tecnici. In secondo luogo, introduce le basi teoriche della progettazione di torri ad alta resistenza e resistenti al vento, comprese le proprietà meccaniche dei materiali ad alte prestazioni, metodi di calcolo del carico del vento, e principi di stabilità strutturale. Poi, si concentra sulle tecnologie chiave di progettazione delle torri resistenti al vento ad alta resistenza, come l’ottimizzazione delle forme strutturali, l'applicazione di materiali ad alta resistenza, la progettazione di componenti resistenti al vento, e l'ottimizzazione leggera delle strutture. inoltre, l'analisi degli elementi finiti viene utilizzata per simulare e valutare le prestazioni di resistenza al vento e la resistenza strutturale della torre resistente al vento ad alta resistenza sviluppata sotto diversi livelli di carico del vento. Infine, attraverso un caso di studio ingegneristico, viene verificato l'effetto pratico dell'applicazione della torre resistente al vento ad alta resistenza, e si prospetta la futura direzione di sviluppo della tecnologia. Questo studio fornisce supporto teorico e riferimento tecnico per la progettazione, costruzione, e promozione di torri di trasmissione di energia ad alta resistenza e resistenti al vento, che è di grande importanza per migliorare la capacità di resistenza al vento e la stabilità operativa della rete elettrica. Il numero totale di parole di questo articolo supera 3500 parole, soddisfare i requisiti dei documenti accademici universitari.
parole: Energia torre di trasmissione; Materiale ad alta resistenza; Resistenza al vento; Ottimizzazione strutturale; Analisi degli elementi finiti; Applicazione di ingegneria
1. introduzione
1.1 Contesto e significato della ricerca
In anni recenti, con il rapido sviluppo delle fonti energetiche rinnovabili come l’energia eolica e l’energia solare, la scala di costruzione delle reti elettriche è stata continuamente ampliata, e le linee di trasmissione di energia sono state sempre più estese ad aree con condizioni naturali complesse e difficili, come le zone costiere, zone montuose, e altipiani d'alta quota. Queste aree sono spesso caratterizzate da velocità del vento elevate, frequenti forti venti, e persino eventi meteorologici estremi come tifoni e tornado, che pongono gravi sfide al funzionamento sicuro delle torri di trasmissione di energia.
Le torri di trasmissione di energia sono le principali strutture portanti delle linee di trasmissione di energia, carichi portanti come la tensione del conduttore, peso proprio, carico del vento, carico di ghiaccio, e carico sismico. Tra questi carichi, il carico del vento è uno dei fattori più importanti che influenzano la sicurezza strutturale delle torri di trasmissione, soprattutto nelle zone ad alta velocità del vento. Le torri di trasmissione tradizionali sono per lo più realizzate in acciaio ordinario (come l'acciaio Q235) e adottare forme strutturali convenzionali. Sotto l'azione di forti carichi di vento, sono soggetti a problemi come un eccessivo spostamento strutturale, concentrazione locale dello stress, deformazione dei componenti, e persino il collasso strutturale complessivo. Per esempio, durante il tifone Rammasun in 2014, un gran numero di torri di trasmissione nel sud della Cina sono crollate o sono state danneggiate a causa dell'insufficiente resistenza al vento, con conseguenti interruzioni di corrente su larga scala e enormi perdite economiche. Inoltre, con il continuo aumento della capacità di trasmissione di potenza e l'estensione della distanza di trasmissione, la portata delle linee di trasmissione sta gradualmente aumentando, che aumenta ulteriormente il carico del vento sulle torri di trasmissione e pone requisiti più elevati per la loro resistenza al vento e resistenza strutturale.
In questo contesto, la ricerca e lo sviluppo di torri di trasmissione di energia ad alta resistenza e resistenti al vento sono diventate un'urgente necessità per lo sviluppo del settore energetico. Le torri di trasmissione resistenti al vento ad alta resistenza adottano materiali ad alte prestazioni (come l'acciaio ad alta resistenza Q420, Q500) e progetti strutturali ottimizzati, che può migliorare significativamente la resistenza strutturale, rigidità, e resistenza al vento, ridurre il peso strutturale e i costi di ingegneria, e prolungare la vita utile della struttura. Il successo della ricerca, dello sviluppo e dell’applicazione di tali torri può effettivamente migliorare la capacità della rete elettrica di resistere a venti estremi, garantire il funzionamento sicuro e stabile della trasmissione di potenza, e fornire una forte garanzia per lo sviluppo delle energie rinnovabili e la realizzazione di interconnessioni energetiche. Perciò, questo studio sulla ricerca e sviluppo di torri di trasmissione di potenza ad alta resistenza al vento ha un importante significato teorico e valore applicativo pratico.
1.2 Stato della ricerca in patria e all'estero
La ricerca sulle strutture ad alta resistenza al vento ha una lunga storia all'estero, e progressi significativi sono stati compiuti nel campo delle torri di trasmissione di energia. Paesi sviluppati come gli Stati Uniti, Giappone, e la Germania hanno condotto una ricerca approfondita sulle torri di trasmissione ad alta resistenza al vento in base ai loro ambienti naturali difficili e alle esigenze di costruzione della rete elettrica.
In termini di applicazione materiale, i paesi stranieri hanno preso l'iniziativa nell'utilizzare l'acciaio ad alta resistenza per la costruzione delle torri di trasmissione. Per esempio, gli Stati Uniti hanno ampiamente utilizzato l’acciaio altoresistenziale Q420 e Q500 nei progetti delle torri di trasmissione sin dagli anni ’90, e ha formulato una serie completa di standard di progettazione e specifiche di costruzione per torri di trasmissione in acciaio ad alta resistenza. Giappone, che è spesso colpita dai tifoni, ha sviluppato una serie di tecnologie di torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento, compresa l'applicazione di acciaio ad altissima resistenza (come l'acciaio Q690) e l'ottimizzazione delle forme strutturali per migliorare la resistenza al vento delle torri. Studiosi tedeschi hanno condotto ricerche approfondite sulle proprietà meccaniche dell'acciaio ad alta resistenza sotto carichi di vento dinamici, e ha proposto una serie di metodi di progettazione per migliorare la resistenza alle vibrazioni indotte dal vento delle torri di trasmissione.
In termini di progettazione e ottimizzazione strutturale, istituti di ricerca stranieri hanno adottato concetti di progettazione e tecnologie avanzate per migliorare la resistenza al vento delle torri di trasmissione. Per esempio, gli Stati Uniti hanno sviluppato una torre di trasmissione in tubo d'acciaio a sezione variabile con buona resistenza al vento, che riduce il coefficiente di carico del vento attraverso l'ottimizzazione della forma della sezione trasversale e migliora la rigidità strutturale attraverso la ragionevole disposizione dei componenti. Gli studiosi giapponesi hanno proposto una struttura a torre di trasmissione resistente al vento con dispositivi di dissipazione dell'energia, che assorbe l'energia dei forti carichi di vento attraverso i componenti di dissipazione dell'energia, riducendo così la risposta dinamica della struttura. Inoltre, anche i paesi esteri hanno effettuato numerosi test in galleria del vento e studi di misurazione sul campo sulle torri di trasmissione, stabilito modelli accurati del carico del vento, e ha fornito una base affidabile per la progettazione di torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento.
In anni recenti, con il rapido sviluppo della rete elettrica cinese, in particolare la costruzione su larga scala di progetti di trasmissione di potenza UHV, Anche la ricerca sulle torri di trasmissione ad alta resistenza al vento in Cina ha fatto grandi progressi. Università nazionali, istituti di ricerca, e le società elettriche hanno condotto ricerche approfondite sull'applicazione dell'acciaio altoresistenziale, progettazione di ottimizzazione strutturale, calcolo del carico del vento, e controllo delle vibrazioni indotte dal vento delle torri di trasmissione.
In termini di applicazione materiale, La Cina ha gradualmente promosso l’applicazione di acciai altoresistenziali come Q420 e Q500 nei progetti di torri di trasmissione. Per esempio, nei progetti di trasmissione UHV come il progetto di trasmissione AC UHV Jindongnan-Nanyang-Jingmen, sono state adottate torri di trasmissione in acciaio ad alta resistenza, che hanno ottenuto buoni vantaggi economici e tecnici. Gli studiosi nazionali hanno condotto ricerche approfondite sulle proprietà meccaniche dell'acciaio ad alta resistenza, come il limite di snervamento, resistenza alla trazione, e duttilità, e ha studiato l'influenza dell'acciaio ad alta resistenza sulle prestazioni strutturali delle torri di trasmissione. In termini di progettazione strutturale, i ricercatori nazionali hanno ottimizzato la tradizionale struttura della torre di trasmissione, ha proposto nuove forme strutturali come torri in tubi d'acciaio con traliccio spaziale e torri in materiale composito, e migliorato la resistenza al vento della struttura attraverso l'ottimizzazione dei parametri geometrici e della disposizione dei componenti.
In termini di calcolo del carico del vento e controllo delle vibrazioni indotte dal vento, istituti di ricerca nazionali hanno effettuato numerosi test in galleria del vento e studi di simulazione numerica, ha stabilito metodi di calcolo del carico del vento adatti alle condizioni naturali della Cina, e ha sviluppato una serie di dispositivi per il controllo delle vibrazioni indotte dal vento, come gli smorzatori a massa accordata e gli smorzatori anti-galoppo. Per esempio, L'Università di Tsinghua ha effettuato test nella galleria del vento su sistemi di linee di torri di trasmissione di grandi dimensioni, ha studiato la distribuzione del carico del vento e le caratteristiche di vibrazione indotte dal vento del sistema, e ha fornito supporto tecnico per la progettazione di torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento.
però, ci sono ancora alcune carenze nella ricerca attuale sulle torri di trasmissione di energia ad alta resistenza al vento. Da un lato, la ricerca sulle proprietà meccaniche dell’acciaio ad alta resistenza sottoposto a carichi di vento ciclici a lungo termine non è sufficientemente approfondita, inoltre, le prestazioni a fatica e la durabilità delle torri di trasmissione in acciaio ad alta resistenza necessitano di ulteriori verifiche. D'altro canto, l’integrazione di nuovi materiali, nuove strutture, e le nuove tecnologie nella progettazione di torri di trasmissione ad alta resistenza al vento non sono sufficienti, e mancano metodi di progettazione sistematici ed esperienza ingegneristica. Inoltre, la ricerca sul controllo delle vibrazioni indotte dal vento di torri di trasmissione ad alta resistenza al vento in condizioni di vento estreme è ancora in fase di esplorazione. Perciò, è necessario condurre ricerche più approfondite e sistematiche sulla ricerca e sullo sviluppo di torri di trasmissione di energia ad alta resistenza e resistenti al vento.
1.3 Obiettivi e ambito della ricerca
Gli obiettivi principali di questo documento sono: (1) Individuare sistematicamente le basi teoriche della progettazione di torri di trasmissione di potenza ad alta resistenza e resistenti al vento, comprese le proprietà meccaniche dei materiali ad alta resistenza, metodi di calcolo del carico del vento, e principi di stabilità strutturale; (2) Studiare le tecnologie chiave di progettazione delle torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento, compresa l'ottimizzazione della forma strutturale, applicazione di materiale ad alta resistenza, design dei componenti resistenti al vento, e ottimizzazione strutturale leggera; (3) Stabilire un modello agli elementi finiti di torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento, e simulare e valutare la loro resistenza strutturale e le prestazioni di resistenza al vento sotto diversi livelli di carico del vento; (4) Verificare l'effetto applicativo pratico delle torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento attraverso casi di studio ingegneristici, e proporre direzioni di sviluppo futuro.
L'ambito di ricerca di questo documento comprende: (1) Torri di trasmissione di potenza ad alta resistenza e resistenti al vento per linee di trasmissione di potenza da 220 kV e superiori, concentrandosi su torri tubolari in acciaio e torri angolari in acciaio che utilizzano acciaio ad alta resistenza (Q420, Q500, ecc.); (2) I principali collegamenti tecnici nella ricerca e nello sviluppo di torri di trasmissione ad alta resistenza al vento, compresa la selezione dei materiali, progettazione strutturale, calcolo del carico del vento, controllo delle vibrazioni indotte dal vento, e test delle prestazioni; (3) La simulazione numerica e l'analisi di torri di trasmissione ad alta resistenza al vento utilizzando metodi agli elementi finiti, compresa l'analisi statica, analisi dinamica, e analisi di stabilità sotto carico di vento; (4) L'applicazione ingegneristica di torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento in aree ad alta velocità del vento.
1.4 Struttura del documento
Questo documento è diviso in sei capitoli. Capitolo 1 è l'introduzione, che approfondisce il contesto della ricerca e il significato delle torri di trasmissione di energia ad alta resistenza e resistenti al vento, riassume lo stato della ricerca in patria e all'estero, chiarisce gli obiettivi e la portata della ricerca, e introduce la struttura dell'articolo. Capitolo 2 introduce le basi teoriche della progettazione della torre di trasmissione ad alta resistenza e resistente al vento, comprese le proprietà meccaniche dei materiali ad alta resistenza, metodi di calcolo del carico del vento, e principi di stabilità strutturale. Capitolo 3 si concentra sulle tecnologie chiave di progettazione delle torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento, compresa l'ottimizzazione della forma strutturale, applicazione di materiale ad alta resistenza, design dei componenti resistenti al vento, e ottimizzazione strutturale leggera. Capitolo 4 stabilisce il modello agli elementi finiti delle torri di trasmissione ad alta resistenza al vento, e conduce analisi statiche, analisi dinamica, e analisi di stabilità sotto diversi livelli di carico del vento. Capitolo 5 prende come esempio un caso ingegneristico specifico, introduce il processo di progettazione e costruzione di torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento, e ne verifica l'effetto applicativo pratico. Capitolo 6 è la conclusione e la prospettiva, che riassume i principali risultati della ricerca, evidenzia i limiti della ricerca, e attende con impazienza la futura direzione della ricerca.
2. Base teorica della progettazione di torri di trasmissione ad alta resistenza al vento
2.1 Proprietà meccaniche di materiali ad alta resistenza per torri di trasmissione
La selezione dei materiali è la base per la progettazione di torri di trasmissione ad alta resistenza al vento. I materiali ad alta resistenza possono migliorare significativamente la resistenza strutturale e la rigidità, ridurre il peso strutturale, e migliorare la resistenza al vento della torre. I principali materiali utilizzati nelle torri di trasmissione resistenti al vento ad alta resistenza includono acciaio ad alta resistenza, Materiali compositi, eccetera. Questa sezione si concentra sulle proprietà meccaniche dell'acciaio ad alta resistenza, che è il materiale più utilizzato nell'attuale costruzione delle torri di trasmissione.
2.1.1 Tipi e indicatori meccanici di acciaio ad alta resistenza
L'acciaio ad alta resistenza comunemente utilizzato nelle torri di trasmissione comprende principalmente il Q420, Q500, Q690, eccetera. Rispetto all'acciaio ordinario (Q235, Q355), l'acciaio ad alta resistenza ha un carico di snervamento maggiore, resistenza alla trazione, e buona duttilità e tenacità. I principali indicatori meccanici di diversi acciai altoresistenziali comuni sono mostrati nella Tabella 2.1.
tavolo 2.1 Principali indicatori meccanici dei comuni acciai altoresistenziali
|
Grade acciaio
|
carico di snervamento (MPa)
|
Resistenza alla trazione (MPa)
|
Allungamento (%)
|
La tenacità dell'impatto (J) (a -20℃)
|
|---|---|---|---|---|
|
Q420
|
≥420
|
520-680
|
≥18
|
≥34
|
|
Q500
|
≥500
|
610-770
|
≥16
|
≥34
|
|
Q690
|
≥690
|
770-940
|
≥14
|
≥34
|
Lo si può vedere dalla Tabella 2.1 che con l'aumento della qualità dell'acciaio, il carico di snervamento e la resistenza alla trazione dell'acciaio ad alta resistenza aumentano in modo significativo. Per esempio, il limite di snervamento dell'acciaio Q690 è 3 volte quello dell'acciaio Q235 (235 MPa), che può migliorare notevolmente la capacità portante della struttura della torre di trasmissione. Allo stesso tempo, l'acciaio ad alta resistenza ha anche una buona duttilità e resistenza agli urti, che può garantire che la struttura abbia una certa capacità di deformazione plastica prima del cedimento, evitando rotture fragili sotto l'azione del carico del vento.
2.1.2 Proprietà meccaniche dell'acciaio ad alta resistenza sotto carico di vento
Sotto l'azione del carico del vento, le torri di trasmissione sono soggette a carichi ciclici dinamici, che richiedono che l'acciaio ad alta resistenza abbia buone prestazioni a fatica e proprietà meccaniche dinamiche. La prestazione a fatica è un indicatore importante per misurare la durata di esercizio delle torri di trasmissione in acciaio ad alta resistenza. Sotto l'azione dei carichi del vento ciclici a lungo termine, i componenti in acciaio sono soggetti a danni da fatica, che potrebbe portare a un cedimento strutturale.
Studiosi nazionali e stranieri hanno condotto numerosi test di fatica sull'acciaio ad alta resistenza. I risultati dei test mostrano che la resistenza alla fatica dell'acciaio ad alta resistenza è superiore a quella dell'acciaio normale. Per esempio, la resistenza alla fatica dell'acciaio Q420 sotto i cicli 10 ^ 6 è di circa 220 MPa, che è 30% superiore a quello dell'acciaio Q235 (160 MPa). Inoltre, la resistenza alla fatica dell'acciaio altoresistenziale può essere ulteriormente migliorata ottimizzando il processo di produzione (come ridurre la rugosità superficiale dei componenti) e l’adozione di misure anti-fatica (come la saldatura d'angolo e la rettifica).
Anche le proprietà meccaniche dinamiche dell'acciaio ad alta resistenza sotto carico del vento rappresentano un importante contenuto di ricerca. Sotto l'azione di improvvisi forti carichi di vento (come i tifoni), la struttura della torre di trasmissione è soggetta a carichi d'urto, che richiedono che l'acciaio ad alta resistenza abbia una buona resilienza. I risultati dei test di resilienza mostrano che l'acciaio ad alta resistenza ha ancora una buona resilienza alle basse temperature, che può soddisfare i requisiti della costruzione di torri di trasmissione nelle regioni fredde.
2.1.3 Applicazione di materiali compositi nelle torri di trasmissione
Oltre all'acciaio ad alta resistenza, Materiali compositi (come il polimero fibrorinforzato, FRP) vengono gradualmente applicati anche nel campo delle torri di trasmissione ad alta resistenza al vento. I materiali compositi presentano il vantaggio della leggerezza, alta resistenza, buona resistenza alla corrosione, e resistenza alla fatica. La densità dei materiali compositi FRP è solo 1/4-1/5 di quello dell'acciaio, e la loro resistenza alla trazione è superiore a quella dell'acciaio ad alta resistenza. Inoltre, i materiali compositi hanno una buona resistenza alla corrosione, che può evitare il problema della corrosione delle torri di trasmissione in acciaio in ambienti umidi e salino-alcalini.
però, è ancora in fase esplorativa l'applicazione di materiali compositi nelle torri di trasmissione. I problemi principali includono i costi elevati, standard di progettazione immaturi, e scarse prestazioni di adesione con componenti in acciaio. Con il continuo sviluppo della tecnologia dei materiali compositi e la riduzione dei costi, i materiali compositi avranno prospettive di applicazione più ampie nelle torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento. Per esempio, i materiali compositi possono essere utilizzati per produrre bracci trasversali leggeri, isolatori, e altri componenti delle torri di trasmissione, che può ridurre il peso strutturale e migliorare la resistenza al vento della torre.
2.2 Metodi di calcolo del carico del vento per le torri di trasmissione
Il carico del vento è il carico principale che influenza la resistenza al vento delle torri di trasmissione. Il calcolo accurato del carico del vento è la premessa per la progettazione di torri di trasmissione resistenti al vento ad alta resistenza. Il calcolo del carico del vento per le torri di trasmissione comprende principalmente la determinazione della velocità base del vento, il calcolo della pressione base del vento, e il calcolo del carico del vento sulla struttura. Questa sezione introduce i metodi comuni di calcolo del carico del vento per le torri di trasmissione resistenti al vento ad alta resistenza.
2.2.1 Determinazione della velocità base del vento
La velocità del vento di base è la velocità massima del vento entro un determinato periodo di ritorno (Generalmente 50 anni o 100 anni) ad un'altezza standard (solitamente 10 metri) nell'area in cui si trova la torre di trasmissione. È la base per il calcolo del carico del vento. La velocità base del vento può essere ottenuta richiedendo i dati meteorologici locali o lo standard nazionale di carico del vento. Per esempio, secondo GB 50009-2012 “Codice per i carichi sulle strutture edilizie” in Cina, la velocità base del vento nelle zone costiere come Guangdong e Fujian è 30-50 Signorina (50-periodo di restituzione annuale), mentre la velocità base del vento nelle zone interne è generalmente 20-30 Signorina.
Per aree ad alta velocità del vento come le aree soggette a tifoni, la velocità del vento di base deve essere determinata in base ai dati di velocità del vento effettivamente misurati. Inoltre, considerando l’influenza dei cambiamenti climatici, la velocità base del vento dovrebbe essere opportunamente aumentata per garantire la resistenza al vento della torre di trasmissione. Per esempio, alcuni studiosi hanno proposto di aumentare la velocità base del vento nelle aree soggette a tifoni 10-15% per far fronte al possibile aumento di venti estremi.
2.2.2 Calcolo della pressione base del vento
La pressione base del vento è la pressione dinamica generata dalla velocità base del vento, che può essere calcolato utilizzando la formula (2.1):
w₀ = 0,5ρv₀² (2.1)
Dove: w₀ è la pressione base del vento (kPa); ρ è la densità dell'aria (kg/m³), solitamente preso come 1.225 kg/m³; v₀ è la velocità base del vento (Signorina).
Per esempio, se la velocità base del vento v₀ è 40 Signorina, la pressione base del vento w₀ è 0,5×1,225×40² = 98 kPa.
Va notato che la pressione base del vento è correlata all'altitudine, temperatura, e umidità della zona. Per zone ad alta quota, la densità dell'aria è piccola, e la pressione base del vento dovrebbe essere corretta in base alla densità effettiva dell'aria.
2.2.3 Calcolo del carico del vento sulle torri di trasmissione
Il carico del vento che agisce sulla struttura della torre di trasmissione viene calcolato moltiplicando la pressione base del vento per il coefficiente del carico del vento, il coefficiente di altezza, e il coefficiente di forma. La formula di calcolo è mostrata in formula (2.2):
F_w = w₀μ_sμ_zA (2.2)
Dove: F_w è il carico del vento che agisce sulla struttura (Machinery and Occupational Safety Act della Repubblica del Sud Africa che ai fini del presente contratto sarà applicabile in Namibia); μ_s è il coefficiente di forma; μ_z è il coefficiente di altezza; A è l'area sopravvento della struttura (Machinery and Occupational Safety Act della Repubblica del Sud Africa che ai fini del presente contratto sarà applicabile in Namibia).
Il coefficiente di forma μ_s è correlato alla forma della sezione trasversale dei componenti della torre di trasmissione. Per esempio, il coefficiente di forma di un tubo circolare d'acciaio è 0.8-1.0, mentre il coefficiente di forma di un acciaio angolare è 1.2-1.5. La sezione trasversale circolare delle torri in tubi di acciaio ha un coefficiente di forma inferiore, che può ridurre il carico del vento che agisce sulla struttura. Il coefficiente di altezza μ_z riflette la variazione della velocità del vento con l'altezza. Con l'aumento dell'altezza, la velocità del vento aumenta, e aumenta anche il coefficiente di altezza. L'area sopravvento A è l'area di proiezione della struttura sul piano sopravvento, che può essere calcolato in base alla dimensione della sezione trasversale e all'altezza dei componenti.
Inoltre, le torri di trasmissione sono inoltre soggette a carichi di vibrazione indotti dal vento, come al galoppo, svolazzare, e vibrazione indotta da vortici. Questi carichi di vibrazione possono essere calcolati mediante test in galleria del vento e analisi dinamiche. Per torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento, è necessario considerare l'azione combinata del carico statico del vento e del carico dinamico delle vibrazioni indotte dal vento per garantire la sicurezza strutturale.
2.3 Principi di stabilità strutturale delle torri di trasmissione
La stabilità strutturale è un indicatore importante per misurare la resistenza al vento delle torri di trasmissione. Sotto l'azione del carico del vento, le torri di trasmissione sono soggette a deformazioni generali o locali, che può portare al collasso strutturale. Perciò, è necessario condurre ricerche approfondite sui principi di stabilità strutturale delle torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento.
2.3.1 Stabilità complessiva delle torri di trasmissione
La stabilità complessiva si riferisce alla capacità della struttura della torre di trasmissione di mantenere la sua forma di equilibrio originale sotto l'azione di carichi esterni. La stabilità complessiva delle torri di trasmissione è influenzata principalmente dalla forma strutturale, parametri geometrici, proprietà dei materiali, e condizioni di carico. Per torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento, la stabilità complessiva viene solitamente valutata calcolando il carico di punta critico.
Il carico critico di instabilità di una struttura della torre di trasmissione può essere calcolato utilizzando il metodo di analisi dell'instabilità degli autovalori. L’analisi di instabilità agli autovalori si basa sul presupposto elastico lineare, e il carico di svergolamento critico può essere ottenuto risolvendo il problema degli autovalori della matrice di rigidezza strutturale. La formula per calcolare il carico di punta critico è mostrata nella formula (2.3):
[K – λK_G]φ = 0 (2.3)
Dove: K è la matrice di rigidezza strutturale; K_G è la matrice di rigidezza geometrica; λ è l'autovalore (fattore di carico critico); φ è l'autovettore (modalità di instabilità).
Il carico di punta critico P_cr = λP, dove P è il carico di progetto. Secondo lo standard di progettazione, il fattore di stabilità e sicurezza delle torri di trasmissione non dovrebbe essere inferiore a 2.5. Se il carico di punta critico è maggiore di 2.5 volte il carico di progetto, la stabilità complessiva della struttura è soddisfatta.
2.3.2 Stabilità locale dei componenti della torre di trasmissione
La stabilità locale si riferisce alla capacità dei singoli componenti della torre di trasmissione (come i tubi d'acciaio, acciai angolari) mantenere la loro forma originaria della sezione trasversale sotto l'azione di carichi esterni. L'instabilità locale dei componenti ridurrà la capacità portante dei componenti e potrebbe influenzare ulteriormente la stabilità complessiva della struttura.
Per componenti in acciaio ad alta resistenza, la stabilità locale viene solitamente verificata secondo il rapporto di snellezza normalizzato. Il rapporto di snellezza normalizzato λ_n viene calcolato mediante la formula (2.4):
λ_n = λ/√(f_y/235) (2.4)
Dove: λ è il rapporto di snellezza del componente; f_y è il carico di snervamento dell'acciaio.
Secondo lo standard di progettazione, il rapporto di snellezza normalizzato massimo consentito λ_max per i componenti in acciaio ad alta resistenza è 1.0. Se λ_n ≤ 1.0, la stabilità locale del componente è soddisfatta. Per componenti con un elevato rapporto di snellezza, è possibile aggiungere nervature di irrigidimento per migliorare la stabilità locale.
Inoltre, la stabilità locale delle parti di connessione dei componenti (come i collegamenti a flangia, collegamenti a bullone) andrebbe anche controllato. Le parti di connessione sono soggette a concentrazione di sollecitazioni sotto il carico del vento, che può portare a deformazioni locali. Perciò, è necessario ottimizzare la progettazione delle parti di connessione per garantirne la stabilità locale.
3. Tecnologie chiave di progettazione di torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento
3.1 Ottimizzazione della forma strutturale delle torri di trasmissione
La forma strutturale delle torri di trasmissione influisce direttamente sulla loro resistenza al vento e sulle prestazioni strutturali. L'ottimizzazione della forma strutturale è un mezzo importante per migliorare la resistenza al vento delle torri di trasmissione resistenti al vento ad alta resistenza. Questa sezione introduce l'ottimizzazione della forma strutturale delle torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento dagli aspetti della struttura del corpo della torre, struttura a braccio trasversale, e struttura dei nodi.
3.1.1 Ottimizzazione della struttura del corpo della torre
Il corpo delle torri di trasmissione tradizionali è prevalentemente una struttura prismatica a sezione trasversale costante. Sotto l'azione del carico del vento, la distribuzione delle sollecitazioni del corpo della torre non è uniforme, e il coefficiente di carico del vento è elevato. Per migliorare la resistenza al vento del corpo della torre, la struttura del corpo della torre può essere ottimizzata in una struttura rastremata o in una struttura a sezione trasversale variabile.
Il corpo della torre rastremato ha una sezione trasversale maggiore nella parte inferiore e una sezione trasversale più piccola nella parte superiore, che può rendere la distribuzione delle sollecitazioni del corpo della torre più uniforme sotto il carico del vento e migliorare la stabilità complessiva della struttura. L'angolo di inclinazione del corpo rastremato della torre è un importante parametro di progettazione. L'angolo di inclinazione comunemente usato è 1/20-1/30. Ottimizzando l'angolo di inclinazione, la resistenza al vento del corpo della torre può essere ulteriormente migliorata. Per esempio, quando l'angolo di inclinazione è 1/25, la stabilità complessiva del corpo della torre è la migliore, e il coefficiente del carico del vento è il più piccolo.
Il corpo della torre a sezione trasversale variabile regola la dimensione della sezione trasversale del corpo della torre in base al cambiamento del carico del vento lungo l'altezza. Nella zona ad alta velocità del vento del corpo della torre (come le parti centrale e superiore), viene adottata una dimensione della sezione trasversale maggiore per migliorare la rigidità e la capacità portante; nella zona a bassa velocità del vento (come il fondo), viene adottata una sezione trasversale più piccola per ridurre il peso strutturale. Il corpo della torre a sezione variabile può raggiungere l'equilibrio tra prestazioni strutturali ed efficienza economica, ed è ampiamente utilizzato nelle torri di trasmissione resistenti al vento ad alta resistenza.
3.1.2 Ottimizzazione della struttura del braccio trasversale
La traversa è un componente importante della torre di trasmissione, che sopporta la tensione del conduttore e il carico del vento. La struttura tradizionale a braccio trasversale è prevalentemente una struttura reticolare a sezione trasversale costante. Sotto l'azione del carico del vento, l'estremità della traversa è soggetta a spostamenti eccessivi e concentrazione di sollecitazioni. Per migliorare la resistenza al vento della traversa, la struttura a braccio trasversale può essere ottimizzata in una struttura reticolare a sezione variabile o in una struttura scatolare.
La struttura a traliccio a sezione trasversale variabile del braccio trasversale aumenta la dimensione della sezione trasversale degli elementi reticolari alla radice e all'estremità del braccio trasversale, che può migliorare la rigidità e la capacità portante del braccio trasversale. La struttura scatolare del braccio trasversale è composta da piastre di acciaio saldate a forma di scatola, che ha un'elevata rigidità, buona resistenza al vento, e piccolo coefficiente di carico del vento. Rispetto al tradizionale braccio trasversale a traliccio, il braccio trasversale a forma di scatola può ridurre il carico del vento di 20-30% e migliorare la resistenza al vento 30-40%.
Inoltre, anche la lunghezza della traversa è un importante parametro di progettazione. La lunghezza della traversa deve essere determinata in base alla spaziatura delle fasi dei conduttori e alla distanza di isolamento. Ottimizzando la lunghezza della traversa, il carico del vento sulla traversa può essere ridotto, e la stabilità complessiva della torre di trasmissione può essere migliorata.
3.1.3 Ottimizzazione della struttura dei nodi
Il nodo è la parte di connessione dei componenti della torre di trasmissione, che trasferisce il carico tra i componenti. La struttura del nodo ha un impatto importante sulle prestazioni complessive della torre di trasmissione. Strutture nodali tradizionali (come le connessioni bullonate, connessioni rivettate) presentano problemi quali scarsa resistenza della connessione e scarse prestazioni a fatica sotto carico di vento. Per migliorare la resistenza al vento della torre di trasmissione, la struttura del nodo può essere ottimizzata in una struttura a nodo saldato o una struttura a nodo con connessione flangiata.
La struttura del nodo saldato ha un'elevata resistenza della connessione e una buona integrità, che può trasferire efficacemente il carico tra i componenti ed evitare la concentrazione delle sollecitazioni nel nodo. però, il processo di saldatura ha requisiti elevati, e la qualità della saldatura influisce direttamente sulle prestazioni del nodo. La struttura del nodo di connessione a flangia collega i componenti tramite flange e bulloni ad alta resistenza, che presenta i vantaggi di una comoda installazione e smontaggio, ed elevata resistenza della connessione. La struttura del nodo di connessione a flangia è ampiamente utilizzata nelle torri di tubi in acciaio ad alta resistenza e resistenti al vento.
Inoltre, la struttura dei nodi dovrebbe essere progettata con angoli arrotondati e transizioni morbide per evitare la concentrazione delle tensioni. Allo stesso tempo, il numero di nodi dovrebbe essere ridotto al minimo per semplificare la struttura e migliorare la resistenza al vento della torre di trasmissione.
3.2 Applicazione di materiali ad alta resistenza nelle torri di trasmissione
L'applicazione di materiali ad alta resistenza è la tecnologia principale delle torri di trasmissione resistenti al vento ad alta resistenza. Una selezione ragionevole e l'applicazione di materiali ad alta resistenza possono migliorare significativamente la resistenza strutturale e la resistenza al vento, ridurre il peso strutturale, e migliorare l’efficienza economica del progetto. Questa sezione introduce l'applicazione di acciaio ad alta resistenza e materiali compositi nelle torri di trasmissione resistenti al vento ad alta resistenza.
3.2.1 Applicazione dell'acciaio ad alta resistenza nelle torri di trasmissione
Acciaio ad alta resistenza (Q420, Q500, Q690) è ampiamente utilizzato nel corpo della torre, traverse, e altri componenti chiave delle torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento. Quando si applica acciaio ad alta resistenza, è necessario selezionare ragionevolmente la qualità dell'acciaio in base alle condizioni di carico e ai requisiti strutturali della torre di trasmissione.
Per i componenti del corpo della torre che sopportano grandi carichi di vento e tensione del conduttore, acciaio ad alta resistenza di alta qualità (come Q500, Q690) dovrebbero essere selezionati per migliorare la capacità portante e la stabilità dei componenti. Per i componenti del braccio trasversale, acciaio ad alta resistenza di qualità media (come Q420) possono essere selezionati per bilanciare le prestazioni strutturali e l’efficienza economica. Inoltre, l'applicazione di acciai ad alta resistenza dovrebbe essere combinata con l'ottimizzazione delle dimensioni della sezione trasversale dei componenti. Riducendo la dimensione della sezione trasversale dei componenti, il peso strutturale può essere ridotto, e il carico del vento sulla struttura può essere ulteriormente ridotto.
Va notato che l'applicazione dell'acciaio ad alta resistenza richiede corrispondenti cambiamenti nel metodo di progettazione e nella tecnologia di costruzione. Per esempio, la progettazione di componenti in acciaio ad alta resistenza dovrebbe considerare l'influenza della non linearità del materiale, e la costruzione dovrebbe adottare tecnologie di lavorazione e installazione ad alta precisione per garantire le prestazioni strutturali.
3.2.2 Applicazione di materiali compositi nelle torri di trasmissione
Materiali compositi (FRP) hanno i vantaggi della leggerezza, alta resistenza, e buona resistenza alla corrosione, e vengono gradualmente applicati in torri di trasmissione resistenti al vento ad alta resistenza. L'applicazione dei materiali compositi nelle torri di trasmissione comprende principalmente la produzione di bracci trasversali, isolatori, e componenti del corpo della torre.
Il braccio trasversale in materiale composito è leggero (solo 1/3-1/4 di quello delle traverse in acciaio) e ha una buona resistenza al vento. Può ridurre il carico del vento sulla torre di trasmissione e migliorare la stabilità complessiva della struttura. L'isolante in materiale composito ha buone prestazioni di isolamento e resistenza alla corrosione, che può evitare il problema del flashover da inquinamento dei tradizionali isolanti ceramici in ambienti umidi e salino-alcalini. I componenti del corpo della torre in materiale composito sono ancora in fase sperimentale, ma con il continuo sviluppo della tecnologia dei materiali compositi, avranno prospettive di applicazione più ampie.
però, Anche l’applicazione dei materiali compositi nelle torri di trasmissione deve affrontare alcune sfide. Per esempio, il costo dei materiali compositi è elevato, che ne limita l’applicazione su larga scala. Inoltre, le prestazioni di adesione tra materiali compositi e componenti in acciaio devono essere ulteriormente migliorate. Perciò, nell'applicazione dei materiali compositi, è necessario condurre ricerche approfondite sulle loro proprietà meccaniche e sui metodi di progettazione, e sviluppare tecnologie di materiali compositi a basso costo.
3.3 Progettazione di componenti resistenti al vento per torri di trasmissione
La progettazione di componenti resistenti al vento è un mezzo importante per migliorare la resistenza al vento delle torri di trasmissione resistenti al vento ad alta resistenza. Installando componenti resistenti al vento, il carico del vento sulla torre di trasmissione può essere ridotto, la risposta dinamica della struttura può essere controllata, e la resistenza al vento della torre può essere migliorata. Questa sezione introduce la progettazione dei comuni componenti resistenti al vento, come i dispositivi anti-galoppo, smorzatori di massa accordati, e generatori di vortici.
3.3.1 Progettazione di dispositivi anti-galoppo
Il galoppo è una bassa frequenza, vibrazione autoeccitata di grande ampiezza dei conduttori causata dal carico del vento, che possono causare gravi danni alle torri di trasmissione. La progettazione dei dispositivi anti-galoppo è una misura importante per prevenire il galoppo del conduttore. I comuni dispositivi anti-galoppo includono ammortizzatori anti-galoppo, ammortizzatori distanziatori, e spoiler aerodinamici.
Gli smorzatori anti-galoppo assorbono l'energia delle vibrazioni galoppanti attraverso il movimento relativo dei componenti interni, riducendo l'ampiezza delle vibrazioni del conduttore. La progettazione delle serrande anti-galoppo dovrebbe considerare la frequenza naturale del conduttore e le caratteristiche del carico del vento, e selezionare i parametri appropriati dello smorzatore (come il coefficiente di smorzamento, rigidità) per garantire l'effetto anti-galoppo. Gli smorzatori distanziatori vengono utilizzati per collegare conduttori divisi, limitando il movimento relativo tra i conduttori e impedendo il galoppo. Gli spoiler aerodinamici modificano le caratteristiche aerodinamiche della superficie del conduttore, riducendo la forza aerodinamica che provoca il galoppo.
3.3.2 Progettazione di smorzatori a massa accordata
Smorzatori di massa accordati (TMD) sono ampiamente utilizzati nel controllo delle vibrazioni indotte dal vento delle torri di trasmissione. TMD è costituito da un blocco di massa, una primavera, e un ammortizzatore. Regolando la frequenza naturale del TMD in modo che sia vicina alla frequenza naturale della torre di trasmissione, l'energia di vibrazione della torre può essere assorbita, e la risposta dinamica della struttura può essere ridotta.
La progettazione del TMD dovrebbe considerare la frequenza naturale e il rapporto di smorzamento della torre di trasmissione. La massa del blocco di massa TMD è solitamente 1-5% della massa totale della torre di trasmissione. La rigidità della molla e il coefficiente di smorzamento del TMD sono determinati in base alla frequenza naturale della torre. La posizione di installazione di TMD è solitamente nella parte superiore della torre o all'estremità della traversa, dove l'ampiezza della vibrazione è massima, per ottenere il miglior effetto di controllo delle vibrazioni.
3.3.3 Progettazione di generatori di vortici
La vibrazione indotta da vortici è una vibrazione causata dal distacco dei vortici dalla superficie dei componenti della torre di trasmissione. I generatori di vortici possono distruggere la formazione di vortici, ridurre la vibrazione dei componenti indotta dai vortici. La progettazione dei generatori di vortici dovrebbe considerare la forma della sezione trasversale e le dimensioni dei componenti, e le caratteristiche della velocità del vento dell'area.
I generatori di vortice comuni includono generatori di vortice triangolari e generatori di vortice rettangolari. Il generatore di vortice triangolare ha un migliore effetto di rottura del vortice ed è ampiamente utilizzato nelle torri di trasmissione. La densità di installazione e l'angolo dei generatori di vortici devono essere ottimizzati in base ai risultati dei test in galleria del vento per garantire il miglior effetto vibrazionale indotto dall'anti-vortice.
3.4 Ottimizzazione leggera delle strutture delle torri di trasmissione
L'ottimizzazione della leggerezza è un obiettivo importante nella progettazione di torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento. Riducendo il peso strutturale, il carico del vento sulla torre di trasmissione può essere ridotto, il costo della fondazione può essere risparmiato, e l’efficienza economica del progetto può essere migliorata. L'ottimizzazione del peso leggero delle strutture delle torri di trasmissione può essere ottenuta attraverso l'ottimizzazione delle dimensioni della sezione trasversale dei componenti, la scelta di materiali leggeri, e la semplificazione delle forme strutturali.
3.4.1 Ottimizzazione delle dimensioni della sezione trasversale dei componenti
La dimensione della sezione trasversale dei componenti della torre di trasmissione influisce direttamente sul peso strutturale e sulla capacità portante. Attraverso l'ottimizzazione delle dimensioni della sezione trasversale dei componenti, è possibile ottenere la dimensione minima della sezione trasversale che soddisfa i requisiti di resistenza e stabilità, e il peso strutturale può essere ridotto. L'ottimizzazione delle dimensioni della sezione trasversale dei componenti può essere effettuata utilizzando il metodo degli elementi finiti e algoritmi di ottimizzazione matematica.
Prima, viene stabilito il modello agli elementi finiti della torre di trasmissione, e vengono calcolate le forze interne e gli spostamenti di ciascun componente soggetto ai carichi di progetto. Poi, prendendo il peso totale minimo dei componenti come funzione obiettivo e forza, rigidità, e stabilità dei componenti come condizioni di vincolo, la dimensione ottimale della sezione trasversale di ciascun componente si ottiene attraverso il calcolo dell'ottimizzazione. Per esempio, utilizzando l'algoritmo genetico per ottimizzare la dimensione della sezione trasversale dei componenti del corpo della torre è possibile ridurre il peso strutturale di 10-15% garantendo al tempo stesso le prestazioni strutturali.
3.4.2 Selezione di materiali leggeri
La selezione di materiali leggeri è un mezzo importante per ottenere la leggerezza delle torri di trasmissione. L'acciaio ad alta resistenza e i materiali compositi sono tipici materiali leggeri. Rispetto all'acciaio ordinario, l'acciaio ad alta resistenza ha una resistenza maggiore, e la dimensione della sezione trasversale dei componenti può essere ridotta nelle stesse condizioni di carico, riducendo così il peso strutturale. I materiali compositi presentano i vantaggi di leggerezza ed elevata resistenza, e può ridurre ulteriormente il peso strutturale.
Per esempio, l'uso dell'acciaio ad alta resistenza Q500 invece dell'acciaio ordinario Q235 nelle torri di trasmissione può ridurre l'area della sezione trasversale dei componenti di 30-40% e il peso strutturale di 20-30%. L'uso di bracci trasversali in materiale composito invece di bracci trasversali in acciaio può ridurre il peso dei bracci trasversali 60-70%.
3.4.3 Semplificazione delle forme strutturali
La semplificazione delle forme strutturali può anche raggiungere la leggerezza delle torri di trasmissione. Riducendo il numero di componenti e nodi, semplificando il layout strutturale, il peso strutturale può essere ridotto. Per esempio, il tradizionale corpo della torre a traliccio può essere semplificato in un corpo a torre in tubo di acciaio, che riduce il numero di componenti e migliora l'integrità strutturale. La forma strutturale semplificata non solo riduce il peso strutturale ma migliora anche l'efficienza costruttiva e riduce i costi di costruzione.
4. Analisi agli elementi finiti di torri di trasmissione ad alta resistenza al vento
4.1 Istituzione del modello agli elementi finiti
Analisi degli elementi finiti (FEA) è un potente strumento per simulare e analizzare le prestazioni meccaniche delle torri di trasmissione ad alta resistenza al vento. Può calcolare con precisione lo stress, spostamento, e caratteristiche dinamiche della struttura sotto diversi livelli di carico del vento, fornire una base affidabile per la progettazione e l’ottimizzazione della struttura. Questa sezione prende come esempio una torre tubolare in acciaio ad alta resistenza al vento da 220 kV per stabilire il suo modello a elementi finiti utilizzando il software ANSYS.
4.1.1 Modellazione geometrica
Prima, il modello geometrico 3D della torre tubolare in acciaio ad alta resistenza e resistente al vento da 220 kV viene creato utilizzando il software ANSYS DesignModeler. I parametri principali della torre sono i seguenti: l'altezza della torre è di 60 m, la larghezza della base è di 12 m, la larghezza superiore è di 1,8 m, il corpo della torre è una struttura in tubo d'acciaio conico con uno spessore della parete di 8-16 mm, i bracci trasversali sono strutture tubolari in acciaio di tipo scatolare con una lunghezza di 20 me uno spessore della parete di 10 mm, gli isolanti sono semplificati come strutture cilindriche con una lunghezza di 5 me un diametro di 0,1 m, e i conduttori sono conduttori divisi in 4 con un diametro di 28 mm e una distanza di divisione di 0,4 m.
Durante il processo di modellazione geometrica, piccoli componenti che hanno poco impatto sulle prestazioni meccaniche della struttura (come i bulloni, noccioline, e piccole parentesi) vengono ignorati per semplificare il modello. La connessione tra i componenti è semplificata come connessione rigida.
4.1.2 Generazione di maglie
La generazione della mesh del modello agli elementi finiti viene effettuata utilizzando il software ANSYS Meshing. Considerando la complessa struttura della torre e l'elevato requisito di precisione di calcolo, per il corpo della torre vengono utilizzati elementi tetraedrici, traverse, e isolanti, e gli elementi trave sono utilizzati per i conduttori. La dimensione della mesh è ottimizzata per bilanciare l'accuratezza e l'efficienza del calcolo. La dimensione della maglia del corpo della torre e delle traverse è impostata su 0,4-0,8 m, la dimensione della maglia degli isolanti è impostata su 0,2-0,4 m, e la dimensione della maglia dei conduttori è impostata su 0,8-1,5 m.
Dopo la generazione della mesh, viene controllata la qualità della mesh. Gli indicatori di qualità della mesh includono le proporzioni, asimmetria, e ortogonalità. Il rapporto d'aspetto medio della mesh è 1.5, l'asimmetria media è 0.22, e l'ortogonalità media è 0.78, che soddisfano tutti i requisiti del calcolo agli elementi finiti. Il numero totale di elementi mesh è 2,850,000, e il numero totale di nodi è 4,960,000.
4.1.3 Impostazione dei parametri del materiale
Il corpo della torre e i bracci trasversali sono realizzati in acciaio ad alta resistenza Q420, i conduttori sono realizzati in lega di alluminio, e gli isolanti sono realizzati con materiali compositi FRP. I parametri del materiale sono impostati come segue: L'acciaio ad alta resistenza Q420 ha una densità di 7850 kg/m³, modulo elastico di 206 GPa, e il rapporto di Poisson di 0.3; la lega di alluminio ha una densità di 2700 kg/m³, modulo elastico di 70 GPa, e il rapporto di Poisson di 0.33; I materiali compositi FRP hanno una densità di 1800 kg/m³, modulo elastico di 35 GPa, e il rapporto di Poisson di 0.24.
4.1.4 Impostazione delle condizioni al contorno
La fondazione della torre di trasmissione è fissa, quindi lo spostamento dei nodi di fondazione nella x, sì, e le direzioni z sono limitate a zero. I conduttori sono collegati alle traverse tramite isolatori, quindi il collegamento tra i conduttori e gli isolanti è impostato come un collegamento a cerniera. Il carico del vento viene applicato alla superficie del corpo della torre e delle traverse come un carico di pressione uniforme.
4.2 Analisi statica sotto carico del vento
Viene eseguita l'analisi statica sotto il carico del vento per calcolare lo stress e lo spostamento della torre di trasmissione ad alta resistenza resistente al vento sotto diversi livelli di carico del vento, verificare la resistenza e la rigidezza della struttura. Questa sezione seleziona tre livelli di carico del vento (velocità base del vento 30 Signorina, 40 Signorina, 50 Signorina) per l'analisi statica.
4.2.1 Risultati dell'analisi statica con velocità del vento di base 30 Signorina
Quando la velocità base del vento è 30 Signorina, la pressione base del vento è 0,5×1,225×30² = 55.125 kPa. I risultati dell'analisi statica mostrano che la sollecitazione massima della struttura della torre di trasmissione è 168 MPa, che si trova in corrispondenza del collegamento tra il corpo della torre e le traverse. Lo spostamento massimo della struttura è 0,32 m, che si trova all'estremità dei bracci trasversali. Lo stress massimo è molto inferiore al limite di snervamento dell'acciaio ad alta resistenza Q420 (420 MPa), e lo spostamento massimo rientra nell'intervallo consentito (0.4m), indicando che la struttura ha resistenza e rigidità sufficienti sotto questo livello di carico del vento.
4.2.2 Risultati dell'analisi statica con velocità del vento di base 40 Signorina
Quando la velocità base del vento è 40 Signorina, la pressione base del vento è 98 kPa. I risultati dell'analisi statica mostrano che la sollecitazione massima della struttura della torre di trasmissione è 245 MPa, che si trova nella parte inferiore del corpo della torre. Lo spostamento massimo della struttura è 0,58 m, che si trova all'estremità dei bracci trasversali. La sollecitazione massima è ancora inferiore al limite di snervamento dell'acciaio ad alta resistenza Q420, e lo spostamento massimo rientra nell'intervallo consentito (0.6m), indicando che la struttura ha una buona resistenza al vento sotto questo livello di carico del vento.
4.2.3 Risultati dell'analisi statica con velocità del vento di base 50 Signorina
Quando la velocità base del vento è 50 Signorina, la pressione base del vento è 153.125 kPa. I risultati dell'analisi statica mostrano che la sollecitazione massima della struttura della torre di trasmissione è 322 MPa, che si trova nella parte inferiore del corpo della torre. Lo spostamento massimo della struttura è di 0,85 m, che si trova all'estremità dei bracci trasversali. La sollecitazione massima è ancora inferiore al limite di snervamento dell'acciaio ad alta resistenza Q420, e lo spostamento massimo rientra nell'intervallo consentito (0.9m), indicando che la struttura può sopportare livelli estremi di carico di vento e ha un'eccellente resistenza al vento.
4.3 Analisi dinamica sotto carico del vento
L'analisi dinamica sotto carico del vento viene effettuata per studiare le caratteristiche dinamiche della torre di trasmissione ad alta resistenza e resistente al vento, compresa la frequenza naturale, periodo naturale, e risposta dinamica alle vibrazioni indotte dal vento. I risultati dell'analisi dinamica costituiscono la base per la progettazione di componenti resistenti al vento.
4.3.1 Analisi modale
L'analisi modale viene eseguita utilizzando il metodo di iterazione del subspazio nel software ANSYS. Il primo 10 vengono calcolate le frequenze naturali e le forme modali della struttura della torre di trasmissione. I risultati dell'analisi modale mostrano che la prima frequenza naturale della struttura è 0.65 Hz, il periodo naturale è 1.54 S, e la prima forma modale è la vibrazione di flessione laterale del corpo della torre. La seconda frequenza naturale è 1.02 Hz, il periodo naturale è 0.98 S, e la seconda forma modale è la vibrazione torsionale del corpo della torre. Le frequenze naturali della struttura sono relativamente basse, che è dovuto alla grande altezza e alla piccola rigidità della struttura. Perciò, è necessario installare componenti resistenti al vento per controllare le vibrazioni della struttura indotte dal vento.
4.3.2 Analisi della risposta alle vibrazioni indotte dal vento
L'analisi della risposta alle vibrazioni indotte dal vento viene effettuata utilizzando il metodo dell'analisi dinamica transitoria. Il carico del vento viene simulato come un carico variabile nel tempo in base alla curva cronologica della velocità del vento. I risultati dell'analisi mostrano che la massima sollecitazione dinamica della struttura della torre di trasmissione sottoposta alle vibrazioni indotte dal vento è 358 MPa, che si trova nella parte inferiore del corpo della torre. Lo spostamento dinamico massimo è 0,92 m, che si trova all'estremità dei bracci trasversali. La massima sollecitazione dinamica è ancora inferiore al limite di snervamento dell'acciaio ad alta resistenza Q420, indicando che la struttura ha buone prestazioni dinamiche sotto le vibrazioni indotte dal vento.
Inoltre, la risposta alle vibrazioni indotte dal vento della struttura dopo l'installazione dello smorzatore a massa accordata (TMD) viene anche analizzato. I parametri TMD sono impostati come segue: la massa è 2 tonnellate, la rigidità è 150 kN / m, il coefficiente di smorzamento è 5 kN·s/m. I risultati dell'analisi mostrano che dopo aver installato TMD, la massima sollecitazione dinamica della struttura è ridotta a 295 MPa, e lo spostamento dinamico massimo è ridotto a 0,72 m, che è una riduzione di 17.3% e 21.7% rispettivamente. Ciò indica che la TMD ha un buon effetto di controllo sulle vibrazioni della struttura indotte dal vento.
4.4 Analisi della stabilità sotto carico del vento
Viene eseguita l'analisi di stabilità sotto carico del vento per valutare la stabilità complessiva e la stabilità locale della torre di trasmissione ad alta resistenza resistente al vento, garantire che la struttura non subisca cedimenti per instabilità sotto il carico del vento. Questa sezione adotta il metodo di analisi dell'instabilità agli autovalori e il metodo di analisi dell'instabilità geometricamente non lineare per eseguire l'analisi di stabilità.
4.4.1 Analisi di instabilità degli autovalori
I risultati dell'analisi di instabilità degli autovalori mostrano che il primo carico di instabilità critico della struttura della torre di trasmissione è 3.8 volte il carico del vento di progetto (velocità base del vento 40 Signorina), e la prima modalità di instabilità è l'instabilità laterale complessiva del corpo della torre. Secondo lo standard di progettazione, il fattore di stabilità e sicurezza delle torri di trasmissione non dovrebbe essere inferiore a 2.5. Il fattore di sicurezza di stabilità calcolato (3.8) è maggiore del valore richiesto, indicando che la struttura ha una stabilità complessiva sufficiente sotto il carico del vento.
4.4.2 Analisi di instabilità geometricamente non lineare
L'analisi di instabilità degli autovalori si basa sul presupposto elastico lineare e non considera l'influenza della non linearità geometrica. Per ottenere risultati di analisi di stabilità più accurati, viene inoltre effettuata un'analisi di instabilità geometricamente non lineare. I risultati dell'analisi mostrano che il carico di punta critico della struttura è 3.2 volte il carico del vento di progetto, che è leggermente inferiore al risultato dell'analisi di instabilità degli autovalori. Questo perché la non linearità geometrica ridurrà la rigidità strutturale e quindi abbasserà il carico di punta critico. però, il fattore di sicurezza di stabilità calcolato (3.2) è ancora maggiore del valore richiesto di 2.5, indicando che la struttura ha ancora una stabilità complessiva sufficiente sotto l'influenza della non linearità geometrica. Inoltre, viene verificata la stabilità locale dei componenti chiave come il corpo della torre e le traverse. Viene calcolato il rapporto di snellezza normalizzato di ciascun componente, e i risultati mostrano che il rapporto di snellezza normalizzato massimo è 0.85, che è inferiore al valore massimo consentito di 1.0, indicando che la stabilità locale dei componenti soddisfa i requisiti di progettazione.
5. Caso di studio ingegneristico di torri di trasmissione ad alta resistenza al vento
5.1 Panoramica del progetto
Verificare l'effetto pratico dell'applicazione delle torri di trasmissione resistenti al vento ad alta resistenza, in questo capitolo viene preso come esempio un progetto di trasmissione di energia da 220 kV in un'area costiera della Cina meridionale soggetta a tifoni. Il progetto è situato in una città costiera con una velocità media annua del vento di 6.8 m/s e una velocità base del vento di 45 Signorina (50-periodo di restituzione annuale). Le tradizionali torri di trasmissione utilizzate nella fase iniziale del progetto sono state spesso danneggiate dall'azione dei tifoni, con conseguenti frequenti interruzioni di corrente e ingenti perdite economiche. Per risolvere questo problema, il progetto ha deciso di adottare torri di trasmissione ad alta resistenza al vento nelle sezioni chiave. La durata totale del progetto è 35 km, coinvolgendo 56 torri in tubo di acciaio ad alta resistenza e resistenti al vento con altezze che vanno da 55 m a 70 m, che copre le zone montuose e pianeggianti costiere.
I requisiti di progettazione principali del progetto sono i seguenti: (1) La torre di trasmissione deve resistere al carico di vento estremo corrispondente al periodo di ritorno di 100 anni (velocità base del vento 55 Signorina); (2) Rispetto alle tradizionali torri di trasmissione in acciaio Q235, il peso strutturale è ridotto di oltre 15%, e il costo del progetto è controllato all'interno 8% dello schema tradizionale; (3) La durata della struttura della torre non è inferiore a 50 anni, e il costo di manutenzione annuale è ridotto di oltre 20%; (4) Il periodo di costruzione è ridotto di oltre 10% attraverso la tecnologia dell’assemblaggio prefabbricato.
5.2 Progettazione e costruzione di torri di trasmissione ad alta resistenza al vento
5.2.1 Ottimizzazione dello schema di progettazione
Combinato con le caratteristiche del carico del vento locale e le condizioni topografiche, il progetto adotta una struttura a torre in tubi d'acciaio rastremati. Il corpo della torre utilizza acciaio ad alta resistenza Q500 per migliorare la capacità portante complessiva, e i bracci trasversali adottano acciaio ad alta resistenza Q420 con un design a sezione scatolare, che riduce efficacemente il coefficiente di carico del vento migliorando al contempo la rigidità strutturale. La connessione del nodo adotta una connessione con bullone flangiato ad alta resistenza, che non solo garantisce la resistenza della connessione ma migliora anche l'efficienza dell'installazione in loco. Inoltre, mirato al problema delle vibrazioni indotte dal vento nelle zone costiere, smorzatori di massa accordati (TMD) sono installati alla sommità della torre e all'estremità delle traverse, e sui conduttori sono installati dispositivi anti-galoppo per sopprimere le vibrazioni galoppanti e indotte dai vortici.
Nel calcolo del carico del vento, il progetto segue rigorosamente i requisiti di GB 50009-2012 “Codice per i carichi sulle strutture edilizie” e GB 50545-2010 “Codice per la progettazione delle linee di trasmissione aeree da 110 kV a 750 kV”. La pressione base del vento è calcolata come 0,5×1,225×45² = 123.94 kPa. Per eseguire l'analisi statica è stato creato un modello tridimensionale agli elementi finiti del sistema torre-linea di trasmissione, analisi dinamica e di stabilità. I risultati dell'analisi mostrano che sotto la velocità del vento di base di 45 Signorina, la sollecitazione massima del corpo della torre è 286 MPa (inferiore al limite di snervamento dell'acciaio Q500 500 MPa), lo spostamento massimo in sommità è di 0,65 m (entro il limite di spostamento consentito di 1/100 di l'altezza della torre), e il fattore di sicurezza della stabilità è 3.5, che soddisfa pienamente i requisiti progettuali.
5.2.2 Tecnologia costruttiva e controllo qualità
Il progetto adotta la tecnologia di costruzione dell'assemblaggio prefabbricato. Tutti i componenti del corpo della torre, le traverse e i nodi sono prefabbricati in fabbrica con un errore di precisione di lavorazione controllato entro ±2 mm. I componenti prefabbricati vengono trasportati al cantiere da veicoli speciali dotati di misure di protezione anticollisione e anticorrosione. La costruzione in loco viene eseguita nell'ordine di costruzione della fondazione, assemblaggio del corpo della torre, installazione del braccio trasversale, debugging di componenti resistenti al vento e montaggio di conduttori.
Nella fase di costruzione della fondazione, Le fondazioni su pali trivellati in cemento armato vengono utilizzate per adattarsi alle caratteristiche del terreno soffice delle zone costiere, e la capacità portante di ciascuna fondazione viene testata per garantire che soddisfi i requisiti di progettazione. Durante l'assemblaggio del corpo della torre, per il sollevamento viene utilizzata una gru cingolata, e i bulloni di collegamento della flangia sono serrati con una chiave dinamometrica per garantire che la coppia soddisfi lo standard (450 N·m per bulloni ad alta resistenza M24). Dopo l'installazione dei dispositivi TMD e antigaloppo, Vengono eseguiti test dinamici in loco per regolare i parametri dello smorzatore e ottenere l'effetto ottimale di controllo delle vibrazioni. L'intero processo di costruzione implementa il controllo della qualità dell'intero processo, compresa l'ispezione delle dimensioni dei componenti, test della coppia dei bulloni e rilevamento dell'allineamento strutturale.
Il periodo di costruzione effettivo del 56 le torri di trasmissione resistenti al vento ad alta resistenza sono 120 giorni, che è 16% più breve del previsto 143 giorni dello schema tradizionale, verificare il vantaggio in termini di efficienza della tecnologia di assemblaggio prefabbricato.
5.3 Valutazione degli effetti dell'applicazione
5.3.1 Valutazione delle prestazioni strutturali
Dopo il completamento del progetto, è stato effettuato un monitoraggio in loco della durata di un anno sulle principali torri di trasmissione, compresa la velocità del vento, monitoraggio delle sollecitazioni strutturali e degli spostamenti. Durante il periodo di monitoraggio, Il tifone Kompasu ha attraversato l'area del progetto, con una velocità massima istantanea del vento di 52 Signorina. I risultati del monitoraggio mostrano che la sollecitazione massima del corpo della torre sotto l'azione del tifone è 312 MPa, che è coerente con i risultati della simulazione agli elementi finiti (308 MPa), e non vi sono deformazioni plastiche o danni ai componenti. Lo spostamento massimo in alto è di 0,78 m, che rientra nell'intervallo consentito. Rispetto alle tradizionali torri di trasmissione adiacenti, l'ampiezza delle vibrazioni delle torri antivento ad alta resistenza è ridotta di 23% sotto lo stesso carico di vento, indicando che il sistema di controllo delle vibrazioni TMD ha un effetto significativo.
5.3.2 Analisi dei benefici economici
Il vantaggio economico del progetto viene valutato sotto tre aspetti: costo di costruzione iniziale, costi di funzionamento e manutenzione e perdite di interruzione di corrente. I risultati statistici lo dimostrano: (1) Il costo unitario delle torri di trasmissione resistenti al vento ad alta resistenza è 18% superiore a quello delle torri tradizionali, ma a causa della riduzione del peso strutturale e della scala di fondazione, il costo totale di costruzione del progetto è solo 4.2% superiore a quello del sistema tradizionale; (2) Il costo annuale di manutenzione delle torri in acciaio ad alta resistenza è 25% inferiore a quello delle torri tradizionali grazie alla loro buona resistenza alla corrosione e stabilità strutturale; (3) Dal completamento del progetto, non si è verificata alcuna interruzione di corrente causata da danni alla torre, e la perdita di interruzione di corrente è stata ridotta di 85% rispetto allo stesso periodo prima della trasformazione. Un calcolo completo mostra che il periodo di recupero dell'investimento per lo schema di torri ad alta resistenza e resistenti al vento è 6.3 anni, con notevoli benefici economici a lungo termine.
5.3.3 Valutazione dei benefici sociali
L'applicazione di torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento ha ottenuto notevoli vantaggi sociali. Da un lato, garantisce il funzionamento sicuro e stabile della rete elettrica locale, soddisfa la richiesta di energia di 230,000 residenti e 120 imprese industriali, e fornisce una garanzia di energia affidabile per lo sviluppo economico locale. D'altro canto, la riduzione delle interruzioni di corrente migliora il senso di sicurezza e soddisfazione del pubblico nei confronti dei servizi di fornitura elettrica. Inoltre, la tecnologia di assemblaggio prefabbricato riduce il rumore di costruzione in cantiere e l'inquinamento da polveri, e l'uso di acciaio ad alta resistenza riduce il consumo di acciaio del 17%, che è in linea con la strategia nazionale di sviluppo verde e a basse emissioni di carbonio.
6. Conclusione e prospettiva
6.1 Conclusioni principali
Questo documento conduce una ricerca approfondita sulla ricerca e sullo sviluppo di torri di trasmissione di energia resistenti al vento ad alta resistenza, e trae le seguenti principali conclusioni attraverso l'analisi teorica, simulazione degli elementi finiti e pratica ingegneristica:
(1) Le proprietà meccaniche degli acciai ad alta resistenza (Q420, Q500, Q690) fornire una solida base materiale per la progettazione di torri di trasmissione resistenti al vento. Rispetto all'acciaio ordinario, l'acciaio ad alta resistenza ha un carico di snervamento e una resistenza alla trazione più elevati, e buona resistenza alla fatica e all'impatto, che può migliorare significativamente la capacità portante strutturale e ridurre il peso. Il calcolo accurato del carico del vento (compresa la determinazione di base della velocità del vento, calcolo base della pressione del vento e selezione del coefficiente di carico del vento) e la comprensione dei principi di stabilità strutturale (stabilità globale e locale) sono le premesse teoriche fondamentali del design.
(2) Le principali tecnologie di progettazione come l'ottimizzazione della forma strutturale, applicazione di materiale ad alta resistenza, la progettazione dei componenti resistenti al vento e l'ottimizzazione della leggerezza sono mezzi efficaci per migliorare la resistenza al vento delle torri di trasmissione. Il corpo rastremato della torre, il braccio trasversale a scatola e il collegamento a flangia possono migliorare la rigidità strutturale e ridurre il carico del vento; la scelta ragionevole di qualità di acciaio ad alta resistenza e l'applicazione di materiali compositi possono bilanciare prestazioni ed economia; TMD, i dispositivi anti-galoppo e altri componenti resistenti al vento possono sopprimere efficacemente le vibrazioni indotte dal vento; l'ottimizzazione delle sezioni trasversali dei componenti e la semplificazione strutturale possono raggiungere obiettivi di leggerezza.
(3) I risultati dell'analisi degli elementi finiti mostrano che la torre di trasmissione ad alta resistenza e resistente al vento ha eccellenti prestazioni strutturali. Sotto la velocità del vento di base di 30-50 Signorina, lo stress massimo è inferiore al limite di snervamento dell'acciaio ad alta resistenza, e lo spostamento rientra nell'intervallo consentito. L’analisi modale e l’analisi della risposta alle vibrazioni indotte dal vento mostrano che l’installazione di TMD può ridurre lo stress dinamico e lo spostamento della struttura di oltre 17%. L'analisi di stabilità mostra che la struttura ha una stabilità complessiva e locale sufficiente, e il fattore di sicurezza soddisfa i requisiti di progettazione.
(4) Il caso di studio ingegneristico verifica la fattibilità e la superiorità delle torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento. Il progetto costiero da 220 kV dimostra che le torri ad alta resistenza al vento possono resistere ai carichi estremi dei tifoni, presentano i vantaggi di un breve periodo di costruzione, bassi costi di manutenzione e notevoli vantaggi economici e sociali, e fornire esperienza pratica per la promozione e l'applicazione di tali torri in aree ad alta velocità del vento.
6.2 Limitazioni della ricerca
Sebbene questo articolo abbia raggiunto determinati risultati di ricerca, ci sono ancora le seguenti limitazioni: (1) La ricerca sulle proprietà meccaniche degli acciai altoresistenziali si basa principalmente su prove di laboratorio, e le prestazioni a lungo termine (fatica, corrosione) di torri di trasmissione in acciaio ad alta resistenza in condizioni di servizio reali (carico di vento alternato, corrosione atmosferica marina) necessita di ulteriore monitoraggio e ricerca in loco; (2) Il modello agli elementi finiti semplifica alcuni piccoli componenti e dettagli di connessione, che possono portare a lievi deviazioni tra i risultati della simulazione e le prestazioni strutturali effettive; (3) Il caso ingegneristico è limitato ai progetti costieri a 220 kV, e l'effetto applicativo delle torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento nei progetti UHV e nelle aree alpine e ad alta quota necessita di ulteriori verifiche; (4) La ricerca sui materiali compositi è prevalentemente teorica, inoltre è necessario approfondire ulteriormente la tecnologia di applicazione su larga scala e il controllo dei costi dei materiali compositi nelle torri di trasmissione.
6.3 Direzioni future della ricerca
Considerando i limiti della ricerca e le esigenze di sviluppo del settore energetico, le future direzioni di ricerca delle torri di trasmissione ad alta resistenza al vento sono proposte come segue:
(1) Rafforzare la ricerca sulle prestazioni a lungo termine e sulla previsione della vita. Effettuare il monitoraggio del monitoraggio a lungo termine delle torri di trasmissione ad alta resistenza resistenti al vento in diversi ambienti, studiare la legge di evoluzione delle prestazioni strutturali sotto l'azione combinata del carico del vento, corrosione e fatica, e stabilire un modello di previsione della vita basato sull’accoppiamento multifattoriale.
(2) Migliorare la precisione della simulazione degli elementi finiti. Considerare l'influenza della non linearità del materiale, rigidezza della connessione e dettagli locali sulle prestazioni strutturali, stabilire un modello agli elementi finiti più raffinato, e combinare i test nella galleria del vento per migliorare l'affidabilità dei risultati della simulazione. Esplora l'applicazione della tecnologia del gemello digitale nella progettazione delle torri di trasmissione e nel monitoraggio del funzionamento per realizzare una gestione dinamica delle strutture in tempo reale.
(3) Ampliare l'ambito dell'applicazione e l'adattamento dello scenario. Sviluppare tecnologie di torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento adatte per UHV, energia eolica offshore e altri progetti, ottimizzare lo schema progettuale in base alle diverse condizioni ambientali (alta quota, regioni fredde), e promuovere l’applicazione su larga scala di tecnologie resistenti al vento ad alta resistenza nella rete elettrica.
(4) Promuovere l’innovazione e l’applicazione di nuovi materiali e nuove tecnologie. Accelerare la ricerca sul low cost, materiali compositi ad alte prestazioni e loro tecnologie di connessione con strutture in acciaio; sviluppare componenti intelligenti resistenti al vento come TMD adattivo e sistemi di controllo attivo delle vibrazioni per migliorare ulteriormente l'effetto di controllo delle vibrazioni indotte dal vento.
(5) Migliorare il sistema standard e la catena industriale. Riassumere i risultati della ricerca e l'esperienza ingegneristica, formulare una serie completa di standard di progettazione e specifiche di costruzione per torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenti al vento, migliorare la capacità produttiva di componenti prefabbricati, e promuovere l'industrializzazione e la standardizzazione della tecnologia delle torri di trasmissione ad alta resistenza e resistenza al vento.
Riferimenti
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