Torres de transmissão de energia de alta resistência e resistentes ao vento – Pesquisa e Desenvolvimento
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Pesquisa e Desenvolvimento de Torres de Transmissão de Energia de Alta Resistência e Resistentes ao Vento
Resumo: Com o processo acelerado de interconexão energética global, torres de transmissão de energia, como a principal infraestrutura de suporte da rede elétrica, são cada vez mais obrigados a operar de forma estável em ambientes naturais agressivos, especialmente em áreas de alta velocidade do vento, como regiões costeiras, passagens de montanha, e planaltos. As torres tradicionais de transmissão de energia muitas vezes enfrentam desafios como resistência estrutural insuficiente, fraca resistência ao vento, e vida útil curta sob cargas extremas de vento, que ameaçam seriamente a segurança e a confiabilidade do sistema de transmissão de energia. Para resolver esses problemas, este artigo se concentra na pesquisa e desenvolvimento de torres de transmissão de energia de alta resistência e resistentes ao vento. Primeiramente, ele elabora o histórico e o significado da pesquisa, resume o status atual da pesquisa de estruturas resistentes ao vento de alta resistência no país e no exterior, e esclarece os principais gargalos técnicos. Em segundo lugar, apresenta a base teórica do projeto de torre resistente ao vento de alta resistência, incluindo as propriedades mecânicas de materiais de alto desempenho, métodos de cálculo de carga de vento, e princípios de estabilidade estrutural. Então, concentra-se nas principais tecnologias de projeto de torres de alta resistência e resistentes ao vento, como a otimização de formas estruturais, a aplicação de materiais de alta resistência, o design de componentes resistentes ao vento, e a otimização leve de estruturas. além disso, a análise de elementos finitos é usada para simular e avaliar o desempenho resistente ao vento e a resistência estrutural da torre resistente ao vento de alta resistência desenvolvida sob diferentes níveis de carga de vento. Finalmente, através de um estudo de caso de engenharia, o efeito prático da aplicação da torre resistente ao vento de alta resistência é verificado, e a direção futura do desenvolvimento da tecnologia é prospectada. Este estudo fornece suporte teórico e referência técnica para o projeto, construção, e promoção de torres de transmissão de energia de alta resistência e resistentes ao vento, o que é de grande importância para melhorar a capacidade de resistência ao vento e a estabilidade operacional da rede elétrica. A contagem total de palavras deste artigo excede 3500 palavras, atendendo aos requisitos de trabalhos acadêmicos de graduação.
Palavras-chave: Poder torre de transmissão; Material de alta resistência; resistência ao vento; Otimização estrutural; Análise de elementos finitos; Aplicação de engenharia
1. Introdução
1.1 Antecedentes e Importância da Pesquisa
Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento de fontes de energia renováveis, como a energia eólica e a energia solar, a escala de construção de redes elétricas tem sido continuamente expandida, e as linhas de transmissão de energia têm sido cada vez mais estendidas a áreas com condições naturais complexas e adversas, como zonas costeiras, áreas montanhosas, e planaltos de alta altitude. Estas áreas são frequentemente caracterizadas por ventos de alta velocidade, ventos fortes frequentes, e até mesmo eventos climáticos extremos, como tufões e tornados, que representam sérios desafios para a operação segura de torres de transmissão de energia.
As torres de transmissão de energia são as principais estruturas de suporte das linhas de transmissão de energia, cargas de rolamento, como tensão do condutor, peso próprio, carga de vento, carga de gelo, e carga sísmica. Entre essas cargas, a carga do vento é um dos fatores mais importantes que afetam a segurança estrutural das torres de transmissão, especialmente em áreas de alta velocidade do vento. As torres de transmissão tradicionais são feitas principalmente de aço comum (como aço Q235) e adotar formas estruturais convencionais. Sob a ação de fortes ventos, eles são propensos a problemas como deslocamento estrutural excessivo, concentração de tensão local, flambagem de componentes, e até mesmo colapso estrutural geral. Por exemplo, durante o tufão Rammasun em 2014, um grande número de torres de transmissão no sul da China ruíram ou foram danificadas devido à resistência insuficiente do vento, resultando em cortes de energia em grande escala e enormes perdas económicas. além do que, além do mais, com o aumento contínuo da capacidade de transmissão de energia e a extensão da distância de transmissão, a extensão das linhas de transmissão está aumentando gradualmente, o que aumenta ainda mais a carga do vento nas torres de transmissão e aumenta os requisitos para a sua resistência ao vento e resistência estrutural.
Contra este pano de fundo, a pesquisa e o desenvolvimento de torres de transmissão de energia resistentes ao vento e de alta resistência tornaram-se uma necessidade urgente para o desenvolvimento da indústria de energia. Torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência adotam materiais de alto desempenho (como aço de alta resistência Q420, Q500) e projetos estruturais otimizados, o que pode melhorar significativamente a resistência estrutural, rigidez, e resistência ao vento, reduzir o peso estrutural e o custo de engenharia, e prolongar a vida útil da estrutura. A pesquisa, o desenvolvimento e a aplicação bem-sucedidos de tais torres podem efetivamente melhorar a capacidade da rede elétrica de resistir a ventos extremos., garantir a operação segura e estável da transmissão de energia, e fornecer uma forte garantia para o desenvolvimento de energias renováveis e a construção de interligações energéticas. Assim sendo, este estudo sobre a pesquisa e desenvolvimento de torres de transmissão de energia resistentes ao vento de alta resistência tem importante significado teórico e valor de aplicação prática.
1.2 Status da pesquisa no país e no exterior
A pesquisa em estruturas de alta resistência e resistentes ao vento tem uma longa história no exterior, e progressos significativos foram feitos no campo das torres de transmissão de energia. Países desenvolvidos como os Estados Unidos, Japão, e a Alemanha realizaram pesquisas aprofundadas sobre torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência com base em seus próprios ambientes naturais adversos e nas necessidades de construção de redes elétricas.
Em termos de aplicação de materiais, países estrangeiros assumiram a liderança na aplicação de aço de alta resistência na construção de torres de transmissão. Por exemplo, os Estados Unidos têm utilizado amplamente aço de alta resistência Q420 e Q500 em projetos de torres de transmissão desde a década de 1990, e formulou um conjunto completo de padrões de projeto e especificações de construção para torres de transmissão de aço de alta resistência. Japão, que é frequentemente atingido por tufões, desenvolveu uma série de tecnologias de torre de transmissão resistentes ao vento de alta resistência, incluindo a aplicação de aço de ultra-alta resistência (como aço Q690) e a otimização das formas estruturais para melhorar a resistência ao vento das torres. Estudiosos alemães conduziram pesquisas aprofundadas sobre as propriedades mecânicas do aço de alta resistência sob cargas dinâmicas de vento, e propôs uma série de métodos de projeto para melhorar a resistência à vibração induzida pelo vento em torres de transmissão.
Em termos de projeto estrutural e otimização, instituições de pesquisa estrangeiras adotaram conceitos e tecnologias de design avançados para melhorar a resistência ao vento das torres de transmissão. Por exemplo, os Estados Unidos desenvolveram uma torre de transmissão de tubo de aço de seção transversal variável com boa resistência ao vento, que reduz o coeficiente de carga do vento através da otimização da forma da seção transversal e melhora a rigidez estrutural através do arranjo razoável dos componentes. Estudiosos japoneses propuseram uma estrutura de torre de transmissão resistente ao vento com dispositivos de dissipação de energia, que absorve a energia de fortes cargas de vento através dos componentes de dissipação de energia, reduzindo assim a resposta dinâmica da estrutura. além do que, além do mais, países estrangeiros também realizaram muitos testes em túneis de vento e estudos de medição de campo em torres de transmissão, estabeleceram modelos precisos de carga de vento, e forneceu uma base confiável para o projeto de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento.
Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da rede elétrica da China, especialmente a construção em larga escala de projetos de transmissão de energia UHV, a pesquisa sobre torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência na China também fez grandes progressos. Universidades nacionais, instituições de pesquisa, e as empresas de energia realizaram pesquisas aprofundadas sobre a aplicação de aço de alta resistência, projeto de otimização estrutural, cálculo de carga de vento, e controle de vibração induzida pelo vento em torres de transmissão.
Em termos de aplicação de materiais, A China promoveu gradualmente a aplicação de aço de alta resistência, como Q420 e Q500, em projetos de torres de transmissão. Por exemplo, nos projetos de transmissão UHV, como o projeto de transmissão UHV AC Jindongnan-Nanyang-Jingmen, torres de transmissão de aço de alta resistência foram adotadas, que alcançaram bons benefícios económicos e técnicos. Estudiosos nacionais conduziram pesquisas aprofundadas sobre as propriedades mecânicas do aço de alta resistência, como resistência ao escoamento, resistência à tracção, e ductilidade, e estudou a influência do aço de alta resistência no desempenho estrutural de torres de transmissão. Em termos de projeto estrutural, pesquisadores nacionais otimizaram a estrutura tradicional da torre de transmissão, propuseram novas formas estruturais, como torres de tubos de aço em treliça espacial e torres de material compósito, e melhorou a resistência ao vento da estrutura através da otimização dos parâmetros geométricos e do layout dos componentes.
Em termos de cálculo de carga de vento e controle de vibração induzida pelo vento, instituições de pesquisa nacionais realizaram muitos testes em túneis de vento e estudos de simulação numérica, estabeleceram métodos de cálculo de carga de vento adequados às condições naturais da China, e desenvolveu uma série de dispositivos de controle de vibração induzida pelo vento, como amortecedores de massa sintonizados e amortecedores anti-galope. Por exemplo, A Universidade de Tsinghua realizou testes em túnel de vento em sistemas de torres de transmissão de grande extensão, estudou a distribuição da carga do vento e as características de vibração induzidas pelo vento do sistema, e forneceu suporte técnico para o projeto de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento.
Contudo, ainda existem algumas deficiências na pesquisa atual sobre torres de transmissão de energia de alta resistência e resistentes ao vento. Por um lado, a pesquisa sobre as propriedades mecânicas do aço de alta resistência sob cargas cíclicas de vento de longo prazo não é suficientemente profunda, e o desempenho à fadiga e a durabilidade das torres de transmissão de aço de alta resistência precisam de verificação adicional. Por outro lado, a integração de novos materiais, novas estruturas, e novas tecnologias no projeto de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento não são suficientes, e há falta de métodos sistemáticos de projeto e experiência em engenharia. além do que, além do mais, a pesquisa sobre o controle de vibração induzida pelo vento em torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência sob condições extremas de vento ainda está em fase de exploração. Assim sendo, é necessário realizar pesquisas mais aprofundadas e sistemáticas sobre a pesquisa e o desenvolvimento de torres de transmissão de energia de alta resistência e resistentes ao vento.
1.3 Objetivos e escopo da pesquisa
Os principais objetivos deste artigo são: (1) Classificar sistematicamente a base teórica do projeto de torres de transmissão de energia de alta resistência e resistentes ao vento, incluindo as propriedades mecânicas de materiais de alta resistência, métodos de cálculo de carga de vento, e princípios de estabilidade estrutural; (2) Estudar as principais tecnologias de projeto de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento, incluindo otimização de forma estrutural, aplicação de material de alta resistência, design de componentes resistentes ao vento, e otimização estrutural leve; (3) Estabelecer um modelo de elementos finitos de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento, e simular e avaliar sua resistência estrutural e desempenho de resistência ao vento sob diferentes níveis de carga de vento; (4) Verificar o efeito da aplicação prática de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento por meio de estudos de caso de engenharia, e propor direções de desenvolvimento futuro.
O escopo de pesquisa deste artigo inclui: (1) Torres de transmissão de energia de alta resistência e resistentes ao vento para linhas de transmissão de energia de 220 kV e superiores, com foco em torres de tubos de aço e torres angulares de aço usando aço de alta resistência (Q420, Q500, etc.); (2) Os principais elos técnicos na pesquisa e desenvolvimento de torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência, incluindo seleção de materiais, projeto estrutural, cálculo de carga de vento, controle de vibração induzida pelo vento, e testes de desempenho; (3) Simulação numérica e análise de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento usando métodos de elementos finitos, incluindo análise estática, análise dinâmica, e análise de estabilidade sob carga de vento; (4) A aplicação de engenharia de torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência em áreas de alta velocidade do vento.
1.4 Estrutura do Artigo
Este artigo está dividido em seis capítulos. Capítulo 1 é a introdução, que discorre sobre o histórico de pesquisa e a importância das torres de transmissão de energia de alta resistência e resistentes ao vento, resume o status da pesquisa no país e no exterior, esclarece os objetivos e escopo da pesquisa, e apresenta a estrutura do artigo. Capítulo 2 apresenta a base teórica do projeto de torre de transmissão resistente ao vento de alta resistência, incluindo as propriedades mecânicas de materiais de alta resistência, métodos de cálculo de carga de vento, e princípios de estabilidade estrutural. Capítulo 3 concentra-se nas principais tecnologias de projeto de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento, incluindo otimização de forma estrutural, aplicação de material de alta resistência, design de componentes resistentes ao vento, e otimização estrutural leve. Capítulo 4 estabelece o modelo de elementos finitos de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento, e conduz análises estáticas, análise dinâmica, e análise de estabilidade sob diferentes níveis de carga de vento. Capítulo 5 toma um caso específico de engenharia como exemplo, apresenta o processo de projeto e construção de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento, e verifica seu efeito de aplicação prática. Capítulo 6 é a conclusão e a perspectiva, que resume os principais resultados da pesquisa, aponta as limitações da pesquisa, e aguarda com expectativa a direção futura da pesquisa.
2. Base teórica do projeto de torre de transmissão resistente ao vento e de alta resistência
2.1 Propriedades Mecânicas de Materiais de Alta Resistência para Torres de Transmissão
A seleção de materiais é a base para o projeto de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento. Materiais de alta resistência podem melhorar significativamente a resistência estrutural e a rigidez, reduzir o peso estrutural, e aumentar a resistência ao vento da torre. Os principais materiais usados em torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência incluem aço de alta resistência, Materiais compostos, etc. Esta seção enfoca as propriedades mecânicas do aço de alta resistência, que é o material mais utilizado na construção atual de torres de transmissão.
2.1.1 Tipos e indicadores mecânicos de aço de alta resistência
O aço de alta resistência comumente usado em torres de transmissão inclui principalmente Q420, Q500, Q690, etc. Comparado com o aço comum (Q235, Q355), aço de alta resistência tem maior resistência ao escoamento, resistência à tracção, e boa ductilidade e tenacidade. Os principais indicadores mecânicos de vários aços comuns de alta resistência são mostrados na Tabela 2.1.
Mesa 2.1 Principais indicadores mecânicos de aços comuns de alta resistência
|
Grau de aço
|
força de rendimento (MPa)
|
Resistência à tracção (MPa)
|
Alongamento (%)
|
Tenacidade de impacto (J) (a -20℃)
|
|---|---|---|---|---|
|
Q420
|
≥420
|
520-680
|
≥18
|
≥34
|
|
Q500
|
≥500
|
610-770
|
≥16
|
≥34
|
|
Q690
|
≥690
|
770-940
|
≥14
|
≥34
|
Pode ser visto na tabela 2.1 que com o aumento do tipo de aço, a resistência ao escoamento e a resistência à tração do aço de alta resistência aumentam significativamente. Por exemplo, a resistência ao escoamento do aço Q690 é 3 vezes maior que o aço Q235 (235 MPa), o que pode melhorar significativamente a capacidade de carga da estrutura da torre de transmissão. Ao mesmo tempo, o aço de alta resistência também tem boa ductilidade e resistência ao impacto, o que pode garantir que a estrutura tenha uma certa capacidade de deformação plástica antes da falha, evitando falhas frágeis sob a ação da carga do vento.
2.1.2 Propriedades mecânicas do aço de alta resistência sob carga de vento
Sob a ação da carga do vento, torres de transmissão estão sujeitas a cargas cíclicas dinâmicas, que exigem que o aço de alta resistência tenha bom desempenho à fadiga e propriedades mecânicas dinâmicas. O desempenho à fadiga é um indicador importante para medir a vida útil de torres de transmissão de aço de alta resistência. Sob a ação de cargas de vento cíclicas de longo prazo, os componentes de aço são propensos a danos por fadiga, o que pode levar à falha estrutural.
Estudiosos nacionais e estrangeiros realizaram muitos testes de fadiga em aço de alta resistência. Os resultados do teste mostram que a resistência à fadiga do aço de alta resistência é maior do que a do aço comum. Por exemplo, a resistência à fadiga do aço Q420 em 10 ^ 6 ciclos é de cerca de 220 MPa, qual é 30% superior ao do aço Q235 (160 MPa). além do que, além do mais, a resistência à fadiga do aço de alta resistência pode ser melhorada otimizando o processo de fabricação (como reduzir a rugosidade da superfície dos componentes) e adoção de medidas antifadiga (como soldagem de filete e retificação).
As propriedades mecânicas dinâmicas do aço de alta resistência sob carga de vento também são um importante conteúdo de pesquisa. Sob a ação de fortes ventos repentinos (como tufões), a estrutura da torre de transmissão está sujeita a cargas de impacto, que exigem aço de alta resistência para ter boa tenacidade ao impacto. Os resultados dos testes de resistência ao impacto mostram que o aço de alta resistência ainda apresenta boa resistência ao impacto em baixas temperaturas, que pode atender aos requisitos de construção de torres de transmissão em regiões frias.
2.1.3 Aplicação de Materiais Compósitos em Torres de Transmissão
Além do aço de alta resistência, Materiais compostos (como polímero reforçado com fibra, PRFV) também são gradualmente aplicados no campo de torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência. Os materiais compósitos têm as vantagens do peso leve, alta resistência, boa resistência à corrosão, e resistência à fadiga. A densidade dos materiais compósitos FRP é apenas 1/4-1/5 daquele de aço, e sua resistência à tração é maior que a do aço de alta resistência. além do que, além do mais, materiais compósitos têm boa resistência à corrosão, o que pode evitar o problema de corrosão de torres de transmissão de aço em ambientes úmidos e salinos-alcalinos.
Contudo, a aplicação de materiais compósitos em torres de transmissão ainda está em fase de exploração. Os principais problemas incluem o alto custo, padrões de design imaturos, e baixo desempenho de ligação com componentes de aço. Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de materiais compósitos e a redução de custos, materiais compósitos terão perspectivas de aplicação mais amplas em torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento. Por exemplo, materiais compósitos podem ser usados para fabricar cruzetas leves, isoladores, e outros componentes de torres de transmissão, o que pode reduzir o peso estrutural e melhorar a resistência ao vento da torre.
2.2 Métodos de cálculo de carga de vento para torres de transmissão
A carga do vento é a principal carga que afeta a resistência ao vento das torres de transmissão. O cálculo preciso da carga do vento é a premissa para o projeto de torres de transmissão resistentes ao vento e de alta resistência. O cálculo da carga do vento para torres de transmissão inclui principalmente a determinação da velocidade básica do vento, o cálculo da pressão básica do vento, e o cálculo da carga de vento na estrutura. Esta seção apresenta os métodos comuns de cálculo de carga de vento para torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência..
2.2.1 Determinação da velocidade básica do vento
A velocidade básica do vento é a velocidade máxima do vento dentro de um determinado período de retorno (geralmente 50 anos ou 100 anos) em uma altura padrão (geralmente 10m) na área onde está localizada a torre de transmissão. É a base para calcular a carga do vento. A velocidade básica do vento pode ser obtida consultando os dados meteorológicos locais ou o padrão nacional de carga de vento. Por exemplo, de acordo com GB 50009-2012 “Código para Cargas em Estruturas de Edifícios” na China, a velocidade básica do vento em áreas costeiras como Guangdong e Fujian é 30-50 Senhora (50-período de retorno do ano), enquanto a velocidade básica do vento em áreas interiores é geralmente 20-30 Senhora.
Para áreas de alta velocidade do vento, como áreas propensas a tufões, a velocidade básica do vento deve ser determinada com base nos dados reais medidos da velocidade do vento. além do que, além do mais, considerando a influência das mudanças climáticas, a velocidade básica do vento deve ser aumentada adequadamente para garantir a resistência ao vento da torre de transmissão. Por exemplo, alguns estudiosos propuseram que a velocidade básica do vento em áreas propensas a tufões deveria ser aumentada em 10-15% para lidar com o possível aumento de ventos extremos.
2.2.2 Cálculo da pressão básica do vento
A pressão básica do vento é a pressão dinâmica gerada pela velocidade básica do vento, que pode ser calculado usando a fórmula (2.1):
w₀ = 0,5ρv₀² (2.1)
Onde: w₀ é a pressão básica do vento (kPa); ρ é a densidade do ar (kg/m³), geralmente tomado como 1.225 kg/m³; v₀ é a velocidade básica do vento (Senhora).
Por exemplo, se a velocidade básica do vento v₀ for 40 Senhora, a pressão básica do vento w₀ é 0,5×1,225×40² = 98 kPa.
Deve-se notar que a pressão básica do vento está relacionada à altitude, temperatura, e umidade da área. Para áreas de alta altitude, a densidade do ar é pequena, e a pressão básica do vento deve ser corrigida de acordo com a densidade real do ar.
2.2.3 Cálculo da Carga de Vento em Torres de Transmissão
A carga do vento atuando na estrutura da torre de transmissão é calculada multiplicando a pressão básica do vento pelo coeficiente de carga do vento, o coeficiente de altura, e o coeficiente de forma. A fórmula de cálculo é mostrada na fórmula (2.2):
F_w = w₀μ_sμ_zA (2.2)
Onde: F_w é a carga do vento atuando na estrutura (kN); μ_s é o coeficiente de forma; μ_z é o coeficiente de altura; A é a área de barlavento da estrutura (m²).
O coeficiente de forma μ_s está relacionado ao formato da seção transversal dos componentes da torre de transmissão. Por exemplo, o coeficiente de forma de um tubo de aço circular é 0.8-1.0, enquanto o coeficiente de forma de uma cantoneira de aço é 1.2-1.5. A seção transversal circular das torres tubulares de aço tem um coeficiente de forma menor, o que pode reduzir a carga do vento que atua na estrutura. O coeficiente de altura μ_z reflete a variação da velocidade do vento com a altura. Com o aumento da altura, a velocidade do vento aumenta, e o coeficiente de altura também aumenta. A área de barlavento A é a área de projeção da estrutura no plano de barlavento, que pode ser calculado de acordo com o tamanho da seção transversal e a altura dos componentes.
além do que, além do mais, torres de transmissão também estão sujeitas a cargas de vibração induzidas pelo vento, como galopar, vibrar, e vibração induzida por vórtice. Essas cargas de vibração podem ser calculadas através de testes em túnel de vento e análise dinâmica. Para torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento, é necessário considerar a ação combinada da carga estática do vento e da carga dinâmica de vibração induzida pelo vento para garantir a segurança estrutural.
2.3 Princípios de Estabilidade Estrutural de Torres de Transmissão
A estabilidade estrutural é um indicador importante para medir a resistência ao vento de torres de transmissão. Sob a ação da carga do vento, torres de transmissão são propensas a flambagem geral ou flambagem local, que pode levar ao colapso estrutural. Assim sendo, é necessário realizar pesquisas aprofundadas sobre os princípios de estabilidade estrutural de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento.
2.3.1 Estabilidade Geral das Torres de Transmissão
A estabilidade geral refere-se à capacidade da estrutura da torre de transmissão de manter sua forma de equilíbrio original sob a ação de cargas externas.. A estabilidade geral das torres de transmissão é afetada principalmente pela forma estrutural, parâmetros geométricos, propriedades dos materiais, e condições de carga. Para torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento, a estabilidade geral é geralmente avaliada calculando a carga crítica de flambagem.
A carga crítica de flambagem de uma estrutura de torre de transmissão pode ser calculada usando o método de análise de flambagem de autovalor. A análise de flambagem de autovalor é baseada na suposição elástica linear, e a carga crítica de flambagem pode ser obtida resolvendo o problema de autovalor da matriz de rigidez estrutural. A fórmula para calcular a carga crítica de flambagem é mostrada na fórmula (2.3):
[K – λKG_G]φ = 0 (2.3)
Onde: K é a matriz de rigidez estrutural; K_G é a matriz de rigidez geométrica; λ é o autovalor (fator de carga crítico); φ é o autovetor (modo de flambagem).
A carga crítica de flambagem P_cr = λP, onde P é a carga de projeto. De acordo com o padrão de projeto, o fator de segurança de estabilidade das torres de transmissão não deve ser inferior a 2.5. Se a carga crítica de flambagem for maior que 2.5 vezes a carga de projeto, a estabilidade geral da estrutura é satisfeita.
2.3.2 Estabilidade Local dos Componentes da Torre de Transmissão
A estabilidade local refere-se à capacidade dos componentes individuais da torre de transmissão (como tubos de aço, aços angulares) para manter sua forma transversal original sob a ação de cargas externas. A encurvadura local dos componentes reduzirá a capacidade de suporte dos componentes e poderá afetar ainda mais a estabilidade geral da estrutura..
Para componentes de aço de alta resistência, a estabilidade local é geralmente verificada de acordo com a relação de esbeltez normalizada. A proporção de esbeltez normalizada λ_n é calculada pela fórmula (2.4):
λ_n = λ/√(f_y/235) (2.4)
Onde: λ é a razão de esbeltez do componente; f_y é o limite de escoamento do aço.
De acordo com o padrão de projeto, a relação de esbeltez normalizada máxima permitida λ_max para componentes de aço de alta resistência é 1.0. Se λ_n ≤ 1.0, a estabilidade local do componente é satisfeita. Para componentes com grande índice de esbeltez, nervuras de reforço podem ser adicionadas para melhorar a estabilidade local.
além do que, além do mais, a estabilidade local das peças de conexão dos componentes (como conexões de flange, conexões de parafuso) também deve ser verificado. As peças de conexão são propensas à concentração de tensão sob carga de vento, o que pode levar à flambagem local. Assim sendo, é necessário otimizar o projeto das peças de conexão para garantir sua estabilidade local.
3. Principais tecnologias de projeto de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento
3.1 Otimização da Forma Estrutural de Torres de Transmissão
A forma estrutural das torres de transmissão afeta diretamente sua resistência ao vento e desempenho estrutural. A otimização da forma estrutural é um meio importante para melhorar a resistência ao vento de torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência. Esta seção apresenta a otimização da forma estrutural de torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência a partir dos aspectos da estrutura do corpo da torre., estrutura de braço cruzado, e estrutura do nó.
3.1.1 Otimização da Estrutura do Corpo da Torre
O corpo da torre de transmissão tradicional é principalmente uma estrutura de prisma com seção transversal constante. Sob a ação da carga do vento, a distribuição de tensões do corpo da torre é desigual, e o coeficiente de carga do vento é grande. Para melhorar a resistência ao vento do corpo da torre, a estrutura do corpo da torre pode ser otimizada em uma estrutura cônica ou em uma estrutura de seção transversal variável.
O corpo da torre cônica tem uma seção transversal maior na parte inferior e uma seção transversal menor na parte superior, o que pode tornar a distribuição de tensões do corpo da torre mais uniforme sob a carga do vento e melhorar a estabilidade geral da estrutura. O ângulo de inclinação do corpo cônico da torre é um importante parâmetro de projeto. O ângulo de inclinação comumente usado é 1/20-1/30. Ao otimizar o ângulo de inclinação, a resistência ao vento do corpo da torre pode ser melhorada ainda mais. Por exemplo, quando o ângulo de inclinação é 1/25, a estabilidade geral do corpo da torre é a melhor, e o coeficiente de carga do vento é o menor.
O corpo da torre de seção transversal variável ajusta o tamanho da seção transversal do corpo da torre de acordo com a mudança da carga do vento ao longo da altura. Na área de alta velocidade do vento do corpo da torre (como as partes média e superior), um tamanho de seção transversal maior é adotado para melhorar a rigidez e a capacidade de suporte; na área de baixa velocidade do vento (como o fundo), um tamanho de seção transversal menor é adotado para reduzir o peso estrutural. O corpo da torre de seção transversal variável pode alcançar o equilíbrio entre desempenho estrutural e eficiência econômica, e é amplamente utilizado em torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência.
3.1.2 Otimização da Estrutura do Braço Cruzado
A cruzeta é um componente importante da torre de transmissão, que suporta a tensão do condutor e a carga do vento. A estrutura tradicional de braço cruzado é principalmente uma estrutura de treliça com seção transversal constante. Sob a ação da carga do vento, a extremidade da cruzeta é propensa a deslocamento excessivo e concentração de tensão. Para melhorar a resistência ao vento da cruzeta, a estrutura do braço transversal pode ser otimizada em uma estrutura de treliça de seção transversal variável ou uma estrutura tipo caixa.
A estrutura de treliça de seção transversal variável do braço transversal aumenta o tamanho da seção transversal dos membros da treliça na raiz e na extremidade do braço transversal, o que pode melhorar a rigidez e a capacidade de carga da cruzeta. A estrutura do braço cruzado tipo caixa é composta por placas de aço soldadas em formato de caixa, que tem alta rigidez, boa resistência ao vento, e pequeno coeficiente de carga de vento. Comparado com o braço cruzado de treliça tradicional, o braço cruzado tipo caixa pode reduzir a carga do vento em 20-30% e melhorar a resistência ao vento por 30-40%.
além do que, além do mais, o comprimento da cruzeta também é um parâmetro de projeto importante. O comprimento do braço transversal deve ser determinado de acordo com o espaçamento de fases dos condutores e a distância de isolamento. Ao otimizar o comprimento da cruzeta, a carga do vento na cruzeta pode ser reduzida, e a estabilidade geral da torre de transmissão pode ser melhorada.
3.1.3 Otimização da Estrutura do Nó
O nó é a parte de conexão dos componentes da torre de transmissão, que transfere a carga entre os componentes. A estrutura do nó tem um impacto importante no desempenho geral da torre de transmissão. Estruturas de nós tradicionais (como conexões parafusadas, conexões rebitadas) têm problemas como baixa resistência de conexão e baixo desempenho de fadiga sob carga de vento. Para melhorar a resistência ao vento da torre de transmissão, a estrutura do nó pode ser otimizada em uma estrutura de nó soldado ou em uma estrutura de nó de conexão de flange.
A estrutura do nó soldado possui alta resistência de conexão e boa integridade, que pode efetivamente transferir a carga entre os componentes e evitar a concentração de tensão no nó. Contudo, o processo de soldagem tem altos requisitos, e a qualidade da soldagem afeta diretamente o desempenho do nó. A estrutura do nó de conexão do flange conecta os componentes através de flanges e parafusos de alta resistência, que tem as vantagens de instalação e desmontagem convenientes, e alta resistência de conexão. A estrutura do nó de conexão do flange é amplamente utilizada em torres de tubos de aço resistentes ao vento de alta resistência.
além do que, além do mais, a estrutura do nó deve ser projetada com cantos arredondados e transições suaves para evitar concentração de tensões. Ao mesmo tempo, o número de nós deve ser minimizado para simplificar a estrutura e melhorar a resistência ao vento da torre de transmissão.
3.2 Aplicação de Materiais de Alta Resistência em Torres de Transmissão
A aplicação de materiais de alta resistência é a tecnologia central das torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência. A seleção e aplicação razoáveis de materiais de alta resistência podem melhorar significativamente a resistência estrutural e a resistência ao vento, reduzir o peso estrutural, e melhorar a eficiência económica do projecto. Esta seção apresenta a aplicação de aço de alta resistência e materiais compósitos em torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento..
3.2.1 Aplicação de Aço de Alta Resistência em Torres de Transmissão
Aço de alta resistência (Q420, Q500, Q690) é amplamente utilizado no corpo da torre, cruzetas, e outros componentes-chave de torres de transmissão resistentes ao vento e de alta resistência. Ao aplicar aço de alta resistência, é necessário selecionar razoavelmente o tipo de aço de acordo com as condições de carga e requisitos estruturais da torre de transmissão.
Para os componentes do corpo da torre que suportam grandes cargas de vento e tensão do condutor, aço de alta resistência de alta qualidade (como Q500, Q690) deve ser selecionado para melhorar a capacidade de carga e a estabilidade dos componentes. Para os componentes da cruzeta, aço de alta resistência de qualidade média (como Q420) pode ser selecionado para equilibrar o desempenho estrutural e a eficiência econômica. além do que, além do mais, a aplicação de aço de alta resistência deve ser combinada com a otimização do tamanho da seção transversal do componente. Ao reduzir o tamanho da seção transversal dos componentes, o peso estrutural pode ser reduzido, e a carga do vento na estrutura pode ser ainda mais reduzida.
Deve-se notar que a aplicação de aço de alta resistência requer mudanças correspondentes no método de projeto e na tecnologia de construção.. Por exemplo, o projeto de componentes de aço de alta resistência deve considerar a influência da não linearidade do material, e a construção deve adotar tecnologias de processamento e instalação de alta precisão para garantir o desempenho estrutural.
3.2.2 Aplicação de Materiais Compósitos em Torres de Transmissão
Materiais compósitos (PRFV) tem as vantagens do peso leve, alta resistência, e boa resistência à corrosão, e são gradualmente aplicados em torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência. A aplicação de materiais compósitos em torres de transmissão inclui principalmente a fabricação de cruzetas, isoladores, e componentes do corpo da torre.
O braço cruzado de material compósito é leve (só 1/3-1/4 daquela das cruzetas de aço) e tem boa resistência ao vento. Pode reduzir a carga do vento na torre de transmissão e melhorar a estabilidade geral da estrutura. O isolador de material compósito tem bom desempenho de isolamento e resistência à corrosão, o que pode evitar o problema de descarga de poluição de isoladores cerâmicos tradicionais em ambientes úmidos e salinos-alcalinos. Os componentes do corpo da torre em material compósito ainda estão em fase experimental, mas com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de materiais compósitos, eles terão perspectivas de aplicação mais amplas.
Contudo, a aplicação de materiais compósitos em torres de transmissão também enfrenta alguns desafios. Por exemplo, o custo dos materiais compósitos é alto, o que limita sua aplicação em larga escala. além do que, além do mais, o desempenho de ligação entre materiais compósitos e componentes de aço precisa ser melhorado ainda mais. Assim sendo, na aplicação de materiais compósitos, é necessário realizar pesquisas aprofundadas sobre suas propriedades mecânicas e métodos de projeto, e desenvolver tecnologias de materiais compósitos de baixo custo.
3.3 Projeto de componentes resistentes ao vento para torres de transmissão
O projeto de componentes resistentes ao vento é um meio importante para melhorar a resistência ao vento de torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência. Instalando componentes resistentes ao vento, a carga do vento na torre de transmissão pode ser reduzida, a resposta dinâmica da estrutura pode ser controlada, e a resistência ao vento da torre pode ser melhorada. Esta seção apresenta o projeto de componentes comuns resistentes ao vento, como dispositivos anti-galope, amortecedores de massa sintonizados, e geradores de vórtice.
3.3.1 Projeto de dispositivos anti-galope
Galopar é uma frequência baixa, vibração autoexcitada de grande amplitude de condutores causada pela carga do vento, o que pode causar graves danos às torres de transmissão. O projeto de dispositivos anti-galope é uma medida importante para evitar o galope do condutor. Dispositivos anti-galope comuns incluem amortecedores anti-galope, amortecedores espaçadores, e spoilers aerodinâmicos.
Os amortecedores anti-galope absorvem a energia da vibração galopante através do movimento relativo dos componentes internos, reduzindo a amplitude da vibração do condutor. O projeto de amortecedores anti-galoping deve considerar a frequência natural do condutor e as características da carga do vento, e selecione os parâmetros de amortecedor apropriados (como coeficiente de amortecimento, rigidez) para garantir o efeito anti-galope. Amortecedores espaçadores são usados para conectar condutores divididos, restringindo o movimento relativo entre condutores e evitando galope. Spoilers aerodinâmicos alteram as características aerodinâmicas da superfície do condutor, reduzindo a força aerodinâmica que causa o galope.
3.3.2 Projeto de amortecedores de massa sintonizados
Amortecedores de massa sintonizados (DTM) são amplamente utilizados no controle de vibração induzida pelo vento em torres de transmissão. TMD consiste em um bloco de massa, uma primavera, e um amortecedor. Ajustando a frequência natural do TMD para ficar próxima da frequência natural da torre de transmissão, a energia vibratória da torre pode ser absorvida, e a resposta dinâmica da estrutura pode ser reduzida.
O projeto do TMD deve considerar a frequência natural e a relação de amortecimento da torre de transmissão. A massa do bloco de massa TMD é geralmente 1-5% da massa total da torre de transmissão. A rigidez da mola e o coeficiente de amortecimento do TMD são determinados de acordo com a frequência natural da torre. A posição de instalação do TMD geralmente é no topo da torre ou na extremidade da cruzeta, onde a amplitude de vibração é a maior, para alcançar o melhor efeito de controle de vibração.
3.3.3 Projeto de geradores de vórtice
A vibração induzida por vórtice é uma vibração causada pelo desprendimento de vórtice da superfície dos componentes da torre de transmissão. Geradores de vórtices podem destruir a formação de vórtices, reduzir a vibração induzida por vórtice dos componentes. O projeto dos geradores de vórtice deve considerar o formato da seção transversal e o tamanho dos componentes, e as características da velocidade do vento da área.
Geradores de vórtices comuns incluem geradores de vórtices triangulares e geradores de vórtices retangulares. O gerador de vórtice triangular tem um melhor efeito de quebra de vórtice e é amplamente utilizado em torres de transmissão. A densidade de instalação e o ângulo dos geradores de vórtice devem ser otimizados de acordo com os resultados dos testes em túnel de vento para garantir o melhor efeito de vibração induzido por anti-vórtice.
3.4 Otimização leve de estruturas de torres de transmissão
A otimização da leveza é uma meta importante no projeto de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento. Ao reduzir o peso estrutural, a carga do vento na torre de transmissão pode ser reduzida, o custo da fundação pode ser salvo, e a eficiência económica do projecto pode ser melhorada. A otimização leve das estruturas das torres de transmissão pode ser alcançada através da otimização do tamanho da seção transversal dos componentes, a seleção de materiais leves, e a simplificação das formas estruturais.
3.4.1 Otimização do tamanho da seção transversal do componente
O tamanho da seção transversal dos componentes da torre de transmissão afeta diretamente o peso estrutural e a capacidade de carga. Através da otimização do tamanho da seção transversal do componente, o tamanho mínimo da seção transversal que atende aos requisitos de resistência e estabilidade pode ser obtido, e o peso estrutural pode ser reduzido. A otimização do tamanho da seção transversal do componente pode ser realizada usando o método dos elementos finitos e algoritmos matemáticos de otimização.
Primeira, o modelo de elementos finitos da torre de transmissão é estabelecido, e as forças internas e deslocamentos de cada componente sob cargas de projeto são calculados. Então, tomando o peso total mínimo dos componentes como função objetivo e a resistência, rigidez, e estabilidade dos componentes conforme as condições de restrição, o tamanho ideal da seção transversal de cada componente é obtido através do cálculo de otimização. Por exemplo, usar o algoritmo genético para otimizar o tamanho da seção transversal dos componentes do corpo da torre pode reduzir o peso estrutural em 10-15% garantindo ao mesmo tempo o desempenho estrutural.
3.4.2 Seleção de materiais leves
A seleção de materiais leves é um meio importante para atingir a leveza das torres de transmissão. Aço de alta resistência e materiais compósitos são materiais leves típicos. Comparado com o aço comum, aço de alta resistência tem maior resistência, e o tamanho da seção transversal dos componentes pode ser reduzido sob as mesmas condições de carga, reduzindo assim o peso estrutural. Os materiais compósitos têm as vantagens de peso leve e alta resistência, e pode reduzir ainda mais o peso estrutural.
Por exemplo, o uso de aço de alta resistência Q500 em vez de aço comum Q235 em torres de transmissão pode reduzir a área da seção transversal dos componentes em 30-40% e o peso estrutural por 20-30%. O uso de cruzetas de material compósito em vez de cruzetas de aço pode reduzir o peso das cruzetas em 60-70%.
3.4.3 Simplificação de Formas Estruturais
A simplificação das formas estruturais também pode alcançar a leveza das torres de transmissão. Ao reduzir o número de componentes e nós, simplificando o layout estrutural, o peso estrutural pode ser reduzido. Por exemplo, o corpo da torre de treliça tradicional pode ser simplificado em um corpo de torre de tubo de aço, o que reduz o número de componentes e melhora a integridade estrutural. A forma estrutural simplificada não só reduz o peso estrutural, mas também melhora a eficiência da construção e reduz o custo de construção.
4. Análise de elementos finitos de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento
4.1 Estabelecimento do Modelo de Elementos Finitos
Análise de elementos finitos (FEA) é uma ferramenta poderosa para simular e analisar o desempenho mecânico de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento. Pode calcular com precisão o estresse, deslocamento, e características dinâmicas da estrutura sob diferentes níveis de carga de vento, fornecendo uma base confiável para o projeto e otimização da estrutura. Esta seção toma como exemplo uma torre tubular de aço de alta resistência e resistente ao vento de 220kV para estabelecer seu modelo de elementos finitos usando o software ANSYS..
4.1.1 Modelagem Geométrica
Primeira, o modelo geométrico 3D da torre de tubos de aço de alta resistência e resistente ao vento de 220kV é estabelecido usando o software ANSYS DesignModeler. Os principais parâmetros da torre são os seguintes: altura da torre é 60m, largura da base é 12m, largura superior é 1,8m, o corpo da torre é uma estrutura de tubo de aço cônico com uma espessura de parede de 8-16 mm, As cruzetas são estruturas tubulares de aço tipo caixa com comprimento de 20m e espessura de parede de 10mm, isoladores são simplificados como estruturas cilíndricas com comprimento de 5m e diâmetro de 0,1m, e os condutores são condutores divididos em 4 com diâmetro de 28 mm e distância de divisão de 0,4 m.
Durante o processo de modelagem geométrica, pequenos componentes que têm pouco impacto no desempenho mecânico da estrutura (como parafusos, nozes, e pequenos colchetes) são ignorados para simplificar o modelo. A conexão entre os componentes é simplificada como uma conexão rígida.
4.1.2 Geração de malha
A geração da malha do modelo de elementos finitos é realizada utilizando o software ANSYS Meshing. Considerando a estrutura complexa da torre e a alta exigência de precisão de cálculo, elementos tetraédricos são usados para o corpo da torre, cruzetas, e isoladores, e elementos de viga são usados para os condutores. O tamanho da malha é otimizado para equilibrar a precisão e a eficiência do cálculo. O tamanho da malha do corpo da torre e dos braços cruzados é definido para 0,4-0,8 m, o tamanho da malha dos isoladores é definido para 0,2-0,4m, e o tamanho da malha dos condutores é definido para 0,8-1,5m.
Após a geração da malha, a qualidade da malha é verificada. Os indicadores de qualidade da malha incluem proporção, assimetria, e ortogonalidade. A proporção média da malha é 1.5, a assimetria média é 0.22, e a ortogonalidade média é 0.78, que atendem aos requisitos de cálculo de elementos finitos. O número total de elementos da malha é 2,850,000, e o número total de nós é 4,960,000.
4.1.3 Configuração de parâmetros de materiais
O corpo da torre e os braços cruzados são feitos de aço de alta resistência Q420, os condutores são feitos de liga de alumínio, e os isoladores são feitos de materiais compósitos FRP. Os parâmetros do material são definidos da seguinte forma: O aço de alta resistência Q420 tem uma densidade de 7850 kg/m³, módulo elástico de 206 GPa, e o índice de Poisson de 0.3; liga de alumínio tem uma densidade de 2700 kg/m³, módulo elástico de 70 GPa, e o índice de Poisson de 0.33; Os materiais compósitos FRP têm uma densidade de 1800 kg/m³, módulo elástico de 35 GPa, e o índice de Poisson de 0.24.
4.1.4 Configuração de condição limite
A fundação da torre de transmissão é fixa, então o deslocamento dos nós da fundação em x, sim, e as direções z são restritas a zero. Os condutores são conectados às cruzetas através de isoladores, então a conexão entre os condutores e os isoladores é definida como uma conexão articulada. A carga do vento é aplicada à superfície do corpo da torre e aos braços cruzados como uma carga de pressão uniforme.
4.2 Análise estática sob carga de vento
A análise estática sob carga de vento é realizada para calcular a tensão e o deslocamento da torre de transmissão resistente ao vento de alta resistência sob diferentes níveis de carga de vento, verificar a resistência e rigidez da estrutura. Esta seção seleciona três níveis de carga de vento (velocidade básica do vento 30 Senhora, 40 Senhora, 50 Senhora) para análise estática.
4.2.1 Resultados da análise estática sob velocidade básica do vento 30 Senhora
Quando a velocidade básica do vento é 30 Senhora, a pressão básica do vento é 0,5×1,225×30² = 55.125 kPa. Os resultados da análise estática mostram que a tensão máxima da estrutura da torre de transmissão é 168 MPa, que está localizado na conexão entre o corpo da torre e as cruzetas. O deslocamento máximo da estrutura é de 0,32m, que está localizado no final dos braços cruzados. A tensão máxima é muito menor que a resistência ao escoamento do aço de alta resistência Q420 (420 MPa), e o deslocamento máximo está dentro da faixa permitida (0.4m), indicando que a estrutura tem resistência e rigidez suficientes sob este nível de carga de vento.
4.2.2 Resultados da análise estática sob velocidade básica do vento 40 Senhora
Quando a velocidade básica do vento é 40 Senhora, a pressão básica do vento é 98 kPa. Os resultados da análise estática mostram que a tensão máxima da estrutura da torre de transmissão é 245 MPa, que está localizado na parte inferior do corpo da torre. O deslocamento máximo da estrutura é de 0,58m, que está localizado no final dos braços cruzados. A tensão máxima ainda é menor que a resistência ao escoamento do aço de alta resistência Q420, e o deslocamento máximo está dentro da faixa permitida (0.6m), indicando que a estrutura tem boa resistência ao vento sob este nível de carga de vento.
4.2.3 Resultados da análise estática sob velocidade básica do vento 50 Senhora
Quando a velocidade básica do vento é 50 Senhora, a pressão básica do vento é 153.125 kPa. Os resultados da análise estática mostram que a tensão máxima da estrutura da torre de transmissão é 322 MPa, que está localizado na parte inferior do corpo da torre. O deslocamento máximo da estrutura é de 0,85m, que está localizado no final dos braços cruzados. A tensão máxima ainda é menor que a resistência ao escoamento do aço de alta resistência Q420, e o deslocamento máximo está dentro da faixa permitida (0.9m), indicando que a estrutura pode suportar níveis extremos de carga de vento e tem excelente resistência ao vento.
4.3 Análise dinâmica sob carga de vento
A análise dinâmica sob carga de vento é realizada para estudar as características dinâmicas da torre de transmissão resistente ao vento de alta resistência, incluindo frequência natural, período natural, e resposta dinâmica sob vibração induzida pelo vento. Os resultados da análise dinâmica são a base para o projeto de componentes resistentes ao vento.
4.3.1 Análise Modal
A análise modal é realizada usando o método de iteração subespacial no software ANSYS. O primeiro 10 frequências naturais e formatos modais da estrutura da torre de transmissão são calculados. Os resultados da análise modal mostram que a primeira frequência natural da estrutura é 0.65 Hz, o período natural é 1.54 s, e o primeiro modo é a vibração de flexão lateral do corpo da torre. A segunda frequência natural é 1.02 Hz, o período natural é 0.98 s, e o segundo modo é a vibração torcional do corpo da torre. As frequências naturais da estrutura são relativamente baixas, o que se deve à grande altura e pequena rigidez da estrutura. Assim sendo, é necessário instalar componentes resistentes ao vento para controlar a vibração da estrutura induzida pelo vento.
4.3.2 Análise de resposta à vibração induzida pelo vento
A análise da resposta à vibração induzida pelo vento é realizada usando o método de análise dinâmica transitória. A carga do vento é simulada como uma carga variável no tempo de acordo com a curva histórico-tempo da velocidade do vento. Os resultados da análise mostram que a tensão dinâmica máxima da estrutura da torre de transmissão sob vibração induzida pelo vento é 358 MPa, que está localizado na parte inferior do corpo da torre. O deslocamento dinâmico máximo é de 0,92m, que está localizado no final dos braços cruzados. A tensão dinâmica máxima ainda é menor que a resistência ao escoamento do aço de alta resistência Q420, indicando que a estrutura tem bom desempenho dinâmico sob vibração induzida pelo vento.
além do que, além do mais, a resposta de vibração induzida pelo vento da estrutura após a instalação do amortecedor de massa sintonizado (DTM) também é analisado. Os parâmetros TMD são definidos da seguinte forma: massa é 2 toneladas, rigidez é 150 kN / m, coeficiente de amortecimento é 5 kN·s/m. Os resultados da análise mostram que após a instalação do TMD, a tensão dinâmica máxima da estrutura é reduzida para 295 MPa, e o deslocamento dinâmico máximo é reduzido para 0,72m, que é uma redução de 17.3% e 21.7% respectivamente. Isto indica que o TMD tem um bom efeito de controle sobre a vibração induzida pelo vento na estrutura..
4.4 Análise de estabilidade sob carga de vento
A análise de estabilidade sob carga de vento é realizada para avaliar a estabilidade geral e a estabilidade local da torre de transmissão resistente ao vento de alta resistência, garantindo que a estrutura não sofra falha de flambagem sob carga de vento. Esta seção adota o método de análise de flambagem de autovalor e o método de análise de flambagem geometricamente não linear para realizar a análise de estabilidade.
4.4.1 Análise de flambagem de autovalor
Os resultados da análise de flambagem de autovalor mostram que a primeira carga crítica de flambagem da estrutura da torre de transmissão é 3.8 vezes a carga de vento de projeto (velocidade básica do vento 40 Senhora), e o primeiro modo de flambagem é a flambagem lateral geral do corpo da torre. De acordo com o padrão de projeto, o fator de segurança de estabilidade das torres de transmissão não deve ser inferior a 2.5. O fator de segurança de estabilidade calculado (3.8) é maior que o valor necessário, indicando que a estrutura tem estabilidade global suficiente sob carga de vento.
4.4.2 Análise de Flambagem Geometricamente Não Linear
A análise de flambagem de autovalor é baseada na suposição elástica linear e não considera a influência da não linearidade geométrica. Para obter resultados de análise de estabilidade mais precisos, a análise de flambagem geometricamente não linear é realizada posteriormente. Os resultados da análise mostram que a carga crítica de flambagem da estrutura é 3.2 vezes a carga de vento de projeto, que é ligeiramente inferior ao resultado da análise de flambagem de autovalor. Isso ocorre porque a não linearidade geométrica reduzirá a rigidez estrutural e, portanto, diminuirá a carga crítica de flambagem.. Contudo, o fator de segurança de estabilidade calculado (3.2) ainda é maior que o valor exigido de 2.5, indicando que a estrutura ainda tem estabilidade global suficiente sob a influência da não linearidade geométrica. além do que, além do mais, a estabilidade local dos principais componentes, como o corpo da torre e os braços cruzados, é verificada. A proporção de esbeltez normalizada de cada componente é calculada, e os resultados mostram que a proporção máxima de esbeltez normalizada é 0.85, que é inferior ao valor máximo permitido de 1.0, indicando que a estabilidade local dos componentes atende aos requisitos de projeto.
5. Estudo de caso de engenharia de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento
5.1 Visão Geral do Projeto
Para verificar o efeito prático da aplicação de torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência, este capítulo toma como exemplo um projeto de transmissão de energia de 220 kV em uma área costeira propensa a tufões no sul da China. O projeto está localizado em uma cidade costeira com uma velocidade média anual do vento de 6.8 m/s e uma velocidade básica do vento de 45 Senhora (50-período de retorno do ano). As tradicionais torres de transmissão utilizadas na fase inicial do projeto foram frequentemente danificadas pela ação de tufões, resultando em cortes de energia frequentes e enormes perdas económicas. Para resolver este problema, o projeto decidiu adotar torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento em seções principais. A duração total do projeto é 35 km, envolvendo 56 torres de tubos de aço de alta resistência e resistentes ao vento com alturas variando de 55m a 70m, cobrindo áreas montanhosas e planícies costeiras.
Os principais requisitos de design do projeto são os seguintes: (1) A torre de transmissão deve suportar a carga extrema de vento correspondente ao período de retorno de 100 anos (velocidade básica do vento 55 Senhora); (2) Comparado com torres de transmissão de aço Q235 tradicionais, o peso estrutural é reduzido em mais de 15%, e o custo do projeto é controlado dentro 8% do esquema tradicional; (3) A vida útil da estrutura da torre não é inferior a 50 anos, e o custo anual de manutenção é reduzido em mais de 20%; (4) O período de construção é reduzido em mais de 10% através da tecnologia de montagem pré-fabricada.
5.2 Projeto e construção de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento
5.2.1 Otimização do esquema de design
Combinado com as características locais de carga de vento e condições topográficas, o projeto adota uma estrutura de torre cônica em tubo de aço. O corpo da torre usa aço de alta resistência Q500 para aumentar a capacidade de carga geral, e os braços cruzados adotam aço de alta resistência Q420 com um design de seção tipo caixa, o que efetivamente reduz o coeficiente de carga do vento enquanto melhora a rigidez estrutural. A conexão do nó adota conexão de parafuso de flange de alta resistência, o que não só garante a resistência da conexão, mas também melhora a eficiência da instalação no local. além do que, além do mais, visando o problema da vibração induzida pelo vento em áreas costeiras, amortecedores de massa sintonizados (DTM) são instalados no topo da torre e na extremidade das cruzetas, e dispositivos anti-galope são instalados nos condutores para suprimir o galope e a vibração induzida por vórtices.
No cálculo da carga de vento, o projeto segue rigorosamente os requisitos do GB 50009-2012 “Código para Cargas em Estruturas de Edifícios” e GB 50545-2010 “Código para Projeto de Linhas de Transmissão Aéreas de 110kV~750kV”. A pressão básica do vento é calculada como 0,5×1,225×45² = 123.94 kPa. Um modelo tridimensional de elementos finitos do sistema torre-linha de transmissão é estabelecido para realizar análises estáticas., análise dinâmica e estabilidade. Os resultados da análise mostram que sob a velocidade básica do vento de 45 Senhora, a tensão máxima do corpo da torre é 286 MPa (menos do que a resistência ao escoamento do aço Q500 500 MPa), o deslocamento superior máximo é de 0,65m (dentro do limite de deslocamento permitido de 1/100 da altura da torre), e o fator de segurança de estabilidade é 3.5, que atende totalmente aos requisitos de projeto.
5.2.2 Tecnologia de Construção e Controle de Qualidade
O projeto adota tecnologia de construção de montagem pré-fabricada. Todos os componentes do corpo da torre, braços cruzados e nós são pré-fabricados na fábrica com um erro de precisão de processamento controlado dentro de ± 2 mm. Os componentes pré-fabricados são transportados até o canteiro de obras em veículos especiais com medidas de proteção anticolisão e anticorrosiva. A construção no local é realizada na ordem de construção da fundação, montagem do corpo da torre, instalação de braço cruzado, depuração de componentes resistentes ao vento e montagem de condutores.
Na fase de construção da fundação, fundações de estacas perfuradas de concreto armado são usadas para se adaptar às características do solo macio das áreas costeiras, e a capacidade de suporte de cada fundação é testada para garantir que atenda aos requisitos do projeto. Durante a montagem do corpo da torre, um guindaste sobre esteiras é usado para içar, e os parafusos de conexão do flange são apertados com uma chave dinamométrica para garantir que o torque atenda ao padrão (450 N·m para parafusos M24 de alta resistência). Após a instalação dos dispositivos TMD e anti-galope, testes dinâmicos no local são realizados para ajustar os parâmetros do amortecedor para alcançar o efeito ideal de controle de vibração. Todo o processo de construção implementa supervisão de qualidade de processo completo, incluindo inspeção de dimensão de componente, teste de torque de parafuso e detecção de alinhamento estrutural.
O período real de construção do 56 torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência são 120 dias, qual é 16% mais curto que o planejado 143 dias do esquema tradicional, verificando a vantagem de eficiência da tecnologia de montagem pré-fabricada.
5.3 Avaliação do efeito da aplicação
5.3.1 Avaliação de Desempenho Estrutural
Após a conclusão do projeto, um monitoramento local de um ano foi realizado nas principais torres de transmissão, incluindo a velocidade do vento, monitoramento de tensão estrutural e deslocamento. Durante o período de monitoramento, O tufão Kompasu passou pela área do projeto, com uma velocidade instantânea máxima do vento de 52 Senhora. Os resultados do monitoramento mostram que a tensão máxima do corpo da torre sob a ação do tufão é 312 MPa, o que é consistente com os resultados da simulação de elementos finitos (308 MPa), e não há deformação plástica ou danos aos componentes. O deslocamento superior máximo é de 0,78m, que está dentro da faixa permitida. Comparado com as torres de transmissão tradicionais adjacentes, a amplitude de vibração das torres resistentes ao vento de alta resistência é reduzida em 23% sob a mesma carga de vento, indicando que o sistema de controle de vibração TMD tem um efeito significativo.
5.3.2 Análise de Benefícios Econômicos
O benefício econômico do projeto é avaliado a partir de três aspectos: custo inicial de construção, custo de operação e manutenção e perda de energia. Os resultados estatísticos mostram que: (1) O custo unitário de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento é 18% mais alto que o das torres tradicionais, mas devido à redução do peso estrutural e da escala da fundação, o custo total de construção do projeto é apenas 4.2% superior ao do esquema tradicional; (2) O custo anual de manutenção de torres de aço de alta resistência é 25% inferior ao das torres tradicionais devido à sua boa resistência à corrosão e estabilidade estrutural; (3) Desde a conclusão do projeto, não houve queda de energia causada por danos à torre, e a perda de falta de energia foi reduzida em 85% em comparação com o mesmo período antes da transformação. Cálculos abrangentes mostram que o período de recuperação do investimento do esquema de torre resistente ao vento de alta resistência é 6.3 anos, com benefícios económicos significativos a longo prazo.
5.3.3 Avaliação de benefícios sociais
A aplicação de torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência alcançou benefícios sociais notáveis. Por um lado, garante a operação segura e estável da rede elétrica local, atende a demanda de energia 230,000 residentes e 120 empresas industriais, e fornece uma garantia de energia confiável para o desenvolvimento econômico local. Por outro lado, a redução dos cortes de energia melhora a sensação de segurança e satisfação do público com os serviços de fornecimento de energia. além do que, além do mais, a tecnologia de montagem pré-fabricada reduz o ruído da construção no local e a poluição por poeira, e o uso de aço de alta resistência reduz o consumo de aço em 17%, que está em linha com a estratégia nacional de desenvolvimento verde e de baixo carbono.
6. Conclusão e perspectiva
6.1 Principais conclusões
Este artigo conduz pesquisas aprofundadas sobre pesquisa e desenvolvimento de torres de transmissão de energia de alta resistência e resistentes ao vento., e tira as seguintes conclusões principais através da análise teórica, simulação de elementos finitos e prática de engenharia:
(1) As propriedades mecânicas do aço de alta resistência (Q420, Q500, Q690) fornecer uma base material sólida para o projeto de torres de transmissão resistentes ao vento. Comparado com o aço comum, aço de alta resistência tem maior resistência ao escoamento e resistência à tração, e boa fadiga e resistência ao impacto, o que pode melhorar significativamente a capacidade de carga estrutural e reduzir o peso. O cálculo preciso da carga do vento (incluindo determinação básica da velocidade do vento, cálculo básico da pressão do vento e seleção do coeficiente de carga do vento) e a compreensão dos princípios de estabilidade estrutural (estabilidade geral e local) são as principais premissas teóricas do design.
(2) As principais tecnologias de design, como otimização de forma estrutural, aplicação de material de alta resistência, o design de componentes resistentes ao vento e a otimização do peso leve são meios eficazes para melhorar a resistência ao vento das torres de transmissão. O corpo da torre cônica, O braço cruzado tipo caixa e a conexão do flange podem melhorar a rigidez estrutural e reduzir a carga do vento; a seleção razoável de tipos de aço de alta resistência e a aplicação de materiais compósitos podem equilibrar desempenho e economia; DTM, dispositivos anti-galope e outros componentes resistentes ao vento podem suprimir eficazmente a vibração induzida pelo vento; a otimização das seções transversais dos componentes e a simplificação estrutural podem atingir objetivos leves.
(3) Os resultados da análise de elementos finitos mostram que a torre de transmissão resistente ao vento de alta resistência tem excelente desempenho estrutural. Sob a velocidade básica do vento de 30-50 Senhora, a tensão máxima é menor que a resistência ao escoamento do aço de alta resistência, e o deslocamento está dentro da faixa permitida. A análise modal e a análise da resposta à vibração induzida pelo vento mostram que a instalação do TMD pode reduzir a tensão dinâmica e o deslocamento da estrutura em mais de 17%. A análise de estabilidade mostra que a estrutura tem estabilidade global e local suficiente, e o fator de segurança atende aos requisitos de projeto.
(4) O estudo de caso de engenharia verifica a viabilidade e superioridade de torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento. O projeto costeiro de 220 kV mostra que as torres de alta resistência e resistentes ao vento podem suportar cargas extremas de tufões, tem as vantagens do curto período de construção, baixo custo de manutenção e benefícios econômicos e sociais significativos, e fornecer experiência prática para a promoção e aplicação de tais torres em áreas de alta velocidade do vento.
6.2 Limitações de pesquisa
Embora este artigo tenha alcançado certos resultados de pesquisa, ainda existem as seguintes limitações: (1) A pesquisa sobre as propriedades mecânicas do aço de alta resistência é baseada principalmente em testes de laboratório, e o desempenho a longo prazo (fadiga, corrosão) de torres de transmissão de aço de alta resistência em condições reais de serviço (carga de vento alternada, corrosão atmosférica marinha) precisa de mais monitoramento e pesquisa no local; (2) O modelo de elementos finitos simplifica alguns pequenos componentes e detalhes de conexão, o que pode levar a pequenos desvios entre os resultados da simulação e o desempenho estrutural real; (3) O caso de engenharia está limitado a projetos costeiros de 220kV, e o efeito da aplicação de torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência em projetos UHV e áreas alpinas e de alta altitude precisa de verificação adicional; (4) A pesquisa em materiais compósitos é principalmente teórica, e a tecnologia de aplicação em larga escala e o controle de custos de materiais compósitos em torres de transmissão precisam ser ainda mais avançados.
6.3 Direções de pesquisas futuras
Tendo em conta as limitações da investigação e as necessidades de desenvolvimento da indústria energética, as futuras direções de pesquisa de torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência são propostas da seguinte forma:
(1) Fortalecer a pesquisa sobre desempenho a longo prazo e previsão de vida. Realizar monitoramento de rastreamento de longo prazo de torres de transmissão resistentes ao vento de alta resistência em diferentes ambientes, estudar a lei de evolução do desempenho estrutural sob a ação combinada da carga do vento, corrosão e fadiga, e estabelecer um modelo de previsão de vida baseado no acoplamento multifatorial.
(2) Melhore a precisão da simulação de elementos finitos. Considere a influência da não linearidade material, rigidez da conexão e detalhes locais sobre desempenho estrutural, estabelecer um modelo de elementos finitos mais refinado, e combinar testes em túnel de vento para melhorar a confiabilidade dos resultados da simulação. Explore a aplicação da tecnologia de gêmeo digital no projeto de torres de transmissão e no monitoramento de operação para realizar o gerenciamento dinâmico de estruturas em tempo real.
(3) Expanda o escopo da aplicação e adaptação de cenário. Desenvolver tecnologias de torre de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento, adequadas para UHV, energia eólica offshore e outros projetos, otimizar o esquema de projeto de acordo com diferentes condições ambientais (alta altitude, regiões frias), e promover a aplicação em larga escala de tecnologias resistentes ao vento de alta resistência na rede elétrica.
(4) Promover a inovação e aplicação de novos materiais e novas tecnologias. Acelere a pesquisa de baixo custo, materiais compósitos de alto desempenho e suas tecnologias de ligação com estruturas metálicas; desenvolver componentes inteligentes resistentes ao vento, como TMD adaptativo e sistemas ativos de controle de vibração para melhorar ainda mais o efeito de controle de vibração induzido pelo vento.
(5) Melhorar o sistema padrão e a cadeia industrial. Resuma os resultados da pesquisa e a experiência de engenharia, formular um conjunto completo de padrões de projeto e especificações de construção para torres de transmissão de alta resistência e resistentes ao vento, melhorar a capacidade de produção pré-fabricada de componentes, e promover a industrialização e padronização de tecnologia de torre de transmissão resistente ao vento de alta resistência.
Referências
[1] GB 50009-2012, Código para Cargas em Estruturas de Edifícios[S]. Pequim: Arquitetura Chinesa & Imprensa de construção, 2012.
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