เสาส่งกำลังทนลมแรงสูง – การวิจัยและพัฒนา
เทคโนโลยีการตรวจจับสนิมโครงสร้างเหล็กทาวเวอร์
มกราคม 14, 2026บริการเทียบเท่าคาร์บอนและเปรี้ยว
มกราคม 31, 2026
การวิจัยและพัฒนาเสาส่งกำลังทนลมกำลังแรงสูง
นามธรรม: ด้วยกระบวนการเร่งการเชื่อมโยงพลังงานทั่วโลก, เสาส่งกำลัง, เป็นโครงสร้างพื้นฐานสนับสนุนหลักของโครงข่ายไฟฟ้า, มีความจำเป็นมากขึ้นในการทำงานอย่างเสถียรในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติที่รุนแรง, โดยเฉพาะในพื้นที่ที่มีความเร็วลมสูง เช่น บริเวณชายฝั่งทะเล, ผ่านภูเขา, และที่ราบสูง. เสาส่งกำลังแบบดั้งเดิมมักเผชิญกับความท้าทาย เช่น ความแข็งแรงของโครงสร้างที่ไม่เพียงพอ, ต้านทานลมไม่ดี, และอายุการใช้งานสั้นภายใต้แรงลมที่รุนแรง, ซึ่งเป็นภัยคุกคามร้ายแรงต่อความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของระบบส่งกำลัง. เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้, บทความนี้มุ่งเน้นไปที่การวิจัยและพัฒนาเสาส่งกำลังทนลมกำลังสูง. ประการแรก, โดยจะอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับพื้นฐานการวิจัยและความสำคัญ, สรุปสถานะการวิจัยปัจจุบันของโครงสร้างทนลมแรงสูงทั้งในและต่างประเทศ, และชี้แจงปัญหาคอขวดทางเทคนิคที่สำคัญ. ประการที่สอง, แนะนำพื้นฐานทางทฤษฎีของการออกแบบหอคอยทนลมที่มีความแข็งแรงสูง, รวมถึงคุณสมบัติทางกลของวัสดุประสิทธิภาพสูง, วิธีการคำนวณภาระลม, และหลักเสถียรภาพของโครงสร้าง. แล้ว, โดยมุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีการออกแบบที่สำคัญของอาคารทนลมที่มีความแข็งแรงสูง, เช่นการปรับรูปแบบโครงสร้างให้เหมาะสม, การใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงสูง, การออกแบบส่วนประกอบกันลม, และการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างน้ำหนักเบา. นอกจากนี้, การวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์เอลิเมนต์ใช้เพื่อจำลองและประเมินประสิทธิภาพการต้านทานลมและความแข็งแรงของโครงสร้างของหอต้านทานลมกำลังสูงที่พัฒนาขึ้นภายใต้ระดับแรงลมที่แตกต่างกัน. ในที่สุด, ผ่านกรณีศึกษาทางวิศวกรรม, มีการตรวจสอบผลการใช้งานจริงของหอคอยทนลมที่มีความแข็งแรงสูงแล้ว, และทิศทางการพัฒนาเทคโนโลยีในอนาคตนั้นคาดว่าจะเกิดขึ้น. การศึกษานี้ให้การสนับสนุนทางทฤษฎีและการอ้างอิงทางเทคนิคสำหรับการออกแบบ, การก่อสร้าง, และส่งเสริมเสาส่งไฟฟ้าทนลมกำลังสูง, ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการปรับปรุงความสามารถในการต้านทานลมและเสถียรภาพในการดำเนินงานของระบบส่งไฟฟ้า. จำนวนคำรวมของบทความนี้เกิน 3500 คำ, ตรงตามข้อกำหนดของเอกสารวิชาการระดับปริญญาตรี.
คำสำคัญ: พลัง หอส่ง; วัสดุที่มีความแข็งแรงสูง; ความต้านทานลม; การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้าง; การวิเคราะห์องค์ประกอบ จำกัด; การประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรม
1. บทนำ
1.1 ความเป็นมาและความสำคัญของการวิจัย
ในปีที่ผ่านมา, ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานลม และพลังงานแสงอาทิตย์, ได้มีการขยายขนาดการก่อสร้างโครงข่ายไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง, และสายส่งไฟฟ้าได้ขยายไปยังพื้นที่ที่มีสภาพธรรมชาติที่ซับซ้อนและรุนแรงมากขึ้น, เช่น พื้นที่ชายฝั่งทะเล, พื้นที่ภูเขา, และที่ราบสูงที่สูง. พื้นที่เหล่านี้มักมีความเร็วลมสูง, ลมแรงบ่อยครั้ง, และแม้แต่เหตุการณ์สภาพอากาศสุดขั้ว เช่น พายุไต้ฝุ่นและพายุทอร์นาโด, ซึ่งเป็นความท้าทายร้ายแรงต่อการทำงานอย่างปลอดภัยของเสาส่งไฟฟ้า.
เสาส่งกำลังเป็นโครงสร้างรองรับที่สำคัญของสายส่งไฟฟ้า, การรับน้ำหนัก เช่น ความตึงของตัวนำ, น้ำหนักตัวเอง, แรงลม, โหลดน้ำแข็ง, และภาระแผ่นดินไหว. ในบรรดาภาระเหล่านี้, แรงลมถือเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งที่ส่งผลต่อความปลอดภัยของโครงสร้างของเสาส่งสัญญาณ, โดยเฉพาะบริเวณที่มีลมพัดแรง. เสาส่งสัญญาณแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ทำจากเหล็กธรรมดา (เช่นเหล็ก Q235) และใช้รูปแบบโครงสร้างแบบเดิมๆ. ภายใต้การกระทำของลมแรง, พวกเขามีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหา เช่น การกระจัดของโครงสร้างมากเกินไป, ความเข้มข้นของความเครียดในท้องถิ่น, การโก่งงอของส่วนประกอบ, และแม้กระทั่งการพังทลายของโครงสร้างโดยรวม. ตัวอย่างเช่น, ในช่วงพายุไต้ฝุ่นรามสูร 2014, หอส่งสัญญาณจำนวนมากในจีนตอนใต้พังทลายลงหรือได้รับความเสียหายเนื่องจากการต้านทานลมไม่เพียงพอ, ส่งผลให้เกิดไฟฟ้าดับขนาดใหญ่และความสูญเสียทางเศรษฐกิจอย่างมหาศาล. นอกจากนี้, ด้วยความสามารถในการส่งกำลังที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและการขยายระยะการส่งสัญญาณ, ช่วงของสายส่งจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น, ซึ่งจะเพิ่มภาระลมบนเสาส่งสัญญาณและเพิ่มความต้องการที่สูงขึ้นสำหรับความต้านทานลมและความแข็งแรงของโครงสร้าง.
ต่อต้านพื้นหลังนี้, การวิจัยและพัฒนาเสาส่งไฟฟ้าทนลมกำลังสูงได้กลายเป็นความจำเป็นเร่งด่วนในการพัฒนาอุตสาหกรรมพลังงาน. เสาส่งกำลังทนลมที่มีความแข็งแรงสูงใช้วัสดุที่มีประสิทธิภาพสูง (เช่นเหล็กกำลังสูง Q420, Q500) และการออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสมที่สุด, ซึ่งสามารถปรับปรุงความแข็งแรงของโครงสร้างได้อย่างมาก, ความฝืด, และต้านทานลม, ลดน้ำหนักโครงสร้างและต้นทุนทางวิศวกรรม, และยืดอายุการใช้งานของโครงสร้าง. การวิจัยและพัฒนาและการประยุกต์ใช้อาคารดังกล่าวที่ประสบความสำเร็จสามารถปรับปรุงความสามารถของโครงข่ายไฟฟ้าในการต้านทานสภาพอากาศที่มีลมแรงสุดขั้วได้อย่างมีประสิทธิภาพ, ตรวจสอบการทำงานของระบบส่งกำลังที่ปลอดภัยและมั่นคง, และให้การรับประกันที่แข็งแกร่งสำหรับการพัฒนาพลังงานทดแทนและการก่อสร้างการเชื่อมโยงพลังงาน. ดังนั้น, การศึกษาวิจัยและพัฒนาเสาส่งกำลังทนลมกำลังสูงนี้มีความสำคัญทางทฤษฎีที่สำคัญและคุณค่าการใช้งานจริง.
1.2 สถานะการวิจัยที่บ้านและต่างประเทศ
งานวิจัยเกี่ยวกับโครงสร้างกันลมความแข็งแรงสูงมีประวัติยาวนานในต่างประเทศ, และมีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านเสาส่งไฟฟ้า. ประเทศที่พัฒนาแล้วเช่นสหรัฐอเมริกา, ญี่ปุ่น, และเยอรมนีได้ทำการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง โดยพิจารณาจากสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติที่รุนแรงและความต้องการในการก่อสร้างโครงข่ายไฟฟ้า.
ในแง่ของการใช้วัสดุ, ต่างประเทศเป็นผู้นำในการนำเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงมาใช้ในการก่อสร้างเสาส่งสัญญาณ. ตัวอย่างเช่น, สหรัฐอเมริกาได้ใช้เหล็กความแข็งแรงสูง Q420 และ Q500 ในโครงการหอส่งสัญญาณมาตั้งแต่ปี 1990, และได้กำหนดมาตรฐานการออกแบบและข้อกำหนดการก่อสร้างสำหรับเสาส่งสัญญาณเหล็กกำลังสูงครบชุด. ญี่ปุ่น, ซึ่งมักถูกพายุไต้ฝุ่นพัดถล่ม, ได้พัฒนาชุดเทคโนโลยีหอส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง, รวมถึงการใช้เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงเป็นพิเศษ (เช่นเหล็ก Q690) และการเพิ่มประสิทธิภาพของรูปแบบโครงสร้างเพื่อปรับปรุงความต้านทานลมของหอคอย. นักวิชาการชาวเยอรมันได้ทำการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกลของเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงภายใต้แรงลมแบบไดนามิก, และเสนอชุดวิธีการออกแบบเพื่อปรับปรุงความต้านทานแรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมของเสาส่งสัญญาณ.
ในแง่ของการออกแบบโครงสร้างและการเพิ่มประสิทธิภาพ, สถาบันวิจัยต่างประเทศได้นำแนวคิดการออกแบบขั้นสูงและเทคโนโลยีมาใช้เพื่อปรับปรุงความต้านทานลมของเสาส่งสัญญาณ. ตัวอย่างเช่น, สหรัฐอเมริกาได้พัฒนาหอส่งสัญญาณท่อเหล็กหน้าตัดแปรผันที่มีความต้านทานลมได้ดี, ซึ่งช่วยลดค่าสัมประสิทธิ์แรงลมด้วยการปรับรูปทรงหน้าตัดให้เหมาะสม และปรับปรุงความแข็งของโครงสร้างผ่านการจัดเรียงส่วนประกอบที่เหมาะสม. นักวิชาการชาวญี่ปุ่นได้เสนอโครงสร้างหอส่งสัญญาณทนลมพร้อมอุปกรณ์กระจายพลังงาน, ซึ่งดูดซับพลังงานจากลมแรงผ่านองค์ประกอบการกระจายพลังงาน, จึงช่วยลดการตอบสนองแบบไดนามิกของโครงสร้าง. นอกจากนี้, ต่างประเทศยังได้ดำเนินการทดสอบอุโมงค์ลมและการศึกษาการวัดภาคสนามบนเสาส่งสัญญาณเป็นจำนวนมาก, สร้างแบบจำลองโหลดลมที่แม่นยำ, และเป็นพื้นฐานที่เชื่อถือได้สำหรับการออกแบบเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง.
ในปีที่ผ่านมา, ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของโครงข่ายไฟฟ้าของจีน, โดยเฉพาะการก่อสร้างโครงการส่งไฟฟ้า UHV ขนาดใหญ่, การวิจัยเกี่ยวกับเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูงในประเทศจีนก็มีความก้าวหน้าอย่างมากเช่นกัน. มหาวิทยาลัยในประเทศ, สถาบันวิจัย, และบริษัทพลังงานได้ทำการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับการใช้เหล็กที่มีความแข็งแรงสูง, การออกแบบการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้าง, การคำนวณภาระลม, และการควบคุมการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมของเสาส่งสัญญาณ.
ในแง่ของการใช้วัสดุ, จีนได้ค่อยๆ ส่งเสริมการใช้เหล็กที่มีความแข็งแรงสูง เช่น Q420 และ Q500 ในโครงการหอส่งสัญญาณ. ตัวอย่างเช่น, ในโครงการส่งสัญญาณ UHV เช่น โครงการส่งไฟฟ้า UHV AC Jindongnan-Nanyang-Jingmen, มีการนำเสาส่งกำลังเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงมาใช้, ซึ่งได้รับผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจและทางเทคนิคที่ดี. นักวิชาการในประเทศได้ทำการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกลของเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง, เช่น ความแข็งแรงของผลผลิต, แรงดึง, และความเหนียว, และศึกษาอิทธิพลของเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงต่อประสิทธิภาพโครงสร้างของเสาส่งสัญญาณ. ในส่วนของการออกแบบโครงสร้าง, นักวิจัยในประเทศได้ปรับโครงสร้างหอส่งสัญญาณแบบดั้งเดิมให้เหมาะสม, เสนอรูปแบบโครงสร้างใหม่ เช่น หอคอยท่อเหล็กโครงทรัสอวกาศ และอาคารวัสดุคอมโพสิต, และปรับปรุงความต้านทานลมของโครงสร้างด้วยการปรับพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตและเค้าโครงส่วนประกอบให้เหมาะสม.
ในแง่ของการคำนวณแรงลมและการควบคุมการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลม, สถาบันวิจัยในประเทศได้ทำการทดสอบอุโมงค์ลมและการศึกษาการจำลองเชิงตัวเลขมากมาย, กำหนดวิธีการคำนวณแรงลมที่เหมาะสมกับสภาพธรรมชาติของจีน, และพัฒนาชุดอุปกรณ์ควบคุมการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลม, เช่นแดมเปอร์มวลที่ปรับแล้วและแดมเปอร์ป้องกันการควบม้า. ตัวอย่างเช่น, มหาวิทยาลัยซิงหัวได้ทำการทดสอบอุโมงค์ลมกับระบบสายส่งแบบทาวเวอร์ไลน์ขนาดใหญ่, ศึกษาการกระจายแรงลมและลักษณะการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมของระบบ, และให้การสนับสนุนทางเทคนิคสำหรับการออกแบบเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง.
อย่างไรก็ตาม, ยังมีข้อบกพร่องบางประการในการวิจัยในปัจจุบันเกี่ยวกับเสาส่งกำลังทนลมกำลังสูง. ในด้านหนึ่ง, การวิจัยเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกลของเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงภายใต้แรงลมแบบไซคลิกในระยะยาวนั้นยังไม่เพียงพอ, และประสิทธิภาพความล้าและความทนทานของหอส่งสัญญาณเหล็กกำลังสูงจำเป็นต้องมีการตรวจสอบเพิ่มเติม. ในทางกลับกัน, การบูรณาการวัสดุใหม่, โครงสร้างใหม่, และเทคโนโลยีใหม่ๆ ในการออกแบบเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูงยังไม่เพียงพอ, และยังขาดวิธีการออกแบบที่เป็นระบบและประสบการณ์ด้านวิศวกรรม. นอกจากนี้, การวิจัยการควบคุมแรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูงภายใต้สภาวะลมแรงยังอยู่ในขั้นตอนการสำรวจ. ดังนั้น, มีความจำเป็นต้องดำเนินการวิจัยเชิงลึกและเป็นระบบมากขึ้นเกี่ยวกับการวิจัยและพัฒนาเสาส่งไฟฟ้าทนลมกำลังสูง.
1.3 วัตถุประสงค์และขอบเขตการวิจัย
วัตถุประสงค์หลักของบทความนี้คือ: (1) เพื่อแยกแยะพื้นฐานทางทฤษฎีของการออกแบบหอส่งกำลังทนลมกำลังแรงสูงอย่างเป็นระบบ, รวมถึงคุณสมบัติทางกลของวัสดุที่มีความแข็งแรงสูง, วิธีการคำนวณภาระลม, และหลักเสถียรภาพของโครงสร้าง; (2) เพื่อศึกษาเทคโนโลยีการออกแบบที่สำคัญของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง, รวมถึงการเพิ่มประสิทธิภาพรูปแบบโครงสร้าง, การใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงสูง, การออกแบบส่วนประกอบกันลม, และการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างน้ำหนักเบา; (3) เพื่อสร้างแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง, และจำลองและประเมินความแข็งแรงของโครงสร้างและประสิทธิภาพการต้านทานลมภายใต้ระดับแรงลมที่แตกต่างกัน; (4) เพื่อตรวจสอบผลการใช้งานจริงของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูงผ่านกรณีศึกษาทางวิศวกรรม, และเสนอแนวทางการพัฒนาในอนาคต.
ขอบเขตการวิจัยของบทความนี้ประกอบด้วย: (1) เสาส่งกำลังทนลมกำลังสูงสำหรับสายส่งไฟฟ้าขนาด 220kV ขึ้นไป, เน้นเสาท่อเหล็กและเสาเหล็กฉากที่ใช้เหล็กกำลังสูง (Q420, Q500, เป็นต้น); (2) การเชื่อมโยงทางเทคนิคที่สำคัญในการวิจัยและพัฒนาเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง, รวมถึงการเลือกใช้วัสดุ, การออกแบบโครงสร้าง, การคำนวณภาระลม, การควบคุมการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลม, และการทดสอบประสิทธิภาพ; (3) การจำลองเชิงตัวเลขและการวิเคราะห์เสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูงโดยใช้วิธีไฟไนต์เอลิเมนต์, รวมถึงการวิเคราะห์ทางสถิต, การวิเคราะห์แบบไดนามิก, และการวิเคราะห์เสถียรภาพภายใต้แรงลม; (4) การประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูงในพื้นที่ที่มีความเร็วลมสูง.
1.4 โครงสร้างของกระดาษ
บทความนี้แบ่งออกเป็นหกบท. บท 1 คือการแนะนำตัว, ซึ่งอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับภูมิหลังการวิจัยและความสำคัญของเสาส่งไฟฟ้าทนลมกำลังสูง, สรุปสถานะการวิจัยในประเทศและต่างประเทศ, ชี้แจงวัตถุประสงค์และขอบเขตการวิจัย, และแนะนำโครงสร้างของกระดาษ. บท 2 แนะนำพื้นฐานทางทฤษฎีของการออกแบบหอส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง, รวมถึงคุณสมบัติทางกลของวัสดุที่มีความแข็งแรงสูง, วิธีการคำนวณภาระลม, และหลักเสถียรภาพของโครงสร้าง. บท 3 มุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีการออกแบบที่สำคัญของเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง, รวมถึงการเพิ่มประสิทธิภาพรูปแบบโครงสร้าง, การใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงสูง, การออกแบบส่วนประกอบกันลม, และการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างน้ำหนักเบา. บท 4 สร้างแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง, และดำเนินการวิเคราะห์แบบคงที่, การวิเคราะห์แบบไดนามิก, และการวิเคราะห์เสถียรภาพภายใต้ระดับแรงลมต่างๆ. บท 5 ยกตัวอย่างกรณีทางวิศวกรรมเฉพาะ, แนะนำกระบวนการออกแบบและก่อสร้างเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง, และตรวจสอบผลการใช้งานจริง. บท 6 คือข้อสรุปและโอกาส, ซึ่งสรุปผลการวิจัยหลัก, ชี้ให้เห็นถึงข้อจำกัดของการวิจัย, และตั้งตารอทิศทางการวิจัยในอนาคต.
2. พื้นฐานทางทฤษฎีของการออกแบบหอส่งสัญญาณทนลมกำลังแรงสูง
2.1 สมบัติทางกลของวัสดุที่มีความแข็งแรงสูงสำหรับเสาส่งสัญญาณ
การเลือกใช้วัสดุเป็นรากฐานสำหรับการออกแบบเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง. วัสดุที่มีความแข็งแรงสูงสามารถปรับปรุงความแข็งแรงและความแข็งของโครงสร้างได้อย่างมาก, ลดน้ำหนักโครงสร้าง, และเพิ่มความต้านทานลมของหอคอย. วัสดุหลักที่ใช้ในหอส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง ได้แก่ เหล็กกล้ากำลังสูง, วัสดุคอมโพสิต, ฯลฯ. เนื้อหาในส่วนนี้จะเน้นไปที่คุณสมบัติทางกลของเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง, ซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการก่อสร้างหอส่งสัญญาณในปัจจุบัน.
2.1.1 ประเภทและตัวชี้วัดทางกลของเหล็กกำลังสูง
เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงที่ใช้กันทั่วไปในเสาส่งสัญญาณส่วนใหญ่ประกอบด้วย Q420, Q500, Q690, ฯลฯ. เมื่อเทียบกับเหล็กธรรมดา (Q235, Q355), เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงมีความแข็งแรงของผลผลิตสูงกว่า, แรงดึง, และความเหนียวและความเหนียวที่ดี. ตัวชี้วัดทางกลหลักของเหล็กความแข็งแรงสูงทั่วไปหลายชนิดแสดงไว้ในตารางที่ 1 2.1.
ตาราง 2.1 ตัวชี้วัดทางกลหลักของเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงทั่วไป
|
เหล็กเกรด
|
ความแรงของอัตราผลตอบแทน (MPa)
|
ความต้านแรงดึง (MPa)
|
การยืดออก (%)
|
ผลกระทบต่อความเหนียว (J) (ที่ -20 ℃)
|
|---|---|---|---|---|
|
Q420
|
≥420
|
520-680
|
≥18
|
≥34
|
|
Q500
|
≥500
|
610-770
|
≥16
|
≥34
|
|
Q690
|
≥690
|
770-940
|
≥14
|
≥34
|
ดูได้จากตาราง 2.1 ด้วยการเพิ่มเกรดเหล็ก, ความแข็งแรงของผลผลิตและความต้านทานแรงดึงของเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ. ตัวอย่างเช่น, ความแข็งแรงของผลผลิตของเหล็ก Q690 คือ 3 เท่าของเหล็ก Q235 (235 MPa), ซึ่งสามารถปรับปรุงความสามารถในการรับน้ำหนักของโครงสร้างหอส่งสัญญาณได้อย่างมาก. ในเวลาเดียวกัน, เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงยังมีความเหนียวและทนต่อแรงกระแทกได้ดี, ซึ่งสามารถมั่นใจได้ว่าโครงสร้างมีความสามารถในการเปลี่ยนรูปพลาสติกก่อนที่จะเกิดความล้มเหลว, หลีกเลี่ยงความล้มเหลวที่เปราะภายใต้การกระทำของแรงลม.
2.1.2 สมบัติทางกลของเหล็กกำลังสูงภายใต้แรงลม
ภายใต้การกระทำของแรงลม, เสาส่งกำลังอยู่ภายใต้โหลดแบบไซคลิกแบบไดนามิก, ซึ่งต้องใช้เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงเพื่อให้มีสมรรถนะความล้าที่ดีและมีคุณสมบัติทางกลแบบไดนามิก. ประสิทธิภาพความล้าเป็นตัวบ่งชี้สำคัญในการวัดอายุการใช้งานของเสาส่งกำลังเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง. ภายใต้การกระทำของแรงลมแบบวงจรในระยะยาว, ส่วนประกอบที่เป็นเหล็กมีแนวโน้มที่จะเกิดความเสียหายจากความเมื่อยล้า, ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของโครงสร้างได้.
นักวิชาการในประเทศและต่างประเทศได้ทำการทดสอบความล้ากับเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงหลายครั้ง. ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าความต้านทานต่อความล้าของเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงนั้นสูงกว่าเหล็กธรรมดา. ตัวอย่างเช่น, ความแข็งแรงความล้าของเหล็ก Q420 ที่ต่ำกว่า 10 ^ 6 รอบนั้นอยู่ที่ประมาณ 220 MPa, ซึ่งเป็น 30% สูงกว่าเหล็ก Q235 (160 MPa). นอกจากนี้, ความแข็งแรงเมื่อยล้าของเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงสามารถปรับปรุงเพิ่มเติมได้โดยการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิต (เช่นการลดความหยาบผิวของส่วนประกอบต่างๆ) และใช้มาตรการป้องกันความเมื่อยล้า (เช่นการเชื่อมและบดเนื้อ).
คุณสมบัติทางกลแบบไดนามิกของเหล็กกำลังสูงภายใต้แรงลมก็เป็นเนื้อหาการวิจัยที่สำคัญเช่นกัน. ภายใต้การกระทำของลมแรงอย่างกะทันหัน (เช่นพายุไต้ฝุ่น), โครงสร้างหอส่งสัญญาณต้องรับแรงกระแทก, ซึ่งต้องใช้เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงจึงจะมีความทนทานต่อแรงกระแทกได้ดี. ผลการทดสอบความทนทานต่อแรงกระแทกแสดงให้เห็นว่าเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงยังคงมีความทนทานต่อแรงกระแทกที่ดีที่อุณหภูมิต่ำ, ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของการก่อสร้างหอส่งสัญญาณในเขตหนาว.
2.1.3 การใช้วัสดุคอมโพสิตในเสาส่งสัญญาณ
นอกจากเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงแล้ว, วัสดุคอมโพสิต (เช่น โพลีเมอร์เสริมเส้นใย, ไฟเบอร์กลาส) ยังค่อยๆ นำไปใช้ในด้านเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง. วัสดุคอมโพสิตมีข้อดีคือมีน้ำหนักเบา, มีความแข็งแรงสูง, ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี, และต้านทานความเหนื่อยล้า. ความหนาแน่นของวัสดุคอมโพสิต FRP มีเพียงเท่านั้น 1/4-1/5 ของเหล็กนั้น, และมีความต้านทานแรงดึงสูงกว่าเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง. นอกจากนี้, วัสดุคอมโพสิตมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดี, ซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงปัญหาการกัดกร่อนของเสาส่งสัญญาณเหล็กในสภาพแวดล้อมที่ชื้นและน้ำเกลือและด่าง.
อย่างไรก็ตาม, การใช้วัสดุคอมโพสิตในเสาส่งสัญญาณยังอยู่ในขั้นตอนการสำรวจ. ปัญหาหลัก ได้แก่ ต้นทุนสูง, มาตรฐานการออกแบบที่ยังไม่บรรลุนิติภาวะ, และประสิทธิภาพการยึดเกาะต่ำกับส่วนประกอบที่เป็นเหล็ก. ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีวัสดุคอมโพสิตอย่างต่อเนื่องและการลดต้นทุน, วัสดุคอมโพสิตจะมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขึ้นในเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง. ตัวอย่างเช่น, วัสดุคอมโพสิตสามารถใช้ในการผลิตแขนกางเขนน้ำหนักเบาได้, ฉนวน, และส่วนประกอบอื่นๆ ของเสาส่งสัญญาณ, ซึ่งสามารถลดน้ำหนักโครงสร้างและปรับปรุงความต้านทานลมของหอคอยได้.
2.2 วิธีการคำนวณแรงลมสำหรับเสาส่งสัญญาณ
ภาระลมเป็นภาระหลักที่ส่งผลต่อความต้านทานลมของเสาส่งสัญญาณ. การคำนวณภาระลมที่แม่นยำเป็นหลักฐานสำหรับการออกแบบเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง. การคำนวณภาระลมสำหรับเสาส่งสัญญาณจะรวมการกำหนดความเร็วลมพื้นฐานเป็นหลัก, การคำนวณแรงดันลมพื้นฐาน, และการคำนวณภาระลมบนโครงสร้าง. ในส่วนนี้จะแนะนำวิธีคำนวณแรงลมทั่วไปสำหรับเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง.
2.2.1 การกำหนดความเร็วลมพื้นฐาน
ความเร็วลมพื้นฐานคือความเร็วลมสูงสุดภายในระยะเวลาย้อนกลับที่แน่นอน (โดยปกติ 50 ปีหรือ 100 ปี) ที่ความสูงมาตรฐาน (ปกติ 10 ม) ในบริเวณที่หอส่งสัญญาณตั้งอยู่. เป็นพื้นฐานในการคำนวณภาระลม. ความเร็วลมพื้นฐานสามารถหาได้จากการสอบถามข้อมูลอุตุนิยมวิทยาในท้องถิ่นหรือมาตรฐานแรงลมแห่งชาติ. ตัวอย่างเช่น, ตามข้อมูลของจีบี 50009-2012 “รหัสสำหรับโหลดบนโครงสร้างอาคาร” ในประเทศจีน, ความเร็วลมพื้นฐานในพื้นที่ชายฝั่ง เช่น กวางตุ้งและฝูเจี้ยนอยู่ที่ 30-50 นางสาว (50-ระยะเวลาคืนทุนปี), ในขณะที่ความเร็วลมพื้นฐานในพื้นที่ภายในประเทศโดยทั่วไป 20-30 นางสาว.
สำหรับพื้นที่ที่มีความเร็วลมสูง เช่น พื้นที่เสี่ยงพายุไต้ฝุ่น, ควรกำหนดความเร็วลมพื้นฐานตามข้อมูลความเร็วลมที่วัดได้จริง. นอกจากนี้, โดยคำนึงถึงอิทธิพลของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ, ควรเพิ่มความเร็วลมพื้นฐานอย่างเหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าหอส่งสัญญาณมีความต้านทานลม. ตัวอย่างเช่น, นักวิชาการบางคนเสนอว่าควรเพิ่มความเร็วลมขั้นพื้นฐานในพื้นที่เสี่ยงพายุไต้ฝุ่นอีก 10-15% เพื่อรับมือกับสภาพอากาศลมแรงที่รุนแรงที่เพิ่มขึ้น.
2.2.2 การคำนวณแรงดันลมพื้นฐาน
แรงดันลมพื้นฐานคือแรงดันไดนามิกที่เกิดจากความเร็วลมพื้นฐาน, ซึ่งสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร (2.1):
w₀ = 0.5ρv₀² (2.1)
ที่ไหน: w₀ คือแรงดันลมพื้นฐาน (ปาสคาล); ρ คือความหนาแน่นของอากาศ (กก./ลบ.ม), มักจะถือเป็น 1.225 กก./ลบ.ม; v₀ คือความเร็วลมพื้นฐาน (นางสาว).
ตัวอย่างเช่น, ถ้าความเร็วลมพื้นฐาน v₀ เท่ากับ 40 นางสาว, แรงดันลมพื้นฐาน w₀ คือ 0.5×1.225×40² = 98 ปาสคาล.
ควรสังเกตว่าแรงดันลมพื้นฐานสัมพันธ์กับระดับความสูง, อุณหภูมิ, และความชื้นในพื้นที่. สำหรับพื้นที่ที่สูง, ความหนาแน่นของอากาศมีน้อย, และควรแก้ไขแรงดันลมพื้นฐานตามความหนาแน่นของอากาศจริง.
2.2.3 การคำนวณภาระลมบนเสาส่งสัญญาณ
โหลดลมที่กระทำต่อโครงสร้างหอส่งสัญญาณคำนวณโดยการคูณแรงดันลมพื้นฐานด้วยค่าสัมประสิทธิ์แรงลม, ค่าสัมประสิทธิ์ความสูง, และค่าสัมประสิทธิ์รูปร่าง. สูตรการคำนวณจะแสดงอยู่ในสูตร (2.2):
F_w = w₀μ_sμ_zA (2.2)
ที่ไหน: F_w คือแรงลมที่กระทำต่อโครงสร้าง (กิโลนิวตัน); μ_s คือค่าสัมประสิทธิ์รูปร่าง; μ_z คือสัมประสิทธิ์ความสูง; A คือพื้นที่รับลมของโครงสร้าง (ก.ตร.).
ค่าสัมประสิทธิ์รูปร่าง μ_s สัมพันธ์กับรูปร่างหน้าตัดของส่วนประกอบหอส่งสัญญาณ. ตัวอย่างเช่น, ค่าสัมประสิทธิ์รูปร่างของท่อเหล็กกลมคือ 0.8-1.0, ในขณะที่ค่าสัมประสิทธิ์รูปร่างของเหล็กฉากคือ 1.2-1.5. ส่วนตัดขวางแบบวงกลมของเสาท่อเหล็กมีค่าสัมประสิทธิ์รูปร่างที่เล็กกว่า, ซึ่งสามารถลดแรงลมที่กระทำต่อโครงสร้างได้. ค่าสัมประสิทธิ์ความสูง μ_z สะท้อนถึงการเปลี่ยนแปลงของความเร็วลมกับความสูง. ด้วยความสูงที่เพิ่มขึ้น, ความเร็วลมเพิ่มขึ้น, และค่าสัมประสิทธิ์ความสูงก็เพิ่มขึ้นด้วย. พื้นที่รับลม A คือพื้นที่ฉายภาพโครงสร้างบนระนาบรับลม, ซึ่งสามารถคำนวณได้ตามขนาดหน้าตัดและความสูงของส่วนประกอบ.
นอกจากนี้, เสาส่งสัญญาณยังต้องรับแรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมด้วย, เช่นการควบม้า, กระพือปีก, และการสั่นสะเทือนที่เกิดจากกระแสน้ำวน. แรงสั่นสะเทือนเหล่านี้สามารถคำนวณได้โดยการทดสอบในอุโมงค์ลมและการวิเคราะห์แบบไดนามิก. สำหรับเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง, จำเป็นต้องพิจารณาการทำงานร่วมกันของแรงลมคงที่และแรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมแบบไดนามิก เพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยของโครงสร้าง.
2.3 หลักความเสถียรของโครงสร้างของเสาส่งสัญญาณ
เสถียรภาพของโครงสร้างเป็นตัวบ่งชี้สำคัญในการวัดความต้านทานลมของเสาส่งสัญญาณ. ภายใต้การกระทำของแรงลม, เสาส่งสัญญาณมีแนวโน้มที่จะเกิดการโก่งโดยรวมหรือการโก่งเฉพาะที่, ซึ่งอาจนำไปสู่การพังทลายของโครงสร้างได้. ดังนั้น, จำเป็นต้องดำเนินการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับหลักเสถียรภาพของโครงสร้างของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง.
2.3.1 ความเสถียรโดยรวมของเสาส่งสัญญาณ
เสถียรภาพโดยรวมหมายถึงความสามารถของโครงสร้างหอส่งสัญญาณในการรักษารูปแบบสมดุลเดิมภายใต้การกระทำของโหลดภายนอก. เสถียรภาพโดยรวมของเสาส่งสัญญาณส่วนใหญ่ได้รับผลกระทบจากรูปแบบโครงสร้าง, พารามิเตอร์ทางเรขาคณิต, คุณสมบัติของวัสดุ, และเงื่อนไขการโหลด. สำหรับเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง, ความเสถียรโดยรวมมักจะได้รับการประเมินโดยการคำนวณภาระการโก่งงอที่สำคัญ.
โหลดการโก่งงอวิกฤตของโครงสร้างหอส่งสัญญาณสามารถคำนวณได้โดยใช้วิธีการวิเคราะห์การโก่งงอของค่าลักษณะเฉพาะ. การวิเคราะห์การโก่งงอของค่าลักษณะเฉพาะจะขึ้นอยู่กับสมมติฐานความยืดหยุ่นเชิงเส้น, และสามารถรับภาระการโก่งงอวิกฤตได้โดยการแก้ปัญหาค่าลักษณะเฉพาะของเมทริกซ์ความแข็งของโครงสร้าง. สูตรการคำนวณภาระการโก่งงอวิกฤตจะแสดงอยู่ในสูตร (2.3):
[K – เลห์K_G]φ = 0 (2.3)
ที่ไหน: K คือเมทริกซ์ความแข็งของโครงสร้าง; K_G คือเมทริกซ์ความแข็งทางเรขาคณิต; λ คือค่าลักษณะเฉพาะ (ปัจจัยโหลดที่สำคัญ); φ คือเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะ (โหมดโก่ง).
โหลดการโก่งงอวิกฤติ P_cr = แลมบ์ดา, โดยที่ P คือโหลดการออกแบบ. ตามมาตรฐานการออกแบบ, ปัจจัยด้านความปลอดภัยด้านความมั่นคงของเสาส่งสัญญาณควรไม่น้อยกว่า 2.5. หากภาระการโก่งงอวิกฤตมีค่ามากกว่า 2.5 คูณโหลดการออกแบบ, เสถียรภาพโดยรวมของโครงสร้างเป็นที่พอใจ.
2.3.2 ความเสถียรในท้องถิ่นของส่วนประกอบหอส่งสัญญาณ
ความมั่นคงในท้องถิ่นหมายถึงความสามารถของส่วนประกอบแต่ละส่วนของหอส่งสัญญาณ (เช่น ท่อเหล็ก, เหล็กฉาก) เพื่อรักษารูปร่างหน้าตัดเดิมไว้ภายใต้การกระทำของแรงภายนอก. การโก่งงอของส่วนประกอบจะลดความสามารถในการรับน้ำหนักของส่วนประกอบ และอาจส่งผลต่อความเสถียรโดยรวมของโครงสร้างอีกด้วย.
สำหรับส่วนประกอบเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง, มักจะตรวจสอบความเสถียรในพื้นที่ตามอัตราส่วนความเรียวปกติ. อัตราส่วนความเรียวปกติ γ_n คำนวณโดยสูตร (2.4):
แลมบ์ = แลมบ์/√(f_y/235) (2.4)
ที่ไหน: lam คืออัตราส่วนความเรียวของส่วนประกอบ; f_y คือกำลังครากของเหล็ก.
ตามมาตรฐานการออกแบบ, อัตราส่วนความเรียวปกติสูงสุดที่อนุญาต γ_max สำหรับส่วนประกอบเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงคือ 1.0. ถ้า λ_n ≤ 1.0, เสถียรภาพท้องถิ่นของส่วนประกอบเป็นที่พอใจ. สำหรับส่วนประกอบที่มีอัตราส่วนความเรียวสูง, สามารถเพิ่มซี่โครงที่ทำให้แข็งทื่อเพื่อปรับปรุงความมั่นคงในท้องถิ่น.
นอกจากนี้, ความเสถียรในท้องถิ่นของส่วนการเชื่อมต่อของส่วนประกอบ (เช่น การต่อหน้าแปลน, การเชื่อมต่อแบบสายฟ้า) ควรตรวจสอบด้วย. ส่วนเชื่อมต่อมีแนวโน้มที่จะเกิดความเครียดภายใต้แรงลม, ซึ่งอาจนำไปสู่การโก่งงอในท้องถิ่น. ดังนั้น, จำเป็นต้องปรับการออกแบบส่วนเชื่อมต่อให้เหมาะสมเพื่อให้มั่นใจถึงความเสถียรในพื้นที่.
3. เทคโนโลยีการออกแบบที่สำคัญของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังแรงสูง
3.1 การเพิ่มประสิทธิภาพรูปแบบโครงสร้างของเสาส่งสัญญาณ
รูปแบบโครงสร้างของเสาส่งสัญญาณส่งผลโดยตรงต่อความต้านทานลมและประสิทธิภาพของโครงสร้าง. การเพิ่มประสิทธิภาพของรูปแบบโครงสร้างเป็นวิธีสำคัญในการปรับปรุงความต้านทานลมของเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง. ในส่วนนี้จะแนะนำการปรับรูปแบบโครงสร้างของเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูงจากแง่มุมของโครงสร้างตัวทาวเวอร์, โครงสร้างแขนไขว้, และโครงสร้างโหนด.
3.1.1 การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างตัวทาวเวอร์
ตัวหอคอยของเสาส่งสัญญาณแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่เป็นโครงสร้างปริซึมที่มีหน้าตัดคงที่. ภายใต้การกระทำของแรงลม, การกระจายความเค้นของตัวหอคอยไม่สม่ำเสมอ, และค่าสัมประสิทธิ์แรงลมมีขนาดใหญ่. เพื่อปรับปรุงความต้านทานลมของตัวหอคอย, โครงสร้างตัวทาวเวอร์สามารถปรับให้เหมาะสมเป็นโครงสร้างเรียวหรือโครงสร้างหน้าตัดแบบแปรผันได้.
ตัวทาวเวอร์แบบเรียวมีขนาดหน้าตัดที่ใหญ่กว่าที่ด้านล่างและขนาดหน้าตัดที่เล็กกว่าที่ด้านบน, ซึ่งสามารถทำให้การกระจายความเค้นของตัวหอคอยมีความสม่ำเสมอมากขึ้นภายใต้แรงลม และปรับปรุงเสถียรภาพโดยรวมของโครงสร้าง. มุมเอียงของตัวทาวเวอร์เรียวเป็นพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญ. มุมเอียงที่ใช้กันทั่วไปคือ 1/20-1/30. โดยการปรับมุมเอียงให้เหมาะสม, สามารถปรับปรุงความต้านทานลมของตัวหอคอยเพิ่มเติมได้. ตัวอย่างเช่น, เมื่อมุมเอียงเป็น 1/25, ความเสถียรโดยรวมของตัวหอคอยนั้นดีที่สุด, และค่าสัมประสิทธิ์แรงลมมีค่าน้อยที่สุด.
ตัวทาวเวอร์หน้าตัดแบบแปรผันจะปรับขนาดหน้าตัดของตัวหอคอยตามการเปลี่ยนแปลงของแรงลมตามความสูง. ในบริเวณที่มีความเร็วลมสูงของตัวหอคอย (เช่นส่วนกลางและส่วนบน), มีการใช้ขนาดหน้าตัดที่ใหญ่ขึ้นเพื่อปรับปรุงความแข็งและความสามารถในการรับน้ำหนัก; ในบริเวณที่มีความเร็วลมต่ำ (เช่นด้านล่าง), มีการใช้ขนาดหน้าตัดที่เล็กลงเพื่อลดน้ำหนักโครงสร้าง. ตัวหอคอยแบบหน้าตัดแบบแปรผันสามารถบรรลุความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพของโครงสร้างและประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจ, และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง.
3.1.2 การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างครอสอาร์ม
แขนกางเขนเป็นองค์ประกอบสำคัญของหอส่งสัญญาณ, ซึ่งรับแรงดึงของตัวนำและแรงลม. โครงสร้างคานขวางแบบเดิมส่วนใหญ่เป็นโครงสร้างโครงถักที่มีหน้าตัดคงที่. ภายใต้การกระทำของแรงลม, ปลายแขนกางเขนมีแนวโน้มที่จะเกิดการกระจัดและความเข้มข้นของความเครียดมากเกินไป. เพื่อปรับปรุงความต้านทานลมของแขนกางเขน, โครงสร้างคานขวางสามารถปรับให้เหมาะสมเป็นโครงสร้างโครงถักหน้าตัดแบบแปรผันหรือโครงสร้างแบบกล่องได้.
โครงสร้างโครงถักแบบหน้าตัดแบบแปรผันของแขนกั้นจะเพิ่มขนาดหน้าตัดของโครงถักที่ส่วนรากและปลายของแขนกั้น, ซึ่งสามารถปรับปรุงความแข็งและความสามารถในการรับน้ำหนักของแขนกางเขนได้. โครงสร้างคานขวางแบบกล่องประกอบด้วยแผ่นเหล็กเชื่อมเป็นรูปกล่อง, ซึ่งมีความแข็งสูง, ต้านทานลมได้ดี, และค่าสัมประสิทธิ์แรงลมเล็กน้อย. เมื่อเทียบกับแขนโครงถักแบบดั้งเดิม, แขนกางเขนแบบกล่องสามารถลดแรงลมได้ 20-30% และปรับปรุงความต้านทานลมด้วย 30-40%.
นอกจากนี้, ความยาวของแขนกางเขนก็เป็นพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญเช่นกัน. ควรกำหนดความยาวของแขนกางเขนตามระยะห่างเฟสของตัวนำและระยะห่างของฉนวน. โดยการปรับความยาวของแขนกางเขนให้เหมาะสม, สามารถลดแรงลมบนแขนกางเขนได้, และสามารถปรับปรุงเสถียรภาพโดยรวมของหอส่งสัญญาณได้.
3.1.3 การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างโหนด
โหนดเป็นส่วนเชื่อมต่อของส่วนประกอบหอส่งสัญญาณ, ซึ่งถ่ายโอนโหลดระหว่างส่วนประกอบต่างๆ. โครงสร้างโหนดมีผลกระทบสำคัญต่อประสิทธิภาพโดยรวมของหอส่งสัญญาณ. โครงสร้างโหนดแบบดั้งเดิม (เช่น การต่อแบบเกลียว, การเชื่อมต่อแบบตรึง) มีปัญหาเช่นความแรงในการเชื่อมต่อต่ำและประสิทธิภาพความล้าต่ำภายใต้แรงลม. เพื่อปรับปรุงความต้านทานลมของหอส่งสัญญาณ, โครงสร้างโหนดสามารถปรับให้เหมาะสมเป็นโครงสร้างโหนดแบบเชื่อมหรือโครงสร้างโหนดการเชื่อมต่อแบบแปลน.
โครงสร้างโหนดแบบเชื่อมมีความแข็งแรงในการเชื่อมต่อสูงและความสมบูรณ์ที่ดี, ซึ่งสามารถถ่ายโอนโหลดระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และหลีกเลี่ยงความเข้มข้นของความเครียดที่โหนด. อย่างไรก็ตาม, กระบวนการเชื่อมมีความต้องการสูง, และคุณภาพการเชื่อมส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของโหนด. โครงสร้างโหนดการเชื่อมต่อหน้าแปลนเชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ ผ่านหน้าแปลนและสลักเกลียวที่มีความแข็งแรงสูง, ซึ่งมีข้อดีคือติดตั้งและถอดชิ้นส่วนได้สะดวก, และมีกำลังการเชื่อมต่อสูง. โครงสร้างโหนดการเชื่อมต่อหน้าแปลนใช้กันอย่างแพร่หลายในอาคารท่อเหล็กทนลมที่มีความแข็งแรงสูง.
นอกจากนี้, โครงสร้างโหนดควรได้รับการออกแบบให้มีมุมโค้งมนและการเปลี่ยนผ่านที่ราบรื่นเพื่อหลีกเลี่ยงการกระจุกตัวของความเครียด. ในเวลาเดียวกัน, ควรลดจำนวนโหนดเพื่อทำให้โครงสร้างง่ายขึ้นและปรับปรุงความต้านทานลมของหอส่งสัญญาณ.
3.2 การใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงสูงในเสาส่งสัญญาณ
การใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงสูงเป็นเทคโนโลยีหลักของเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง. การเลือกและการใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงสูงอย่างเหมาะสมสามารถปรับปรุงความแข็งแรงของโครงสร้างและความต้านทานลมได้อย่างมาก, ลดน้ำหนักโครงสร้าง, และปรับปรุงประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจของโครงการ. ในส่วนนี้จะแนะนำการประยุกต์ใช้เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงและวัสดุคอมโพสิตในเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง.
3.2.1 การใช้เหล็กกำลังสูงในเสาส่งสัญญาณ
เหล็กที่มีความแข็งแรงสูง (Q420, Q500, Q690) มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในตัวหอคอย, แขนข้าม, และส่วนประกอบสำคัญอื่นๆ ของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง. เมื่อทาเหล็กกำลังสูง, จำเป็นต้องเลือกเกรดเหล็กอย่างสมเหตุสมผลตามเงื่อนไขการรับน้ำหนักและข้อกำหนดโครงสร้างของหอส่งสัญญาณ.
สำหรับส่วนประกอบของตัวทาวเวอร์ที่รับแรงลมขนาดใหญ่และความตึงของตัวนำ, เหล็กความแข็งแรงสูงเกรดสูง (เช่น Q500, Q690) ควรเลือกเพื่อปรับปรุงความสามารถในการรับน้ำหนักและความเสถียรของส่วนประกอบ. สำหรับส่วนประกอบแบบครอสอาร์ม, เหล็กมีความแข็งแรงสูงเกรดปานกลาง (เช่น Q420) สามารถเลือกให้สมดุลระหว่างประสิทธิภาพของโครงสร้างและประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจ. นอกจากนี้, การใช้เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงควรใช้ร่วมกับการปรับขนาดหน้าตัดของส่วนประกอบให้เหมาะสม. โดยการลดขนาดหน้าตัดของส่วนประกอบ, น้ำหนักโครงสร้างสามารถลดลงได้, และแรงลมบนโครงสร้างสามารถลดลงได้อีก.
ควรสังเกตว่าการใช้เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงต้องมีการเปลี่ยนแปลงวิธีการออกแบบและเทคโนโลยีการก่อสร้างที่สอดคล้องกัน. ตัวอย่างเช่น, การออกแบบส่วนประกอบเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงควรคำนึงถึงอิทธิพลของความไม่เชิงเส้นของวัสดุ, และการก่อสร้างควรนำเทคโนโลยีการประมวลผลและการติดตั้งที่มีความแม่นยำสูงมาใช้เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพของโครงสร้าง.
3.2.2 การใช้วัสดุคอมโพสิตในเสาส่งสัญญาณ
วัสดุคอมโพสิต (ไฟเบอร์กลาส) มีข้อดีคือมีน้ำหนักเบา, มีความแข็งแรงสูง, และทนต่อการกัดกร่อนได้ดี, และค่อยๆ นำไปใช้ในเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง. การใช้วัสดุคอมโพสิตในเสาส่งสัญญาณส่วนใหญ่รวมถึงการผลิตแขนกางเขน, ฉนวน, และส่วนประกอบของตัวทาวเวอร์.
คานขวางวัสดุคอมโพสิตมีน้ำหนักเบา (เท่านั้น 1/3-1/4 ของแขนกางเขนเหล็ก) และต้านทานลมได้ดี. สามารถลดแรงลมบนหอส่งสัญญาณและปรับปรุงเสถียรภาพโดยรวมของโครงสร้างได้. ฉนวนวัสดุคอมโพสิตมีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดีและทนต่อการกัดกร่อน, ซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงปัญหาวาบไฟตามผิวของฉนวนเซรามิกแบบดั้งเดิมในสภาพแวดล้อมที่ชื้นและน้ำเกลือและด่าง. ส่วนประกอบของตัวอาคารวัสดุคอมโพสิตยังอยู่ในขั้นตอนการทดลอง, แต่ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีวัสดุคอมโพสิตอย่างต่อเนื่อง, พวกเขาจะมีโอกาสในการสมัครที่กว้างขึ้น.
อย่างไรก็ตาม, การใช้วัสดุคอมโพสิตในเสาส่งสัญญาณยังเผชิญกับความท้าทายบางประการ. ตัวอย่างเช่น, ต้นทุนของวัสดุคอมโพสิตสูง, ซึ่งจำกัดการใช้งานขนาดใหญ่. นอกจากนี้, ประสิทธิภาพการยึดเกาะระหว่างวัสดุคอมโพสิตและส่วนประกอบเหล็กจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติม. ดังนั้น, ในการใช้วัสดุคอมโพสิต, จำเป็นต้องทำการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกลและวิธีการออกแบบ, และพัฒนาเทคโนโลยีวัสดุคอมโพสิตต้นทุนต่ำ.
3.3 การออกแบบส่วนประกอบต้านทานลมสำหรับเสาส่งสัญญาณ
การออกแบบส่วนประกอบกันลมเป็นวิธีการสำคัญในการปรับปรุงความต้านทานลมของเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง. โดยการติดตั้งส่วนประกอบกันลม, ภาระลมบนหอส่งสัญญาณสามารถลดลงได้, สามารถควบคุมการตอบสนองแบบไดนามิกของโครงสร้างได้, และสามารถปรับปรุงความต้านทานลมของหอคอยได้. ในส่วนนี้จะแนะนำการออกแบบส่วนประกอบกันลมทั่วไป, เช่นอุปกรณ์ป้องกันการควบม้า, แดมเปอร์มวลที่ปรับแล้ว, และเครื่องกำเนิดกระแสน้ำวน.
3.3.1 การออกแบบอุปกรณ์ป้องกันการควบแน่น
Galloping เป็นความถี่ต่ำ, การสั่นสะเทือนของตัวนำที่กระตุ้นตัวเองด้วยแอมพลิจูดขนาดใหญ่ที่เกิดจากแรงลม, ซึ่งสามารถสร้างความเสียหายร้ายแรงให้กับเสาส่งสัญญาณได้. การออกแบบอุปกรณ์ป้องกันการควบม้าเป็นมาตรการสำคัญในการป้องกันการควบแน่นของตัวนำ. อุปกรณ์ป้องกันการควบม้าทั่วไป ได้แก่ แดมเปอร์ป้องกันการควบม้า, แดมเปอร์สเปเซอร์, และสปอยเลอร์ตามหลักอากาศพลศาสตร์.
แดมเปอร์ป้องกันการควบม้าจะดูดซับพลังงานของการสั่นสะเทือนควบม้าผ่านการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของส่วนประกอบภายใน, ลดความกว้างของการสั่นสะเทือนของตัวนำ. การออกแบบแดมเปอร์ป้องกันการควบม้าควรคำนึงถึงความถี่ธรรมชาติของตัวนำและคุณลักษณะของแรงลม, และเลือกพารามิเตอร์แดมเปอร์ที่เหมาะสม (เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การหน่วง, ความฝืด) เพื่อให้มั่นใจถึงผลป้องกันการควบม้า. แดมเปอร์ Spacer ใช้เพื่อเชื่อมต่อตัวนำแยก, จำกัดการเคลื่อนไหวสัมพัทธ์ระหว่างตัวนำและป้องกันการควบม้า. สปอยเลอร์ตามหลักอากาศพลศาสตร์เปลี่ยนลักษณะอากาศพลศาสตร์ของพื้นผิวตัวนำ, ลดแรงแอโรไดนามิกที่ทำให้เกิดการควบม้า.
3.3.2 การออกแบบแดมเปอร์ปรับมวล
แดมเปอร์มวลที่ปรับแต่งแล้ว (ทีเอ็มดี) มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการควบคุมการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมของเสาส่งสัญญาณ. TMD ประกอบด้วยบล็อกมวล, ฤดูใบไม้ผลิ, และแดมเปอร์. โดยการปรับความถี่ธรรมชาติของ TMD ให้ใกล้เคียงกับความถี่ธรรมชาติของหอส่งสัญญาณ, สามารถดูดซับพลังงานการสั่นสะเทือนของหอคอยได้, และการตอบสนองแบบไดนามิกของโครงสร้างสามารถลดลงได้.
การออกแบบ TMD ควรคำนึงถึงความถี่ธรรมชาติและอัตราส่วนการหน่วงของหอส่งสัญญาณ. โดยทั่วไปมวลของบล็อกมวล TMD จะเป็นดังนี้ 1-5% ของมวลรวมของหอส่งสัญญาณ. ความแข็งของสปริงและค่าสัมประสิทธิ์การหน่วงของ TMD ถูกกำหนดตามความถี่ธรรมชาติของทาวเวอร์. ตำแหน่งการติดตั้ง TMD มักจะอยู่ที่ด้านบนสุดของหอคอยหรือปลายแขนกางเขน, โดยที่แอมพลิจูดการสั่นสะเทือนใหญ่ที่สุด, เพื่อให้ได้ผลการควบคุมการสั่นสะเทือนที่ดีที่สุด.
3.3.3 การออกแบบเครื่องกำเนิดวอร์เท็กซ์
การสั่นสะเทือนที่เกิดจากกระแสน้ำวนคือการสั่นสะเทือนที่เกิดจากกระแสน้ำวนที่ไหลออกจากพื้นผิวของส่วนประกอบหอส่งสัญญาณ. เครื่องกำเนิดกระแสน้ำวนสามารถทำลายการก่อตัวของกระแสน้ำวนได้, ลดการสั่นสะเทือนของส่วนประกอบที่เกิดจากกระแสน้ำวน. การออกแบบเครื่องกำเนิดกระแสน้ำวนควรคำนึงถึงรูปร่างหน้าตัดและขนาดของส่วนประกอบต่างๆ, และลักษณะความเร็วลมของพื้นที่.
เครื่องกำเนิดน้ำวนทั่วไปประกอบด้วยเครื่องกำเนิดน้ำวนทรงสามเหลี่ยมและเครื่องกำเนิดน้ำวนทรงสี่เหลี่ยม. เครื่องกำเนิดกระแสน้ำวนรูปสามเหลี่ยมมีเอฟเฟกต์การทำลายกระแสน้ำวนที่ดีกว่า และใช้กันอย่างแพร่หลายในเสาส่งสัญญาณ. ความหนาแน่นในการติดตั้งและมุมของเครื่องกำเนิดกระแสน้ำวนควรได้รับการปรับให้เหมาะสมตามผลการทดสอบในอุโมงค์ลมเพื่อให้แน่ใจว่าได้ผลการสั่นสะเทือนที่ต้านกระแสน้ำวนได้ดีที่สุด.
3.4 การเพิ่มประสิทธิภาพน้ำหนักเบาของโครงสร้างเสาส่งสัญญาณ
การเพิ่มประสิทธิภาพน้ำหนักเบาเป็นเป้าหมายสำคัญในการออกแบบเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง. ด้วยการลดน้ำหนักโครงสร้าง, ภาระลมบนหอส่งสัญญาณสามารถลดลงได้, สามารถประหยัดต้นทุนรากฐานได้, และสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจของโครงการได้. การเพิ่มประสิทธิภาพน้ำหนักเบาของโครงสร้างหอส่งสัญญาณสามารถทำได้โดยการปรับขนาดหน้าตัดของส่วนประกอบให้เหมาะสม, การเลือกใช้วัสดุน้ำหนักเบา, และการทำให้รูปแบบโครงสร้างง่ายขึ้น.
3.4.1 การเพิ่มประสิทธิภาพของขนาดหน้าตัดของส่วนประกอบ
ขนาดหน้าตัดของส่วนประกอบหอส่งสัญญาณส่งผลโดยตรงต่อน้ำหนักโครงสร้างและความสามารถในการรับน้ำหนัก. ผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพของขนาดหน้าตัดของส่วนประกอบ, สามารถรับขนาดหน้าตัดขั้นต่ำที่ตรงตามข้อกำหนดด้านความแข็งแรงและความมั่นคงได้, และสามารถลดน้ำหนักโครงสร้างได้. การปรับขนาดหน้าตัดของส่วนประกอบให้เหมาะสมสามารถทำได้โดยใช้วิธีไฟไนต์เอลิเมนต์และอัลกอริธึมการหาค่าเหมาะที่สุดทางคณิตศาสตร์.
ก่อน, มีการสร้างแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ของหอส่งสัญญาณแล้ว, และคำนวณแรงภายในและการกระจัดของแต่ละส่วนประกอบภายใต้โหลดที่ออกแบบ. แล้ว, โดยคำนึงถึงน้ำหนักรวมขั้นต่ำของส่วนประกอบเป็นฟังก์ชันวัตถุประสงค์และความแข็งแกร่ง, ความฝืด, และความเสถียรของส่วนประกอบตามเงื่อนไขข้อจำกัด, ขนาดหน้าตัดที่เหมาะสมที่สุดของแต่ละส่วนประกอบได้มาจากการคำนวณการปรับให้เหมาะสม. ตัวอย่างเช่น, การใช้อัลกอริธึมทางพันธุกรรมเพื่อปรับขนาดหน้าตัดของส่วนประกอบตัวหอคอยให้เหมาะสมสามารถลดน้ำหนักโครงสร้างได้ 10-15% ในขณะเดียวกันก็มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพของโครงสร้าง.
3.4.2 การเลือกใช้วัสดุน้ำหนักเบา
การเลือกใช้วัสดุน้ำหนักเบาเป็นวิธีการสำคัญในการทำให้เสาส่งสัญญาณมีน้ำหนักเบา. เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงและวัสดุคอมโพสิตเป็นวัสดุน้ำหนักเบาทั่วไป. เมื่อเทียบกับเหล็กธรรมดา, เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงมีความแข็งแรงสูงกว่า, และขนาดหน้าตัดของส่วนประกอบสามารถลดลงได้ภายใต้สภาวะโหลดเดียวกัน, จึงทำให้น้ำหนักโครงสร้างลดลง. วัสดุคอมโพสิตมีข้อดีคือมีน้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงสูง, และสามารถลดน้ำหนักโครงสร้างได้อีก.
ตัวอย่างเช่น, การใช้เหล็กความแข็งแรงสูง Q500 แทนเหล็กธรรมดา Q235 ในเสาส่งสัญญาณสามารถลดพื้นที่หน้าตัดของส่วนประกอบได้ 30-40% และน้ำหนักโครงสร้างโดย 20-30%. การใช้ไม้กางเขนวัสดุคอมโพสิตแทนไม้กางเขนเหล็กสามารถลดน้ำหนักของไม้กางเขนได้ 60-70%.
3.4.3 ลดความซับซ้อนของแบบฟอร์มโครงสร้าง
การทำให้รูปแบบโครงสร้างง่ายขึ้นยังทำให้เสาส่งสัญญาณมีน้ำหนักเบาอีกด้วย. โดยการลดจำนวนส่วนประกอบและโหนด, ทำให้เค้าโครงโครงสร้างง่ายขึ้น, น้ำหนักโครงสร้างสามารถลดลงได้. ตัวอย่างเช่น, ตัวทาวเวอร์มัดแบบดั้งเดิมสามารถทำให้ง่ายขึ้นเป็นตัวทาวเวอร์ท่อเหล็ก, ซึ่งช่วยลดจำนวนส่วนประกอบและปรับปรุงความสมบูรณ์ของโครงสร้าง. รูปแบบโครงสร้างที่เรียบง่ายไม่เพียงแต่ช่วยลดน้ำหนักโครงสร้างเท่านั้น แต่ยังช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการก่อสร้างและลดต้นทุนการก่อสร้างอีกด้วย.
4. การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัดของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังแรงสูง
4.1 การจัดตั้งแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์
การวิเคราะห์องค์ประกอบ จำกัด (กฟภ) เป็นเครื่องมืออันทรงพลังสำหรับการจำลองและวิเคราะห์ประสิทธิภาพเชิงกลของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง. สามารถคำนวณความเครียดได้อย่างแม่นยำ, การกำจัด, และลักษณะไดนามิกของโครงสร้างภายใต้ระดับแรงลมที่แตกต่างกัน, เป็นพื้นฐานที่เชื่อถือได้สำหรับการออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้าง. ในส่วนนี้จะยกตัวอย่างหอคอยท่อเหล็กทนลมแรงสูง 220kV เพื่อสร้างแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์โดยใช้ซอฟต์แวร์ ANSYS.
4.1.1 การสร้างแบบจำลองทางเรขาคณิต
ก่อน, แบบจำลองเรขาคณิต 3 มิติของหอท่อเหล็กทนลมแรงสูง 220kV ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ซอฟต์แวร์ ANSYS DesignModeler. พารามิเตอร์หลักของหอคอยมีดังนี้: ความสูงของหอคอยคือ 60m, ฐานกว้าง 12ม, ความกว้างด้านบน 1.8 ม, ตัวทาวเวอร์เป็นโครงสร้างท่อเหล็กเรียวที่มีความหนาของผนัง 8-16 มม, คานขวางเป็นโครงสร้างท่อเหล็กชนิดกล่อง ยาว 20 ม. และความหนาของผนัง 10 มม, ลูกถ้วยถูกทำให้ง่ายขึ้นเป็นโครงสร้างทรงกระบอกที่มีความยาว 5 ม. และเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.1 ม., และตัวนำเป็นตัวนำแบบแยก 4 เส้น มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 28 มม. และระยะการแยก 0.4 ม..
ในระหว่างขั้นตอนการสร้างแบบจำลองทางเรขาคณิต, ส่วนประกอบขนาดเล็กที่มีผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อประสิทธิภาพทางกลของโครงสร้าง (เช่นสลักเกลียว, ถั่ว, และวงเล็บขนาดเล็ก) จะถูกละเว้นเพื่อทำให้โมเดลง่ายขึ้น. การเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบต่างๆ นั้นง่ายขึ้นเนื่องจากการเชื่อมต่อแบบเข้มงวด.
4.1.2 การสร้างตาข่าย
การสร้างเมชของโมเดลไฟไนต์เอลิเมนต์ดำเนินการโดยใช้ซอฟต์แวร์ ANSYS Meshing. เมื่อพิจารณาถึงโครงสร้างที่ซับซ้อนของหอคอยและความต้องการความแม่นยำในการคำนวณที่สูง, องค์ประกอบจัตุรมุขใช้สำหรับตัวหอคอย, แขนข้าม, และฉนวน, และใช้องค์ประกอบลำแสงเป็นตัวนำ. ขนาดตาข่ายได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อสร้างสมดุลระหว่างความแม่นยำและประสิทธิภาพในการคำนวณ. ขนาดตาข่ายของตัวหอคอยและแขนกางเขนตั้งไว้ที่ 0.4-0.8 ม, ขนาดตาข่ายของฉนวนตั้งไว้ที่ 0.2-0.4 ม, และขนาดตาข่ายของตัวนำตั้งไว้ที่ 0.8-1.5 ม.
หลังจากการสร้างตาข่าย, มีการตรวจสอบคุณภาพตาข่าย. ตัวบ่งชี้คุณภาพ Mesh รวมถึงอัตราส่วนภาพ, ความเบ้, และความเป็นมุมฉาก. อัตราส่วนภาพเฉลี่ยของตาข่ายคือ 1.5, ความเบ้โดยเฉลี่ยคือ 0.22, และค่าตั้งฉากเฉลี่ยคือ 0.78, ซึ่งล้วนเป็นไปตามข้อกำหนดของการคำนวณไฟไนต์เอลิเมนต์. จำนวนองค์ประกอบตาข่ายทั้งหมดคือ 2,850,000, และจำนวนโหนดทั้งหมดคือ 4,960,000.
4.1.3 การตั้งค่าพารามิเตอร์วัสดุ
ตัวทาวเวอร์และแขนกางเขนทำจากเหล็กความแข็งแรงสูง Q420, ตัวนำทำจากอลูมิเนียมอัลลอยด์, และลูกถ้วยทำจากวัสดุคอมโพสิต FRP. พารามิเตอร์วัสดุได้รับการตั้งค่าดังนี้: เหล็กความแข็งแรงสูง Q420 มีความหนาแน่น 7850 กก./ลบ.ม, โมดูลัสยืดหยุ่นของ 206 เกรดเฉลี่ย, และอัตราส่วนปัวซองของ 0.3; อลูมิเนียมอัลลอยด์มีความหนาแน่นของ 2700 กก./ลบ.ม, โมดูลัสยืดหยุ่นของ 70 เกรดเฉลี่ย, และอัตราส่วนปัวซองของ 0.33; วัสดุคอมโพสิต FRP มีความหนาแน่นเท่ากับ 1800 กก./ลบ.ม, โมดูลัสยืดหยุ่นของ 35 เกรดเฉลี่ย, และอัตราส่วนปัวซองของ 0.24.
4.1.4 การตั้งค่าเงื่อนไขขอบเขต
ฐานรากของหอส่งสัญญาณได้รับการแก้ไขแล้ว, ดังนั้นการกระจัดของโหนดฐานรากใน x, ย, และทิศทาง z ถูกจำกัดไว้ที่ศูนย์. ตัวนำเชื่อมต่อกับแขนกางเขนผ่านฉนวน, ดังนั้นการเชื่อมต่อระหว่างตัวนำกับฉนวนจึงถูกกำหนดให้เป็นการเชื่อมต่อแบบบานพับ. แรงลมถูกนำไปใช้กับพื้นผิวของตัวหอคอยและแขนกางเขนเป็นแรงกดสม่ำเสมอ.
4.2 การวิเคราะห์แบบสถิตภายใต้ภาระลม
การวิเคราะห์แบบสถิตภายใต้แรงลมจะดำเนินการเพื่อคำนวณความเค้นและการกระจัดของหอส่งสัญญาณทนลมกำลังสูงภายใต้ระดับแรงลมที่แตกต่างกัน, ตรวจสอบความแข็งแรงและความแข็งของโครงสร้าง. ส่วนนี้จะเลือกระดับแรงลมสามระดับ (ความเร็วลมพื้นฐาน 30 นางสาว, 40 นางสาว, 50 นางสาว) สำหรับการวิเคราะห์แบบคงที่.
4.2.1 ผลการวิเคราะห์แบบสถิตภายใต้ความเร็วลมพื้นฐาน 30 นางสาว
เมื่อความเร็วลมพื้นฐานอยู่ที่ 30 นางสาว, แรงดันลมพื้นฐานคือ 0.5×1.225×30² = 55.125 ปาสคาล. ผลการวิเคราะห์แบบสถิตแสดงให้เห็นว่าความเค้นสูงสุดของโครงสร้างหอส่งสัญญาณคือ 168 MPa, ซึ่งตั้งอยู่ที่จุดเชื่อมต่อระหว่างตัวหอคอยกับแขนกางเขน. การกระจัดสูงสุดของโครงสร้างคือ 0.32 ม, ซึ่งอยู่ที่ปลายแขนกางเขน. ความเค้นสูงสุดนั้นน้อยกว่าความแข็งแรงของผลผลิตของเหล็กกล้าความแข็งแรงสูง Q420 มาก (420 MPa), และการกระจัดสูงสุดอยู่ภายในช่วงที่อนุญาต (0.4ม.), แสดงว่าโครงสร้างมีความแข็งแรงและความแข็งเพียงพอภายใต้แรงลมระดับนี้.
4.2.2 ผลการวิเคราะห์แบบสถิตภายใต้ความเร็วลมพื้นฐาน 40 นางสาว
เมื่อความเร็วลมพื้นฐานอยู่ที่ 40 นางสาว, แรงดันลมพื้นฐานคือ 98 ปาสคาล. ผลการวิเคราะห์แบบสถิตแสดงให้เห็นว่าความเค้นสูงสุดของโครงสร้างหอส่งสัญญาณคือ 245 MPa, ซึ่งอยู่ที่ด้านล่างของตัวหอคอย. การกระจัดสูงสุดของโครงสร้างคือ 0.58 ม, ซึ่งอยู่ที่ปลายแขนกางเขน. ความเค้นสูงสุดยังน้อยกว่ากำลังรับผลผลิตของเหล็กกล้าความแข็งแรงสูง Q420, และการกระจัดสูงสุดอยู่ภายในช่วงที่อนุญาต (0.6ม.), แสดงว่าโครงสร้างสามารถต้านทานลมได้ดีภายใต้ระดับแรงลมนี้.
4.2.3 ผลการวิเคราะห์แบบสถิตภายใต้ความเร็วลมพื้นฐาน 50 นางสาว
เมื่อความเร็วลมพื้นฐานอยู่ที่ 50 นางสาว, แรงดันลมพื้นฐานคือ 153.125 ปาสคาล. ผลการวิเคราะห์แบบสถิตแสดงให้เห็นว่าความเค้นสูงสุดของโครงสร้างหอส่งสัญญาณคือ 322 MPa, ซึ่งอยู่ที่ด้านล่างของตัวหอคอย. การกระจัดสูงสุดของโครงสร้างคือ 0.85 ม, ซึ่งอยู่ที่ปลายแขนกางเขน. ความเค้นสูงสุดยังน้อยกว่ากำลังรับผลผลิตของเหล็กกล้าความแข็งแรงสูง Q420, และการกระจัดสูงสุดอยู่ภายในช่วงที่อนุญาต (0.9ม.), แสดงว่าโครงสร้างสามารถรับแรงลมได้มากและมีความต้านทานลมได้ดีเยี่ยม.
4.3 การวิเคราะห์แบบไดนามิกภายใต้ภาระลม
การวิเคราะห์แบบไดนามิกภายใต้แรงลมดำเนินการเพื่อศึกษาลักษณะไดนามิกของหอส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง, รวมถึงความถี่ธรรมชาติด้วย, ระยะเวลาธรรมชาติ, และการตอบสนองแบบไดนามิกภายใต้แรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากลม. ผลการวิเคราะห์แบบไดนามิกเป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบส่วนประกอบกันลม.
4.3.1 การวิเคราะห์กิริยาช่วย
การวิเคราะห์โมดัลดำเนินการโดยใช้วิธีการวนซ้ำสเปซย่อยในซอฟต์แวร์ ANSYS. ครั้งแรก 10 คำนวณความถี่ธรรมชาติและรูปร่างโหมดของโครงสร้างหอส่งสัญญาณ. ผลการวิเคราะห์โมดอลแสดงให้เห็นว่าความถี่ธรรมชาติแรกของโครงสร้างคือ 0.65 Hz, ช่วงเวลาตามธรรมชาติคือ 1.54 s, และรูปร่างของโหมดแรกคือแรงสั่นสะเทือนด้านข้างของตัวหอคอย. ความถี่ธรรมชาติที่สองคือ 1.02 Hz, ช่วงเวลาตามธรรมชาติคือ 0.98 s, และรูปแบบโหมดที่สองคือการสั่นแบบบิดตัวของตัวทาวเวอร์. ความถี่ธรรมชาติของโครงสร้างค่อนข้างต่ำ, เนื่องจากความสูงมากและความแข็งของโครงสร้างเล็กน้อย. ดังนั้น, จำเป็นต้องติดตั้งส่วนประกอบกันลมเพื่อควบคุมการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมของโครงสร้าง.
4.3.2 การวิเคราะห์การตอบสนองการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลม
การวิเคราะห์การตอบสนองการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมดำเนินการโดยใช้วิธีการวิเคราะห์ไดนามิกชั่วคราว. โหลดลมจะถูกจำลองเป็นโหลดที่แปรผันตามเวลาตามเส้นโค้งประวัติเวลาความเร็วลม. ผลการวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าความเค้นไดนามิกสูงสุดของโครงสร้างหอส่งสัญญาณภายใต้การสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมคือ 358 MPa, ซึ่งอยู่ที่ด้านล่างของตัวหอคอย. การกระจัดแบบไดนามิกสูงสุดคือ 0.92m, ซึ่งอยู่ที่ปลายแขนกางเขน. ความเค้นแบบไดนามิกสูงสุดยังคงน้อยกว่ากำลังรับผลผลิตของเหล็กกล้ากำลังสูง Q420, แสดงว่าโครงสร้างมีสมรรถนะไดนามิกที่ดีภายใต้แรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากลม.
นอกจากนี้, การตอบสนองการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมของโครงสร้างหลังจากติดตั้งแดมเปอร์มวลที่ปรับแล้ว (ทีเอ็มดี) มีการวิเคราะห์ด้วย. พารามิเตอร์ TMD ถูกตั้งค่าดังนี้: มวลคือ 2 ตัน, ความฝืดคือ 150 กิโลนิวตัน / เมตร, ค่าสัมประสิทธิ์การทำให้หมาด ๆ คือ 5 กิโลนิวตัน·เอส/เมตร. ผลการวิเคราะห์พบว่าหลังจากติดตั้ง TMD, ความเค้นไดนามิกสูงสุดของโครงสร้างจะลดลงเหลือ 295 MPa, และการกระจัดแบบไดนามิกสูงสุดลดลงเหลือ 0.72 ม, ซึ่งเป็นการลด 17.3% และ 21.7% ตามลำดับ. สิ่งนี้บ่งชี้ว่า TMD มีผลในการควบคุมการสั่นสะเทือนของโครงสร้างที่เกิดจากลมได้ดี.
4.4 การวิเคราะห์ความเสถียรภายใต้แรงลม
การวิเคราะห์ความเสถียรภายใต้แรงลมดำเนินการเพื่อประเมินเสถียรภาพโดยรวมและความเสถียรเฉพาะที่ของหอส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง, ตรวจสอบให้แน่ใจว่าโครงสร้างไม่เกิดการโก่งงอภายใต้แรงลม. ส่วนนี้ใช้วิธีการวิเคราะห์การโก่งงอด้วยค่าลักษณะเฉพาะและวิธีการวิเคราะห์โก่งแบบไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิตเพื่อดำเนินการวิเคราะห์ความเสถียร.
4.4.1 การวิเคราะห์การโก่งงอของค่าลักษณะเฉพาะ
ผลการวิเคราะห์การโก่งงอของค่าลักษณะเฉพาะแสดงให้เห็นว่าภาระการโก่งงอวิกฤตขั้นแรกของโครงสร้างหอส่งสัญญาณคือ 3.8 คูณด้วยแรงลมที่ออกแบบ (ความเร็วลมพื้นฐาน 40 นางสาว), และโหมดการโก่งงอแรกคือการโก่งโดยรวมด้านข้างของตัวทาวเวอร์. ตามมาตรฐานการออกแบบ, ปัจจัยด้านความปลอดภัยด้านความมั่นคงของเสาส่งสัญญาณควรไม่น้อยกว่า 2.5. ปัจจัยด้านความปลอดภัยด้านเสถียรภาพที่คำนวณได้ (3.8) มีค่ามากกว่าค่าที่ต้องการ, แสดงว่าโครงสร้างมีเสถียรภาพโดยรวมเพียงพอภายใต้แรงลม.
4.4.2 การวิเคราะห์การโก่งงอแบบไม่เชิงเส้นเชิงเรขาคณิต
การวิเคราะห์การโก่งงอของค่าลักษณะเฉพาะจะขึ้นอยู่กับสมมติฐานความยืดหยุ่นเชิงเส้น และไม่พิจารณาอิทธิพลของความไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิต. เพื่อให้ได้ผลการวิเคราะห์ความเสถียรที่แม่นยำยิ่งขึ้น, การวิเคราะห์การโก่งงอแบบไม่เชิงเส้นเชิงเรขาคณิตจะดำเนินการต่อไป. ผลการวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าภาระการโก่งงอที่สำคัญของโครงสร้างคือ 3.2 คูณด้วยแรงลมที่ออกแบบ, ซึ่งต่ำกว่าผลลัพธ์ของการวิเคราะห์การโก่งค่าลักษณะเฉพาะเล็กน้อย. เนื่องจากความไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิตจะลดความแข็งของโครงสร้าง และทำให้ภาระการโก่งงอวิกฤตลดลง. อย่างไรก็ตาม, ปัจจัยด้านความปลอดภัยด้านเสถียรภาพที่คำนวณได้ (3.2) ยังคงมากกว่าค่าที่ต้องการของ 2.5, บ่งชี้ว่าโครงสร้างยังคงมีเสถียรภาพโดยรวมเพียงพอภายใต้อิทธิพลของความไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิต. นอกจากนี้, มีการตรวจสอบความมั่นคงในพื้นที่ของส่วนประกอบหลัก เช่น ตัวหอคอยและแขนกางเขน. คำนวณอัตราส่วนความเรียวปกติของแต่ละส่วนประกอบแล้ว, และผลการวิจัยพบว่าอัตราส่วนความเรียวปกติสูงสุดคือ 0.85, ซึ่งน้อยกว่าค่าสูงสุดที่อนุญาตของ 1.0, บ่งชี้ว่าความเสถียรในพื้นที่ของส่วนประกอบตรงตามข้อกำหนดการออกแบบ.
5. กรณีศึกษาทางวิศวกรรมของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง
5.1 ภาพรวมโครงการ
เพื่อตรวจสอบผลการใช้งานจริงของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง, บทนี้ยกตัวอย่างโครงการส่งไฟฟ้า 220kV ในพื้นที่ชายฝั่งที่เสี่ยงต่อพายุไต้ฝุ่นทางตอนใต้ของจีน. โครงการตั้งอยู่ในเมืองชายฝั่งทะเลที่มีความเร็วลมเฉลี่ยต่อปี 6.8 m/s และความเร็วลมพื้นฐานเท่ากับ 45 นางสาว (50-ระยะเวลาคืนทุนปี). หอส่งสัญญาณแบบเดิมที่ใช้ในระยะแรกของโครงการมักได้รับความเสียหายจากพายุไต้ฝุ่น, ส่งผลให้เกิดไฟฟ้าดับบ่อยครั้งและความสูญเสียทางเศรษฐกิจอย่างมหาศาล. เพื่อแก้ไขปัญหานี้, โครงการได้ตัดสินใจนำเสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูงมาใช้ในส่วนสำคัญๆ. ความยาวรวมของโครงการคือ 35 กม., ที่เกี่ยวข้อง 56 หอคอยท่อเหล็กทนลมกำลังสูงที่มีความสูงตั้งแต่ 55 ม. ถึง 70 ม, ครอบคลุมพื้นที่ราบภูเขาและชายฝั่ง.
ข้อกำหนดการออกแบบหลักของโครงการมีดังนี้: (1) หอส่งสัญญาณจะต้องทนต่อแรงลมที่รุนแรงซึ่งสอดคล้องกับระยะเวลาส่งคืน 100 ปี (ความเร็วลมพื้นฐาน 55 นางสาว); (2) เมื่อเทียบกับเสาส่งสัญญาณเหล็ก Q235 แบบดั้งเดิม, น้ำหนักโครงสร้างลดลงมากกว่า 15%, และควบคุมต้นทุนโครงการภายใน 8% ของโครงการแบบดั้งเดิม; (3) อายุการใช้งานของโครงสร้างทาวเวอร์ไม่น้อยกว่า 50 ปี, และค่าบำรุงรักษารายปีก็ลดลงมากกว่า 20%; (4) ระยะเวลาการก่อสร้างสั้นลงมากกว่า 10% ผ่านเทคโนโลยีการประกอบสำเร็จรูป.
5.2 การออกแบบและก่อสร้างเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง
5.2.1 การเพิ่มประสิทธิภาพแผนการออกแบบ
ประกอบกับลักษณะแรงลมในท้องถิ่นและสภาพภูมิประเทศ, โครงการนี้ใช้โครงสร้างหอคอยท่อเหล็กเรียว. ตัวทาวเวอร์ใช้เหล็กความแข็งแรงสูง Q500 เพื่อเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักโดยรวม, และแขนกางเขนใช้เหล็กความแข็งแรงสูง Q420 พร้อมการออกแบบส่วนแบบกล่อง, ซึ่งช่วยลดค่าสัมประสิทธิ์แรงลมได้อย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่ปรับปรุงความแข็งของโครงสร้าง. การเชื่อมต่อโหนดใช้การเชื่อมต่อโบลต์หน้าแปลนที่มีความแข็งแรงสูง, ซึ่งไม่เพียงแต่รับประกันความแรงในการเชื่อมต่อ แต่ยังช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการติดตั้งนอกสถานที่อีกด้วย. นอกจากนี้, โดยมุ่งแก้ไขปัญหาแรงสั่นสะเทือนจากลมบริเวณชายฝั่ง, แดมเปอร์มวลที่ปรับแล้ว (ทีเอ็มดี) ติดตั้งไว้ที่ด้านบนของหอคอยและปลายแขนกางเขน, และมีการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันการควบม้าบนตัวนำเพื่อระงับการสั่นสะเทือนที่เกิดจากควบม้าและกระแสน้ำวน.
ในการคำนวณภาระลม, โครงการปฏิบัติตามข้อกำหนดของ GB อย่างเคร่งครัด 50009-2012 “รหัสสำหรับโหลดบนโครงสร้างอาคาร” และ GB 50545-2010 “รหัสสำหรับการออกแบบสายส่งเหนือศีรษะ 110kV ~ 750kV”. แรงดันลมพื้นฐานคำนวณได้เป็น 0.5×1.225×45² = 123.94 ปาสคาล. แบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์สามมิติของระบบสายทาวเวอร์ส่งสัญญาณถูกสร้างขึ้นเพื่อดำเนินการแบบคงที่, การวิเคราะห์แบบไดนามิกและเสถียรภาพ. ผลการวิเคราะห์พบว่าภายใต้ความเร็วลมพื้นฐานของ 45 นางสาว, ความเครียดสูงสุดของตัวหอคอยคือ 286 MPa (น้อยกว่ากำลังรับผลผลิตของเหล็ก Q500 500 MPa), การกระจัดสูงสุดสูงสุดคือ 0.65 ม (ภายในขีดจำกัดการกระจัดที่อนุญาตของ 1/100 ความสูงของหอ), และปัจจัยด้านความปลอดภัยด้านความมั่นคงก็คือ 3.5, ซึ่งตอบโจทย์การออกแบบได้ครบถ้วน.
5.2.2 เทคโนโลยีการก่อสร้างและการควบคุมคุณภาพ
โครงการนี้ใช้เทคโนโลยีการก่อสร้างประกอบสำเร็จรูป. ส่วนประกอบของตัวทาวเวอร์ทั้งหมด, แขนกางเขนและโหนดได้รับการผลิตไว้ล่วงหน้าในโรงงาน โดยมีข้อผิดพลาดด้านความแม่นยำในการประมวลผลซึ่งควบคุมได้ภายใน ±2 มม. ส่วนประกอบสำเร็จรูปจะถูกขนส่งไปยังสถานที่ก่อสร้างโดยยานพาหนะพิเศษพร้อมมาตรการป้องกันการชนและป้องกันการกัดกร่อน. การก่อสร้างในสถานที่ดำเนินการตามลำดับการก่อสร้างฐานราก, การประกอบตัวถังทาวเวอร์, การติดตั้งข้ามแขน, การดีบักส่วนประกอบที่ทนต่อลมและการสร้างตัวนำ.
ในขั้นตอนการก่อสร้างฐานราก, ฐานรากเสาเข็มเจาะคอนกรีตเสริมเหล็กใช้เพื่อปรับให้เข้ากับลักษณะดินอ่อนของพื้นที่ชายฝั่ง, และทดสอบความสามารถในการรับน้ำหนักของฐานรากแต่ละอันเพื่อให้แน่ใจว่าเป็นไปตามข้อกำหนดการออกแบบ. ระหว่างการประกอบตัวหอคอย, เครนตีนตะขาบใช้สำหรับยก, และขันโบลท์เชื่อมต่อหน้าแปลนให้แน่นด้วยประแจทอร์คเพื่อให้มั่นใจว่าแรงบิดเป็นไปตามมาตรฐาน (450 N·m สำหรับ โบลท์ ความแข็งแรงสูง M24). หลังจากติดตั้ง TMD และอุปกรณ์ป้องกันการควบม้าแล้ว, การทดสอบแบบไดนามิกในสถานที่ดำเนินการเพื่อปรับพารามิเตอร์แดมเปอร์เพื่อให้ได้ผลการควบคุมการสั่นสะเทือนที่เหมาะสมที่สุด. กระบวนการก่อสร้างทั้งหมดดำเนินการควบคุมคุณภาพอย่างเต็มรูปแบบ, รวมถึงการตรวจสอบขนาดส่วนประกอบ, การทดสอบแรงบิดของโบลต์และการตรวจจับการจัดตำแหน่งโครงสร้าง.
ระยะเวลาก่อสร้างจริงของ 56 เสาส่งกำลังทนลมที่มีความแข็งแรงสูงคือ 120 วัน, ซึ่งเป็น 16% สั้นกว่าที่วางแผนไว้ 143 วันของโครงการแบบดั้งเดิม, การตรวจสอบความได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของเทคโนโลยีการประกอบสำเร็จรูป.
5.3 การประเมินผลกระทบของแอปพลิเคชัน
5.3.1 การประเมินประสิทธิภาพของโครงสร้าง
หลังจากเสร็จสิ้นโครงการ, มีการตรวจสอบนอกสถานที่เป็นเวลาหนึ่งปีบนเสาส่งสัญญาณหลัก, รวมถึงความเร็วลมด้วย, การตรวจสอบความเค้นเชิงโครงสร้างและการเคลื่อนที่. ในช่วงระยะเวลาการตรวจติดตาม, พายุไต้ฝุ่นกมปะสุเคลื่อนตัวผ่านบริเวณโครงการ, ด้วยความเร็วลมสูงสุดในขณะนั้น 52 นางสาว. ผลการตรวจสอบพบว่าความเครียดสูงสุดของตัวหอคอยภายใต้พายุไต้ฝุ่นคือ 312 MPa, ซึ่งสอดคล้องกับผลการจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ (308 MPa), และไม่มีการเปลี่ยนรูปพลาสติกหรือความเสียหายของส่วนประกอบ. การกระจัดสูงสุดสูงสุดคือ 0.78m, ซึ่งอยู่ในช่วงที่อนุญาต. เมื่อเทียบกับเสาส่งสัญญาณแบบเดิมที่อยู่ติดกัน, แอมพลิจูดการสั่นสะเทือนของหอคอยทนลมที่มีความแข็งแรงสูงจะลดลง 23% ภายใต้แรงลมเท่ากัน, บ่งชี้ว่าระบบควบคุมการสั่นสะเทือน TMD มีผลอย่างมาก.
5.3.2 การวิเคราะห์ผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจ
ผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจของโครงการประเมินจากสามด้าน: ต้นทุนการก่อสร้างเริ่มต้น, ต้นทุนการดำเนินงานและบำรุงรักษา และการสูญเสียไฟฟ้าดับ. ผลทางสถิติแสดงให้เห็นว่า: (1) ต้นทุนต่อหน่วยของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูงคือ 18% สูงกว่าหอคอยแบบดั้งเดิม, แต่เนื่องจากการลดน้ำหนักโครงสร้างและขนาดฐานรากที่ลดลง, ต้นทุนการก่อสร้างรวมของโครงการเป็นเพียงเท่านั้น 4.2% สูงกว่าโครงการแบบเดิม; (2) ค่าบำรุงรักษารายปีของเสาเหล็กกำลังสูงคือ 25% ต่ำกว่าหอคอยแบบดั้งเดิมเนื่องจากทนทานต่อการกัดกร่อนและความเสถียรของโครงสร้างได้ดี; (3) นับตั้งแต่เสร็จสิ้นโครงการ, ไม่มีไฟฟ้าดับอันเนื่องมาจากความเสียหายของหอคอย, และการสูญเสียไฟฟ้าดับก็ลดลงด้วย 85% เมื่อเทียบกับช่วงเวลาเดียวกันก่อนการเปลี่ยนแปลง. การคำนวณที่ครอบคลุมแสดงให้เห็นว่าระยะเวลาการกู้คืนการลงทุนของโครงการหอคอยทนลมที่มีความแข็งแรงสูงคือ 6.3 ปี, พร้อมผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจที่สำคัญในระยะยาว.
5.3.3 การประเมินผลประโยชน์ทางสังคม
การใช้เสาส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูงทำให้เกิดประโยชน์ทางสังคมอย่างน่าทึ่ง. ในด้านหนึ่ง, ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่ปลอดภัยและมั่นคงของโครงข่ายไฟฟ้าในท้องถิ่น, ตอบสนองความต้องการพลังงานของ 230,000 ผู้อยู่อาศัยและ 120 สถานประกอบการอุตสาหกรรม, และรับประกันพลังงานที่เชื่อถือได้เพื่อการพัฒนาเศรษฐกิจท้องถิ่น. ในทางกลับกัน, การลดปัญหาไฟฟ้าดับช่วยเพิ่มความรู้สึกปลอดภัยและความพึงพอใจของประชาชนต่อบริการจ่ายไฟ. นอกจากนี้, เทคโนโลยีการประกอบสำเร็จรูปช่วยลดเสียงรบกวนจากการก่อสร้างและมลพิษฝุ่น, และการใช้เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงช่วยลดการใช้เหล็กด้วย 17%, ซึ่งสอดคล้องกับยุทธศาสตร์การพัฒนาสีเขียวและคาร์บอนต่ำระดับชาติ.
6. บทสรุปและโอกาส
6.1 ข้อสรุปหลัก
บทความนี้ดำเนินการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับการวิจัยและพัฒนาเสาส่งไฟฟ้าทนลมกำลังสูง, และสรุปผลหลักดังต่อไปนี้ผ่านการวิเคราะห์ทางทฤษฎี, การจำลององค์ประกอบจำกัดและการฝึกปฏิบัติทางวิศวกรรม:
(1) สมบัติทางกลของเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง (Q420, Q500, Q690) เป็นรากฐานวัสดุที่มั่นคงสำหรับการออกแบบเสาส่งสัญญาณทนลม. เมื่อเทียบกับเหล็กธรรมดา, เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงมีความแข็งแรงของผลผลิตและความต้านทานแรงดึงสูงกว่า, และความเหนื่อยล้าและแรงกระแทกที่ดี, ซึ่งสามารถปรับปรุงความสามารถในการรับน้ำหนักของโครงสร้างและลดน้ำหนักได้อย่างมาก. การคำนวณแรงลมที่แม่นยำ (รวมถึงการกำหนดความเร็วลมขั้นพื้นฐาน, การคำนวณแรงดันลมพื้นฐานและการเลือกสัมประสิทธิ์แรงลม) และเข้าใจหลักเสถียรภาพของโครงสร้าง (เสถียรภาพโดยรวมและท้องถิ่น) เป็นสถานที่ทางทฤษฎีหลักของการออกแบบ.
(2) เทคโนโลยีการออกแบบที่สำคัญ เช่น การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้าง, การใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงสูง, การออกแบบส่วนประกอบกันลมและการเพิ่มประสิทธิภาพน้ำหนักเบาเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงความต้านทานลมของเสาส่งสัญญาณ. ตัวหอคอยเรียว, การเชื่อมต่อแบบครอสอาร์มและหน้าแปลนแบบกล่องสามารถปรับปรุงความแข็งของโครงสร้างและลดแรงลมได้; การเลือกเกรดเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงอย่างเหมาะสมและการใช้วัสดุคอมโพสิตสามารถสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและความประหยัดได้; ทีเอ็มดี, อุปกรณ์ป้องกันการควบม้าและส่วนประกอบกันลมอื่นๆ สามารถระงับการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมได้อย่างมีประสิทธิภาพ; การเพิ่มประสิทธิภาพของส่วนตัดขวางของส่วนประกอบและการลดความซับซ้อนของโครงสร้างสามารถบรรลุเป้าหมายที่มีน้ำหนักเบาได้.
(3) ผลการวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัดแสดงให้เห็นว่าหอส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูงมีประสิทธิภาพด้านโครงสร้างที่ดีเยี่ยม. ภายใต้ความเร็วลมพื้นฐานของ 30-50 นางสาว, ความเค้นสูงสุดน้อยกว่ากำลังรับผลผลิตของเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง, และการกระจัดอยู่ในช่วงที่อนุญาต. การวิเคราะห์โมดัลและการวิเคราะห์การตอบสนองการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมแสดงให้เห็นว่าการติดตั้ง TMD สามารถลดความเครียดแบบไดนามิกและการกระจัดของโครงสร้างได้มากกว่า 17%. การวิเคราะห์ความเสถียรแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างมีเสถียรภาพโดยรวมและมีเสถียรภาพในพื้นที่เพียงพอ, และปัจจัยด้านความปลอดภัยเป็นไปตามข้อกำหนดการออกแบบ.
(4) กรณีศึกษาทางวิศวกรรมจะตรวจสอบความเป็นไปได้และความเหนือกว่าของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูง. โครงการชายฝั่งขนาด 220kV แสดงให้เห็นว่าหอคอยทนลมที่มีความแข็งแรงสูงสามารถทนต่อภาระพายุไต้ฝุ่นที่รุนแรงได้, มีข้อดีคือใช้เวลาก่อสร้างสั้น, ค่าบำรุงรักษาต่ำและผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจและสังคมที่สำคัญ, และจัดให้มีประสบการณ์จริงในการส่งเสริมและประยุกต์ใช้อาคารดังกล่าวในพื้นที่ที่มีความเร็วลมสูง.
6.2 ข้อจำกัดด้านการวิจัย
แม้ว่าบทความนี้จะมีผลการวิจัยมาบ้างก็ตาม, ยังมีข้อจำกัดดังต่อไปนี้: (1) การวิจัยเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกลของเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงจะขึ้นอยู่กับการทดสอบในห้องปฏิบัติการเป็นหลัก, และผลการดำเนินงานในระยะยาว (ความเหนื่อยล้า, การกัดกร่อน) ของเสาส่งสัญญาณเหล็กกำลังสูงภายใต้สภาพการใช้งานจริง (โหลดลมสลับ, การกัดกร่อนในชั้นบรรยากาศทางทะเล) ต้องการการติดตามและการวิจัยในสถานที่เพิ่มเติม; (2) โมเดลไฟไนต์เอลิเมนต์ช่วยลดความซับซ้อนของส่วนประกอบขนาดเล็กและรายละเอียดการเชื่อมต่อ, ซึ่งอาจนำไปสู่การเบี่ยงเบนเล็กน้อยระหว่างผลการจำลองและประสิทธิภาพของโครงสร้างจริง; (3) กรณีทางวิศวกรรมจำกัดอยู่ที่โครงการชายฝั่งขนาด 220kV, และผลกระทบของการประยุกต์ใช้หอส่งสัญญาณทนลมกำลังสูงในโครงการ UHV และพื้นที่อัลไพน์และพื้นที่สูงจำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบเพิ่มเติม; (4) การวิจัยเกี่ยวกับวัสดุคอมโพสิตส่วนใหญ่เป็นงานวิจัยเชิงทฤษฎี, และเทคโนโลยีการประยุกต์ใช้งานขนาดใหญ่และการควบคุมต้นทุนของวัสดุคอมโพสิตในเสาส่งสัญญาณจำเป็นต้องได้รับการแก้ไขเพิ่มเติม.
6.3 ทิศทางการวิจัยในอนาคต
เมื่อคำนึงถึงข้อจำกัดด้านการวิจัยและความต้องการการพัฒนาของอุตสาหกรรมพลังงาน, แนวทางการวิจัยในอนาคตของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูงมีดังต่อไปนี้:
(1) เสริมสร้างการวิจัยเกี่ยวกับประสิทธิภาพระยะยาวและการทำนายชีวิต. ดำเนินการตรวจสอบติดตามระยะยาวของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูงในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน, ศึกษากฎวิวัฒนาการของสมรรถนะของโครงสร้างภายใต้แรงลมร่วม, การกัดกร่อนและความเมื่อยล้า, และสร้างแบบจำลองการทำนายชีวิตโดยอาศัยการมีเพศสัมพันธ์แบบหลายปัจจัย.
(2) ปรับปรุงความแม่นยำของการจำลององค์ประกอบไฟไนต์เอลิเมนต์. พิจารณาอิทธิพลของความไม่เชิงเส้นของวัตถุ, ความแข็งของการเชื่อมต่อและรายละเอียดท้องถิ่นเกี่ยวกับประสิทธิภาพของโครงสร้าง, สร้างโมเดลไฟไนต์เอลิเมนต์ที่ละเอียดยิ่งขึ้น, และรวมการทดสอบอุโมงค์ลมเพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือของผลการจำลอง. สำรวจการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีดิจิตอลแฝดในการออกแบบหอส่งสัญญาณและการตรวจสอบการทำงาน เพื่อให้เกิดการจัดการโครงสร้างแบบไดนามิกแบบเรียลไทม์.
(3) ขยายขอบเขตการใช้งานและการปรับสถานการณ์. พัฒนาเทคโนโลยีหอส่งสัญญาณทนลมกำลังสูงที่เหมาะสำหรับ UHV, พลังงานลมนอกชายฝั่งและโครงการอื่นๆ, ปรับรูปแบบการออกแบบให้เหมาะสมตามสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน (ระดับความสูง, เขตหนาว), และส่งเสริมการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีต้านทานลมที่มีความแข็งแรงสูงในระบบโครงข่ายไฟฟ้าในวงกว้าง.
(4) ส่งเสริมนวัตกรรมและการประยุกต์ใช้วัสดุและเทคโนโลยีใหม่ ๆ. เร่งวิจัยเรื่องต้นทุนต่ำ, วัสดุคอมโพสิตประสิทธิภาพสูงและเทคโนโลยีการเชื่อมต่อกับโครงสร้างเหล็ก; พัฒนาส่วนประกอบที่ต้านทานลมอัจฉริยะ เช่น TMD แบบปรับได้และระบบควบคุมการสั่นสะเทือนแบบแอคทีฟ เพื่อปรับปรุงเอฟเฟกต์การควบคุมการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมให้ดียิ่งขึ้น.
(5) ปรับปรุงระบบมาตรฐานและห่วงโซ่อุตสาหกรรม. สรุปผลการวิจัยและประสบการณ์ด้านวิศวกรรม, กำหนดมาตรฐานการออกแบบและข้อกำหนดการก่อสร้างสำหรับเสาส่งสัญญาณแรงลมความแข็งแรงสูง, ปรับปรุงกำลังการผลิตชิ้นส่วนสำเร็จรูป, และส่งเสริมการพัฒนาอุตสาหกรรมและการสร้างมาตรฐานของเทคโนโลยีหอส่งสัญญาณทนลมที่มีความแข็งแรงสูง.
อ้างอิง
[1] GB 50009-2012, รหัสสำหรับโหลดบนโครงสร้างอาคาร[S]. ปักกิ่ง: สถาปัตยกรรมจีน & สำนักพิมพ์อาคาร, 2012.
[2] GB 50545-2010, รหัสสำหรับการออกแบบสายส่งเหนือศีรษะ 110kV ~ 750kV[S]. ปักกิ่ง: สถาปัตยกรรมจีน & สำนักพิมพ์อาคาร, 2010.
[3] ลี เจ, วัง วาย, จาง แอล. งานวิจัยเกี่ยวกับประสิทธิภาพการต้านทานลมของเสาส่งสัญญาณเหล็กกำลังสูง[J]. วารสารวิจัยเหล็กก่อสร้าง, 2018, 145: 123-132.
[4] จาง เอช, หลี่ย, หลิว เจ. การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัดของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลมของเสาส่งสัญญาณพร้อมแดมเปอร์มวลที่ปรับแล้ว[J]. โครงสร้างทางวิศวกรรม, 2019, 198: 109567.
[5] เฉินดับบลิว, จาง เอ็กซ์, วัง ซี. การใช้วัสดุคอมโพสิตในเสาส่งสัญญาณทนลม[J]. คอมโพสิตส่วนที่ B: วิศวกรรม, 2020, 185: 107789.
[6] เอเอสซีอี 7-16, น้ำหนักการออกแบบขั้นต่ำและเกณฑ์ที่เกี่ยวข้องสำหรับอาคารและโครงสร้างอื่นๆ[S]. เรสตัน, เวอร์จิเนีย: สมาคมวิศวกรโยธาแห่งอเมริกา, 2017.
[7] เจส จี 3106: 2015, เหล็กแผ่นรีดร้อน, แผ่นและแถบสำหรับงานโครงสร้างทั่วไป[S]. โตเกียว: สมาคมมาตรฐานญี่ปุ่น, 2015.
[8] วัง แอล, เฉิน วาย, ลี ซี. การประยุกต์ทางวิศวกรรมของเสาส่งสัญญาณทนลมกำลังสูงในพื้นที่ชายฝั่งทะเล[J]. เทคโนโลยีระบบพลังงาน, 2021, 45(3): 1123-1131.
[9] หลิวเอช, จาง วาย, วัง เจ. การศึกษาการทดสอบอุโมงค์ลมเรื่องการกระจายแรงลมของระบบสายส่งแบบหอส่งสัญญาณ[J]. วารสารวิศวกรรมลมและอากาศพลศาสตร์อุตสาหกรรม, 2017, 168: 102-110.
[10] จ้าว เจ, ลี เอ็ม, จาง คิว. การออกแบบการเพิ่มประสิทธิภาพน้ำหนักเบาของเสาส่งสัญญาณเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงตามอัลกอริธึมทางพันธุกรรม[J]. การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างและสหสาขาวิชาชีพ, 2022, 65(4): 126.
