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
Local stability refers to the ability of individual components of the transmission tower (such as steel tubes, angle steels) to maintain their original cross-sectional shape under the action of external loads. Local buckling of components will reduce the bearing capacity of the components and may further affect the overall stability of the structure.
For high-strength steel components, the local stability is usually checked according to the normalized slenderness ratio. The normalized slenderness ratio λ_n is calculated by formula (2.4):
λ_n = λ/√(f_y/235) (2.4)
ที่ไหน: λ is the slenderness ratio of the component; f_y is the yield strength of the steel.
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
The structural form of transmission towers directly affects their wind resistance and structural performance. 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.
