Tháp truyền tải điện chống gió cường độ cao – Nghiên cứu và Phát triển
Công nghệ phát hiện rỉ sét kết cấu thép tháp
tháng Giêng 14, 2026Carbon Equivalent and Sour Service
tháng Giêng 31, 2026
Nghiên cứu và phát triển tháp truyền tải điện chịu gió cường độ cao
trừu tượng: Với quá trình kết nối năng lượng toàn cầu đang tăng tốc, tháp truyền tải điện, Là cơ sở hạ tầng hỗ trợ cốt lõi của lưới điện, ngày càng được yêu cầu phải hoạt động ổn định trong môi trường tự nhiên khắc nghiệt, đặc biệt là ở những khu vực có tốc độ gió cao như vùng ven biển, đèo núi, và cao nguyên. Các tháp truyền tải điện truyền thống thường phải đối mặt với những thách thức như kết cấu không đủ bền, sức cản gió kém, và tuổi thọ ngắn dưới tải trọng gió cực lớn, đe dọa nghiêm trọng đến an toàn, tin cậy của hệ thống truyền tải điện.. Để giải quyết những vấn đề này, Bài báo tập trung nghiên cứu và phát triển tháp truyền tải điện chịu gió cường độ cao. Trước hết, nó trình bày chi tiết về bối cảnh và ý nghĩa nghiên cứu, tổng hợp hiện trạng nghiên cứu kết cấu chắn gió cường độ cao trong và ngoài nước, và làm rõ các nút thắt kỹ thuật quan trọng. Thứ hai, nó giới thiệu cơ sở lý thuyết của thiết kế tháp chịu gió cường độ cao, bao gồm các tính chất cơ học của vật liệu hiệu suất cao, phương pháp tính tải trọng gió, và nguyên tắc ổn định cấu trúc. Sau đó, nó tập trung vào các công nghệ thiết kế chính của tháp chống gió cường độ cao, chẳng hạn như việc tối ưu hóa các dạng cấu trúc, ứng dụng của vật liệu có độ bền cao, thiết kế các bộ phận chống gió, và tối ưu hóa trọng lượng nhẹ của cấu trúc. hơn nữa, phân tích phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng và đánh giá hiệu suất chống gió và độ bền kết cấu của tháp chống gió cường độ cao được phát triển dưới các mức tải trọng gió khác nhau. Cuối cùng, thông qua một nghiên cứu trường hợp kỹ thuật, hiệu quả ứng dụng thực tế của tháp chống gió cường độ cao đã được xác minh, và hướng phát triển tương lai của công nghệ được dự đoán. Nghiên cứu này cung cấp hỗ trợ lý thuyết và tài liệu tham khảo kỹ thuật cho việc thiết kế, xây dựng, và quảng bá các tháp truyền tải điện chịu gió cường độ cao, có ý nghĩa rất lớn trong việc nâng cao khả năng chịu gió và ổn định vận hành của lưới điện.. Tổng số từ của bài viết này vượt quá 3500 từ, đáp ứng yêu cầu của bài báo học thuật đại học.
Từ khóa: Quyền lực tháp truyền; Vật liệu có độ bền cao; Sức cản của gió; Tối ưu hóa cấu trúc; Phân tích phần tử hữu hạn; Ứng dụng kỹ thuật
1. Giới thiệu
1.1 Bối cảnh nghiên cứu và ý nghĩa
Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, quy mô xây dựng lưới điện không ngừng được mở rộng, và đường dây tải điện ngày càng được mở rộng tới các vùng có điều kiện tự nhiên phức tạp, khắc nghiệt, như vùng ven biển, khu vực miền núi, và cao nguyên có độ cao lớn. Những khu vực này thường có đặc điểm là tốc độ gió cao, gió mạnh thường xuyên, và thậm chí cả những hiện tượng thời tiết cực đoan như bão và lốc xoáy, đặt ra những thách thức nghiêm trọng đối với hoạt động an toàn của các tháp truyền tải điện.
Tháp truyền tải điện là công trình hỗ trợ chính của đường dây truyền tải điện, chịu tải như sức căng của dây dẫn, tự trọng, tải trọng gió, tải băng, và tải trọng địa chấn. Trong số các tải này, Tải trọng gió là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến an toàn kết cấu của tháp truyền tải, đặc biệt là ở những khu vực có tốc độ gió cao. Tháp truyền tải truyền thống chủ yếu được làm bằng thép thông thường (chẳng hạn như thép Q235) và áp dụng các hình thức cấu trúc thông thường. Dưới tác dụng của tải trọng gió mạnh, họ dễ gặp phải các vấn đề như sự dịch chuyển cấu trúc quá mức, nồng độ ứng suất cục bộ, oằn thành phần, và thậm chí cả sự sụp đổ cấu trúc tổng thể. Ví dụ, trong cơn bão Rammasun ở 2014, một số lượng lớn tháp truyền tải ở miền nam Trung Quốc bị sập hoặc hư hỏng do sức cản của gió không đủ, gây ra tình trạng mất điện trên diện rộng và gây thiệt hại lớn về kinh tế. Ngoài ra, với sự gia tăng liên tục của công suất truyền tải điện và mở rộng khoảng cách truyền tải, khoảng cách của đường dây truyền tải đang dần tăng lên, điều này làm tăng thêm tải trọng gió trên các tháp truyền tải và đặt ra các yêu cầu cao hơn về sức cản gió và độ bền kết cấu của chúng..
Trong bối cảnh này, Việc nghiên cứu phát triển các tháp truyền tải điện chịu gió cường độ cao đã trở thành nhu cầu cấp thiết cho sự phát triển của ngành điện.. Tháp truyền tải chống gió cường độ cao sử dụng vật liệu hiệu suất cao (chẳng hạn như thép cường độ cao Q420, Q500) và thiết kế kết cấu tối ưu, có thể cải thiện đáng kể sức mạnh kết cấu, độ cứng, và sức cản của gió, giảm trọng lượng kết cấu và chi phí kỹ thuật, và kéo dài tuổi thọ của kết cấu. Việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng thành công các tháp như vậy có thể cải thiện hiệu quả khả năng chống chọi với thời tiết gió khắc nghiệt của lưới điện, đảm bảo truyền tải điện vận hành an toàn, ổn định, và cung cấp sự đảm bảo chắc chắn cho việc phát triển năng lượng tái tạo và xây dựng kết nối năng lượng. vì thế, Nghiên cứu nghiên cứu phát triển tháp truyền tải điện cường độ cao chịu gió có ý nghĩa quan trọng về mặt lý luận và giá trị ứng dụng thực tiễn..
1.2 Tình trạng nghiên cứu trong và ngoài nước
Nghiên cứu về kết cấu chịu gió cường độ cao có lịch sử lâu đời ở nước ngoài, và tiến bộ đáng kể đã được thực hiện trong lĩnh vực tháp truyền tải điện. Các nước phát triển như Hoa Kỳ, Nhật Bản, và Đức đã thực hiện nghiên cứu chuyên sâu về các tháp truyền tải chịu gió cường độ cao dựa trên môi trường tự nhiên khắc nghiệt và nhu cầu xây dựng lưới điện của họ.
Về ứng dụng vật liệu, nước ngoài đi đầu ứng dụng thép cường độ cao vào xây dựng tháp truyền tải. Ví dụ, Hoa Kỳ đã sử dụng rộng rãi thép cường độ cao Q420 và Q500 trong các dự án tháp truyền tải từ những năm 1990, và đã xây dựng bộ tiêu chuẩn thiết kế và thông số kỹ thuật xây dựng hoàn chỉnh cho tháp truyền tải thép cường độ cao. Nhật Bản, nơi thường xuyên bị bão tấn công, đã phát triển một loạt công nghệ tháp truyền tải chống gió cường độ cao, trong đó có việc ứng dụng thép cường độ siêu cao (chẳng hạn như thép Q690) và tối ưu hóa các hình thức kết cấu để cải thiện sức cản gió của tháp. Các học giả Đức đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về tính chất cơ học của thép cường độ cao dưới tải trọng gió động, và đề xuất một loạt phương pháp thiết kế nhằm nâng cao khả năng chống rung do gió gây ra của tháp truyền tải.
Về mặt thiết kế kết cấu và tối ưu hóa, các tổ chức nghiên cứu nước ngoài đã áp dụng các khái niệm và công nghệ thiết kế tiên tiến để cải thiện khả năng chống gió của tháp truyền tải. Ví dụ, Hoa Kỳ đã phát triển tháp truyền tải ống thép có tiết diện thay đổi có khả năng chống gió tốt, giúp giảm hệ số tải trọng gió thông qua việc tối ưu hóa hình dạng mặt cắt và cải thiện độ cứng kết cấu thông qua việc bố trí hợp lý các bộ phận. Các học giả Nhật Bản đề xuất kết cấu tháp truyền tải chống gió bằng thiết bị tiêu tán năng lượng, hấp thụ năng lượng của tải trọng gió mạnh thông qua các bộ phận tiêu tán năng lượng, do đó làm giảm phản ứng động của kết cấu. Ngoài ra, nước ngoài cũng đã thực hiện nhiều thử nghiệm trong hầm gió và nghiên cứu đo đạc thực địa trên các tháp truyền tải, thiết lập mô hình tải gió chính xác, và cung cấp cơ sở đáng tin cậy cho việc thiết kế các tháp truyền tải chịu gió cường độ cao.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của lưới điện Trung Quốc, đặc biệt là xây dựng quy mô lớn các dự án truyền tải điện UHV, nghiên cứu về tháp truyền tải chịu gió cường độ cao ở Trung Quốc cũng có tiến bộ vượt bậc. Các trường đại học trong nước, cơ quan nghiên cứu, và các công ty điện lực đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về ứng dụng thép cường độ cao, thiết kế tối ưu hóa cấu trúc, tính toán tải trọng gió, và kiểm soát rung động do gió gây ra của tháp truyền tải.
Về ứng dụng vật liệu, Trung Quốc từng bước đẩy mạnh ứng dụng thép cường độ cao như Q420, Q500 trong các dự án tháp truyền tải. Ví dụ, trong các dự án truyền tải UHV như dự án truyền tải AC UHV Jindongnan-Nanyang-Jingmen, tháp truyền thép cường độ cao đã được thông qua, đã đạt được lợi ích kinh tế và kỹ thuật tốt. Các học giả trong nước đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về tính chất cơ lý của thép cường độ cao, chẳng hạn như sức mạnh năng suất, độ bền kéo, và độ dẻo, và nghiên cứu ảnh hưởng của thép cường độ cao đến hiệu suất kết cấu của tháp truyền tải. Về mặt thiết kế kết cấu, các nhà nghiên cứu trong nước đã tối ưu hóa cấu trúc tháp truyền tải truyền thống, các dạng kết cấu mới được đề xuất như tháp ống thép giàn không gian và tháp vật liệu composite, và cải thiện khả năng chống gió của kết cấu thông qua việc tối ưu hóa các thông số hình học và bố trí thành phần.
Về mặt tính toán tải trọng gió và điều khiển rung động do gió gây ra, các tổ chức nghiên cứu trong nước đã thực hiện rất nhiều thử nghiệm trong hầm gió và nghiên cứu mô phỏng số, xây dựng các phương pháp tính toán tải trọng gió phù hợp với điều kiện tự nhiên của Trung Quốc, và phát triển hàng loạt thiết bị kiểm soát độ rung do gió gây ra, chẳng hạn như bộ giảm chấn khối lượng được điều chỉnh và bộ giảm chấn chống phi nước đại. Ví dụ, Đại học Thanh Hoa đã tiến hành thử nghiệm đường hầm gió trên các hệ thống đường dây tháp truyền tải nhịp lớn, nghiên cứu sự phân bố tải trọng gió và đặc tính rung động do gió gây ra của hệ thống, và cung cấp hỗ trợ kỹ thuật cho việc thiết kế các tháp truyền tải chịu gió cường độ cao.
Tuy nhiên, vẫn còn một số thiếu sót trong nghiên cứu hiện nay về tháp truyền tải điện chịu gió cường độ cao. Một mặt, nghiên cứu về tính chất cơ học của thép cường độ cao dưới tải trọng gió tuần hoàn dài hạn chưa đủ sâu, và hiệu suất mỏi và độ bền của tháp truyền thép cường độ cao cần được xác minh thêm. Mặt khác, sự tích hợp của vật liệu mới, cấu trúc mới, và công nghệ mới trong thiết kế tháp truyền tải chịu gió cường độ cao là chưa đủ, và thiếu các phương pháp thiết kế có hệ thống và kinh nghiệm kỹ thuật. Ngoài ra, nghiên cứu về kiểm soát rung động do gió gây ra của các tháp truyền tải chịu gió cường độ cao trong điều kiện gió khắc nghiệt vẫn đang trong giai đoạn thăm dò. vì thế, cần nghiên cứu chuyên sâu và có hệ thống hơn nữa về nghiên cứu phát triển tháp truyền tải điện chịu gió cường độ cao.
1.3 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu chính của bài viết này là: (1) Phân loại một cách có hệ thống cơ sở lý thuyết về thiết kế tháp truyền tải điện chịu gió cường độ cao, bao gồm các tính chất cơ học của vật liệu có độ bền cao, phương pháp tính tải trọng gió, và nguyên tắc ổn định cấu trúc; (2) Nghiên cứu các công nghệ thiết kế chủ yếu của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao, bao gồm tối ưu hóa hình thức cấu trúc, ứng dụng vật liệu cường độ cao, thiết kế thành phần chống gió, và tối ưu hóa cấu trúc nhẹ; (3) Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn tháp truyền tải chịu gió cường độ cao, và mô phỏng, đánh giá cường độ kết cấu và khả năng chống gió của chúng dưới các mức tải trọng gió khác nhau; (4) Để xác minh hiệu quả ứng dụng thực tế của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao thông qua các nghiên cứu trường hợp kỹ thuật, và đề xuất hướng phát triển trong tương lai.
Phạm vi nghiên cứu của bài viết này bao gồm: (1) Tháp truyền tải điện chịu gió cường độ cao cho đường dây truyền tải điện 220kV trở lên, tập trung vào tháp ống thép và tháp thép góc sử dụng thép cường độ cao (Q420, Q500, vv); (2) Các mắt xích kỹ thuật trọng điểm trong nghiên cứu phát triển tháp truyền tải chịu gió cường độ cao, bao gồm lựa chọn vật liệu, thiết kế cấu trúc, tính toán tải trọng gió, Kiểm soát độ rung do gió gây ra, và kiểm tra hiệu suất; (3) Mô phỏng số và phân tích tháp truyền tải chịu gió cường độ cao bằng phương pháp phần tử hữu hạn, bao gồm phân tích tĩnh, phân tích động, và phân tích ổn định dưới tải trọng gió; (4) Ứng dụng kỹ thuật của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao ở khu vực có tốc độ gió cao.
1.4 Cấu trúc của giấy
Bài viết này được chia thành sáu chương. chương 1 là phần giới thiệu, trong đó trình bày chi tiết về nền tảng nghiên cứu và tầm quan trọng của các tháp truyền tải điện chịu gió cường độ cao, tóm tắt tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, làm rõ mục tiêu và phạm vi nghiên cứu, và giới thiệu cấu trúc của bài báo. chương 2 giới thiệu cơ sở lý thuyết về thiết kế tháp truyền tải chịu gió cường độ cao, bao gồm các tính chất cơ học của vật liệu có độ bền cao, phương pháp tính tải trọng gió, và nguyên tắc ổn định cấu trúc. chương 3 tập trung vào các công nghệ thiết kế chủ chốt của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao, bao gồm tối ưu hóa hình thức cấu trúc, ứng dụng vật liệu cường độ cao, thiết kế thành phần chống gió, và tối ưu hóa cấu trúc nhẹ. chương 4 thiết lập mô hình phần tử hữu hạn của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao, và tiến hành phân tích tĩnh, phân tích động, và phân tích độ ổn định dưới các mức tải trọng gió khác nhau. chương 5 lấy một trường hợp kỹ thuật cụ thể làm ví dụ, giới thiệu quy trình thiết kế và thi công tháp truyền tải chịu gió cường độ cao, và xác minh hiệu quả ứng dụng thực tế của chúng. chương 6 là kết luận và triển vọng, trong đó tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính, chỉ ra những hạn chế của nghiên cứu, và mong chờ hướng nghiên cứu tiếp theo.
2. Cơ sở lý thuyết của thiết kế tháp truyền tải chịu gió cường độ cao
2.1 Tính chất cơ học của vật liệu cường độ cao cho tháp truyền tải
Lựa chọn vật liệu là nền tảng cho việc thiết kế tháp truyền tải chịu gió cường độ cao. Vật liệu cường độ cao có thể cải thiện đáng kể độ bền và độ cứng của kết cấu, giảm trọng lượng kết cấu, và tăng cường khả năng chống gió của tháp. Vật liệu chính được sử dụng trong tháp truyền tải chịu gió cường độ cao bao gồm thép cường độ cao, Vật liệu tổng hợp, vv. Phần này tập trung vào các tính chất cơ học của thép cường độ cao, là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong xây dựng tháp truyền tải hiện nay.
2.1.1 Các loại và chỉ số cơ học của thép cường độ cao
Thép cường độ cao thường được sử dụng trong tháp truyền tải chủ yếu bao gồm Q420, Q500, Q690, vv. So với thép thông thường (Q235, Q355), thép cường độ cao có cường độ năng suất cao hơn, độ bền kéo, và độ dẻo và độ dẻo dai tốt. Các chỉ số cơ học chính của một số loại thép cường độ cao phổ biến được thể hiện trong Bảng 2.1.
Bàn 2.1 Các chỉ số cơ học chính của thép cường độ cao thông dụng
|
thép Lớp
|
Năng suất Strength (MPa)
|
Sức căng (MPa)
|
ly giác (%)
|
Tác động đến độ dẻo dai (J) (ở -20oC)
|
|---|---|---|---|---|
|
Q420
|
≥420
|
520-680
|
≥18
|
≥34
|
|
Q500
|
≥500
|
610-770
|
≥16
|
≥34
|
|
Q690
|
≥690
|
770-940
|
≥14
|
≥34
|
Có thể thấy từ Bảng 2.1 rằng với sự gia tăng của loại thép, cường độ năng suất và độ bền kéo của thép cường độ cao tăng đáng kể. Ví dụ, cường độ năng suất của thép Q690 là 3 lần so với thép Q235 (235 MPa), có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của kết cấu tháp truyền tải. Cùng một lúc, thép cường độ cao cũng có độ dẻo và độ bền va đập tốt, có thể đảm bảo rằng cấu trúc có khả năng biến dạng dẻo nhất định trước khi hư hỏng, tránh hư hỏng giòn dưới tác động của tải trọng gió.
2.1.2 Tính chất cơ học của thép cường độ cao dưới tải trọng gió
Dưới tác dụng của tải trọng gió, tháp truyền tải phải chịu tải trọng động theo chu kỳ, đòi hỏi thép cường độ cao để có tính năng chịu mỏi tốt và tính chất cơ học động. Hiệu suất mỏi là một chỉ số quan trọng để đo tuổi thọ của tháp truyền tải thép cường độ cao. Dưới tác dụng của tải trọng gió tuần hoàn dài hạn, các thành phần thép dễ bị hư hỏng do mỏi, có thể dẫn đến hư hỏng cấu trúc.
Các học giả trong và ngoài nước đã tiến hành rất nhiều thử nghiệm mỏi trên thép cường độ cao. Kết quả thử nghiệm cho thấy độ bền mỏi của thép cường độ cao cao hơn thép thông thường. Ví dụ, độ bền mỏi của thép Q420 dưới 10^6 chu kỳ là khoảng 220 MPa, đó là 30% cao hơn thép Q235 (160 MPa). Ngoài ra, Độ bền mỏi của thép cường độ cao có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách tối ưu hóa quy trình sản xuất (chẳng hạn như giảm độ nhám bề mặt của các thành phần) và áp dụng các biện pháp chống mệt mỏi (chẳng hạn như hàn phi lê và mài).
Các tính chất cơ động của thép cường độ cao dưới tác dụng của tải trọng gió cũng là nội dung nghiên cứu quan trọng. Dưới tác dụng của tải trọng gió mạnh đột ngột (chẳng hạn như bão), kết cấu tháp truyền tải chịu tải trọng va đập, đòi hỏi thép cường độ cao để có độ bền va đập tốt. Kết quả thử độ bền va đập cho thấy thép cường độ cao vẫn có độ bền va đập tốt ở nhiệt độ thấp, có thể đáp ứng yêu cầu xây dựng tháp truyền tải ở vùng lạnh.
2.1.3 Ứng dụng vật liệu composite trong tháp truyền tải
Ngoài thép cường độ cao, Vật liệu tổng hợp (chẳng hạn như polyme gia cố bằng sợi, FRP) cũng đang dần được ứng dụng trong lĩnh vực tháp truyền tải chịu gió cường độ cao. Vật liệu composite có ưu điểm là trọng lượng nhẹ, cường độ cao, chống ăn mòn tốt, và khả năng chống mỏi. Mật độ của vật liệu composite FRP chỉ 1/4-1/5 của thép, và độ bền kéo của chúng cao hơn thép cường độ cao. Ngoài ra, vật liệu composite có khả năng chống ăn mòn tốt, có thể tránh được vấn đề ăn mòn của tháp truyền thép trong môi trường ẩm và mặn-kiềm.
Tuy nhiên, việc ứng dụng vật liệu composite trong tháp truyền tải vẫn đang trong giai đoạn thăm dò. Các vấn đề chính bao gồm chi phí cao, tiêu chuẩn thiết kế chưa trưởng thành, và hiệu suất liên kết kém với các thành phần thép. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ vật liệu composite và việc giảm chi phí, vật liệu composite sẽ có triển vọng ứng dụng rộng rãi hơn trong các tháp truyền tải chống gió cường độ cao. Ví dụ, vật liệu composite có thể được sử dụng để chế tạo vũ khí chéo nhẹ, cách điện, và các thành phần khác của tháp truyền tải, có thể giảm trọng lượng kết cấu và cải thiện sức cản gió của tháp.
2.2 Phương pháp tính toán tải trọng gió cho tháp truyền tải
Tải trọng gió là tải trọng chính ảnh hưởng đến sức cản gió của tháp truyền tải. Tính toán chính xác tải trọng gió là tiền đề cho việc thiết kế tháp truyền tải chịu gió cường độ cao. Việc tính toán tải trọng gió cho tháp truyền tải chủ yếu bao gồm việc xác định vận tốc gió cơ bản, tính toán áp lực gió cơ bản, và tính toán tải trọng gió tác dụng lên kết cấu. Phần này giới thiệu các phương pháp tính tải trọng gió thông dụng cho tháp truyền tải chịu gió cường độ cao.
2.2.1 Xác định tốc độ gió cơ bản
Tốc độ gió cơ bản là tốc độ gió tối đa trong một khoảng thời gian lặp lại nhất định (thường xuyên 50 năm hoặc 100 năm) ở độ cao tiêu chuẩn (thường là 10m) tại khu vực đặt tháp truyền tải. Là cơ sở để tính tải trọng gió. Tốc độ gió cơ bản có thể đạt được bằng cách tìm hiểu dữ liệu khí tượng địa phương hoặc tiêu chuẩn tải trọng gió quốc gia. Ví dụ, theo GB 50009-2012 “Mã tải trọng trên kết cấu tòa nhà” ở Trung Quốc, tốc độ gió cơ bản ở các khu vực ven biển như Quảng Đông và Phúc Kiến là 30-50 Cô (50-thời gian hoàn trả năm), trong khi tốc độ gió cơ bản ở khu vực nội địa nhìn chung là 20-30 Cô.
Đối với các khu vực có tốc độ gió cao như khu vực dễ bị bão, tốc độ gió cơ bản cần được xác định dựa trên số liệu tốc độ gió đo thực tế. Ngoài ra, xem xét ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, tốc độ gió cơ bản cần được tăng lên phù hợp để đảm bảo sức cản gió của tháp truyền tải. Ví dụ, một số học giả đã đề xuất rằng tốc độ gió cơ bản ở các khu vực dễ bị bão nên tăng thêm 10-15% để đối phó với sự gia tăng có thể có của thời tiết gió cực đoan.
2.2.2 Tính toán áp lực gió cơ bản
Áp lực gió cơ bản là áp suất động được tạo ra bởi tốc độ gió cơ bản, có thể được tính bằng công thức (2.1):
w₀ = 0,5ρv₀² (2.1)
Ở đâu: w₀ là áp lực gió cơ bản (kPa); ρ là mật độ không khí (kg/m³), thường được coi là 1.225 kg/m³; v₀ là tốc độ gió cơ bản (Cô).
Ví dụ, nếu tốc độ gió cơ bản v₀ là 40 Cô, áp lực gió cơ bản w₀ là 0,5×1,225×402 = 98 kPa.
Cần lưu ý rằng áp lực gió cơ bản có liên quan đến độ cao, nhiệt độ, và độ ẩm của khu vực. Đối với vùng có độ cao, mật độ không khí nhỏ, và áp lực gió cơ bản phải được điều chỉnh theo mật độ không khí thực tế.
2.2.3 Tính toán tải trọng gió trên tháp truyền tải
Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu tháp truyền tải được tính bằng áp lực gió cơ bản nhân với hệ số tải trọng gió, hệ số chiều cao, và hệ số hình dạng. Công thức tính toán được thể hiện trong công thức (2.2):
F_w = w₀μ_sμ_zA (2.2)
Ở đâu: F_w là tải trọng gió tác dụng lên kết cấu (kN); μ_s là hệ số hình dạng; μ_z là hệ số chiều cao; A là diện tích đón gió của kết cấu (m²).
Hệ số hình dạng μ_s có liên quan đến hình dạng mặt cắt ngang của các bộ phận của tháp truyền tải. Ví dụ, hệ số hình dạng của ống thép hình tròn là 0.8-1.0, trong khi hệ số hình dạng của thép góc là 1.2-1.5. Mặt cắt ngang tròn của tháp ống thép có hệ số hình dạng nhỏ hơn, có thể làm giảm tải trọng gió tác động lên kết cấu. Hệ số độ cao μ_z phản ánh sự thay đổi tốc độ gió theo độ cao. Với việc tăng chiều cao, tốc độ gió tăng, và hệ số chiều cao cũng tăng. Diện tích đón gió A là diện tích hình chiếu của kết cấu trên mặt phẳng đón gió, có thể được tính toán theo kích thước mặt cắt ngang và chiều cao của các bộ phận.
Ngoài ra, tháp truyền tải cũng phải chịu tải trọng rung động do gió gây ra, chẳng hạn như phi nước đại, rung chuyển, và dao động do xoáy gây ra. Những tải trọng rung này có thể được tính toán thông qua các thử nghiệm trong hầm gió và phân tích động.. Dành cho tháp truyền tải chịu gió cường độ cao, cần xét đến tác động kết hợp của tải trọng gió tĩnh và tải trọng rung động do gió gây ra để đảm bảo an toàn cho kết cấu..
2.3 Nguyên tắc ổn định kết cấu của tháp truyền tải
Độ ổn định kết cấu là chỉ số quan trọng để đo sức cản gió của tháp truyền tải. Dưới tác dụng của tải trọng gió, tháp truyền tải dễ bị oằn tổng thể hoặc oằn cục bộ, có thể dẫn đến sự sụp đổ cấu trúc. vì thế, cần tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về nguyên lý ổn định kết cấu của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao.
2.3.1 Độ ổn định tổng thể của tháp truyền tải
Độ ổn định tổng thể đề cập đến khả năng cấu trúc tháp truyền tải duy trì trạng thái cân bằng ban đầu dưới tác động của tải trọng bên ngoài.. Độ ổn định tổng thể của tháp truyền tải chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hình thức kết cấu, thông số hình học, tính chất vật chất, và điều kiện tải. Dành cho tháp truyền tải chịu gió cường độ cao, độ ổn định tổng thể thường được đánh giá bằng cách tính tải trọng uốn tới hạn.
Tải trọng uốn tới hạn của kết cấu tháp truyền tải có thể được tính bằng phương pháp phân tích uốn giá trị riêng. Phân tích độ vênh giá trị riêng dựa trên giả định đàn hồi tuyến tính, và tải trọng uốn tới hạn có thể thu được bằng cách giải bài toán giá trị riêng của ma trận độ cứng kết cấu. Công thức tính tải trọng uốn tới hạn được thể hiện trong công thức (2.3):
[K – λK_G]φ = 0 (2.3)
Ở đâu: K là ma trận độ cứng kết cấu; K_G là ma trận độ cứng hình học; λ là giá trị riêng (hệ số tải tới hạn); φ là vectơ riêng (chế độ oằn).
Tải trọng uốn tới hạn P_cr = λP, trong đó P là tải trọng thiết kế. Theo tiêu chuẩn thiết kế, hệ số an toàn ổn định của tháp truyền tải không được nhỏ hơn 2.5. Nếu tải trọng uốn tới hạn lớn hơn 2.5 lần tải trọng thiết kế, sự ổn định tổng thể của cấu trúc được thỏa mãn.
2.3.2 Độ ổn định cục bộ của các thành phần tháp truyền tải
Sự ổn định cục bộ đề cập đến khả năng của từng bộ phận của tháp truyền tải (chẳng hạn như ống thép, thép góc) để duy trì hình dạng mặt cắt ngang ban đầu của chúng dưới tác dụng của tải trọng bên ngoài. Sự mất ổn định cục bộ của các bộ phận sẽ làm giảm khả năng chịu lực của các bộ phận và có thể ảnh hưởng hơn nữa đến độ ổn định tổng thể của kết cấu..
Đối với các cấu kiện thép cường độ cao, Độ ổn định cục bộ thường được kiểm tra theo tỷ lệ độ mảnh chuẩn hóa. Tỷ lệ độ mảnh chuẩn hóa λ_n được tính theo công thức (2.4):
λ_n = λ/√(f_y/235) (2.4)
Ở đâu: λ là hệ số độ mảnh của cấu kiện; f_y là giới hạn chảy của thép.
Theo tiêu chuẩn thiết kế, tỷ lệ độ mảnh chuẩn hóa tối đa cho phép λ_max đối với các cấu kiện thép cường độ cao là 1.0. Nếu λ_n ≤ 1.0, sự ổn định cục bộ của thành phần được thỏa mãn. Đối với các chi tiết có tỷ lệ độ mảnh lớn, xương sườn cứng có thể được thêm vào để cải thiện sự ổn định cục bộ.
Ngoài ra, độ ổn định cục bộ của các bộ phận kết nối của các bộ phận (chẳng hạn như kết nối mặt bích, kết nối bu lông) cũng nên được kiểm tra. Các bộ phận kết nối dễ bị tập trung ứng suất dưới tác dụng của tải trọng gió, có thể dẫn tới hiện tượng oằn cục bộ. vì thế, cần tối ưu hóa thiết kế các bộ phận kết nối để đảm bảo sự ổn định cục bộ của chúng.
3. Công nghệ thiết kế chính của tháp truyền tải chống gió cường độ cao
3.1 Tối ưu hóa hình thức kết cấu của tháp truyền tải
Hình thức kết cấu của tháp truyền tải ảnh hưởng trực tiếp đến sức cản gió và hiệu suất kết cấu của chúng. Việc tối ưu hóa hình thức kết cấu là một biện pháp quan trọng để cải thiện khả năng chống gió của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao. Phần này giới thiệu việc tối ưu hóa hình thức kết cấu của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao từ các khía cạnh kết cấu thân tháp, cấu trúc cánh tay chéo, và cấu trúc nút.
3.1.1 Tối ưu hóa cấu trúc thân tháp
Thân tháp của các tháp truyền tải truyền thống chủ yếu là kết cấu lăng trụ có tiết diện không đổi. Dưới tác dụng của tải trọng gió, sự phân bố ứng suất của thân tháp không đồng đều, và hệ số tải trọng gió lớn. Để cải thiện sức cản gió của thân tháp, Cấu trúc thân tháp có thể được tối ưu hóa thành cấu trúc côn hoặc cấu trúc mặt cắt thay đổi.
Thân tháp thon có kích thước mặt cắt ngang lớn hơn ở phía dưới và kích thước mặt cắt ngang nhỏ hơn ở phía trên, có thể làm cho sự phân bố ứng suất của thân tháp đồng đều hơn dưới tải trọng gió và cải thiện độ ổn định tổng thể của kết cấu. Góc nghiêng của thân tháp côn là thông số thiết kế quan trọng. Góc nghiêng thường được sử dụng là 1/20-1/30. Bằng cách tối ưu hóa góc nghiêng, sức cản gió của thân tháp có thể được cải thiện hơn nữa. Ví dụ, khi góc nghiêng là 1/25, sự ổn định tổng thể của thân tháp là tốt nhất, và hệ số tải trọng gió là nhỏ nhất.
Thân tháp có tiết diện thay đổi điều chỉnh kích thước mặt cắt ngang của thân tháp theo sự thay đổi của tải trọng gió dọc theo chiều cao. Ở khu vực có tốc độ gió cao của thân tháp (chẳng hạn như phần giữa và phần trên), kích thước mặt cắt ngang lớn hơn được áp dụng để cải thiện độ cứng và khả năng chịu lực; ở vùng có tốc độ gió thấp (chẳng hạn như phía dưới), kích thước mặt cắt ngang nhỏ hơn được áp dụng để giảm trọng lượng cấu trúc. Thân tháp có tiết diện thay đổi có thể đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất kết cấu và hiệu quả kinh tế, và được sử dụng rộng rãi trong các tháp truyền tải chống gió cường độ cao.
3.1.2 Tối ưu hóa cấu trúc cánh tay chéo
Tay đòn chéo là bộ phận quan trọng của tháp truyền tải, chịu lực căng dây dẫn và tải trọng gió. Kết cấu tay đòn truyền thống chủ yếu là kết cấu giàn có tiết diện không đổi. Dưới tác dụng của tải trọng gió, phần cuối của cánh tay chéo dễ bị dịch chuyển quá mức và tập trung ứng suất. Để cải thiện sức cản gió của cánh tay chéo, cấu trúc cánh tay chéo có thể được tối ưu hóa thành cấu trúc giàn có tiết diện thay đổi hoặc cấu trúc kiểu hộp.
Cấu trúc giàn có tiết diện thay đổi của tay đòn chéo làm tăng kích thước mặt cắt ngang của các cấu kiện giàn ở gốc và cuối tay đòn, có thể cải thiện độ cứng và khả năng chịu lực của cánh tay chéo. Kết cấu tay đòn chéo kiểu hộp được cấu tạo từ các tấm thép được hàn thành hình hộp, có độ cứng cao, chống gió tốt, và hệ số tải trọng gió nhỏ. So với tay đòn giàn truyền thống, cánh tay đòn kiểu hộp có thể giảm tải gió bằng cách 20-30% và cải thiện sức cản của gió bằng cách 30-40%.
Ngoài ra, chiều dài của cánh tay chéo cũng là một thông số thiết kế quan trọng. Chiều dài của cánh tay chéo phải được xác định theo khoảng cách pha của dây dẫn và khoảng cách cách điện. Bằng cách tối ưu hóa chiều dài của cánh tay chéo, tải trọng gió trên cánh tay chéo có thể giảm, và sự ổn định tổng thể của tháp truyền tải có thể được cải thiện.
3.1.3 Tối ưu hóa cấu trúc nút
Nút là phần kết nối của các thành phần tháp truyền tải, chuyển tải giữa các thành phần. Cấu trúc nút có tác động quan trọng đến hiệu suất tổng thể của tháp truyền tải. Cấu trúc nút truyền thống (chẳng hạn như các kết nối bắt vít, kết nối đinh tán) có vấn đề như cường độ kết nối thấp và hiệu suất mỏi kém dưới tải trọng gió. Để cải thiện khả năng chống gió của tháp truyền tải, cấu trúc nút có thể được tối ưu hóa thành cấu trúc nút hàn hoặc cấu trúc nút kết nối mặt bích.
Cấu trúc nút hàn có cường độ kết nối cao và tính toàn vẹn tốt, có thể chuyển tải hiệu quả giữa các thành phần và tránh tập trung ứng suất tại nút. Tuy nhiên, quá trình hàn có yêu cầu cao, và chất lượng hàn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của nút. Cấu trúc nút kết nối mặt bích kết nối các bộ phận thông qua mặt bích và bu lông cường độ cao, có ưu điểm là lắp đặt và tháo gỡ thuận tiện, và cường độ kết nối cao. Cấu trúc nút kết nối mặt bích được sử dụng rộng rãi trong các tháp ống thép chịu gió cường độ cao.
Ngoài ra, Cấu trúc nút nên được thiết kế với các góc tròn và chuyển tiếp mượt mà để tránh tập trung ứng suất. Cùng một lúc, cần giảm thiểu số lượng nút để đơn giản hóa kết cấu và cải thiện khả năng chống gió của tháp truyền tải.
3.2 Ứng dụng vật liệu cường độ cao trong tháp truyền tải
Ứng dụng vật liệu cường độ cao là công nghệ cốt lõi của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao. Lựa chọn hợp lý và ứng dụng vật liệu có độ bền cao có thể cải thiện đáng kể độ bền kết cấu và khả năng chống gió, giảm trọng lượng kết cấu, và nâng cao hiệu quả kinh tế của dự án. Phần này giới thiệu ứng dụng của vật liệu thép cường độ cao và composite trong tháp truyền tải chịu gió cường độ cao.
3.2.1 Ứng dụng thép cường độ cao trong tháp truyền tải
Thép cường độ cao (Q420, Q500, Q690) được sử dụng rộng rãi trong thân tháp, cánh tay chéo, và các bộ phận quan trọng khác của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao. Khi sử dụng thép cường độ cao, cần lựa chọn hợp lý mác thép theo điều kiện tải trọng và yêu cầu kết cấu của tháp truyền tải.
Dùng cho các bộ phận thân tháp chịu tải trọng gió lớn và sức căng dây dẫn, thép cường độ cao cao cấp (chẳng hạn như Q500, Q690) nên được lựa chọn để nâng cao khả năng chịu lực và độ ổn định của các bộ phận. Đối với các bộ phận cánh tay chéo, thép cường độ cao loại trung bình (chẳng hạn như Q420) có thể được lựa chọn để cân bằng hiệu quả cơ cấu và hiệu quả kinh tế. Ngoài ra, Việc ứng dụng thép cường độ cao cần kết hợp với việc tối ưu hóa kích thước mặt cắt cấu kiện. Bằng cách giảm kích thước mặt cắt ngang của các thành phần, trọng lượng cấu trúc có thể giảm, và tải trọng gió tác dụng lên kết cấu có thể giảm hơn nữa.
Cần lưu ý, việc ứng dụng thép cường độ cao đòi hỏi phải có những thay đổi tương ứng về phương pháp thiết kế và công nghệ thi công.. Ví dụ, thiết kế các cấu kiện thép cường độ cao cần xét đến ảnh hưởng của tính phi tuyến của vật liệu, và việc xây dựng nên áp dụng các công nghệ xử lý và lắp đặt có độ chính xác cao để đảm bảo hiệu suất kết cấu.
3.2.2 Ứng dụng vật liệu composite trong tháp truyền tải
Vật liệu tổng hợp (FRP) có ưu điểm là trọng lượng nhẹ, cường độ cao, và khả năng chống ăn mòn tốt, và dần được ứng dụng trong các tháp truyền tải chịu gió cường độ cao. Việc ứng dụng vật liệu composite trong tháp truyền tải chủ yếu bao gồm việc sản xuất các tay đòn, cách điện, và các bộ phận thân tháp.
Tay đòn bằng vật liệu composite có trọng lượng nhẹ (chỉ có 1/3-1/4 của cánh tay chéo thép) và có khả năng chống gió tốt. Nó có thể giảm tải gió trên tháp truyền tải và cải thiện độ ổn định tổng thể của cấu trúc. Chất cách điện vật liệu composite có hiệu suất cách nhiệt tốt và chống ăn mòn, có thể tránh được vấn đề phóng điện ô nhiễm của chất cách điện gốm truyền thống trong môi trường ẩm và mặn-kiềm. Các bộ phận thân tháp bằng vật liệu composite vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, nhưng với sự phát triển không ngừng của công nghệ vật liệu composite, họ sẽ có triển vọng ứng dụng rộng hơn.
Tuy nhiên, Việc ứng dụng vật liệu composite trong tháp truyền tải cũng gặp một số thách thức. Ví dụ, giá thành của vật liệu composite cao, điều này hạn chế ứng dụng quy mô lớn của chúng. Ngoài ra, hiệu suất liên kết giữa vật liệu composite và các thành phần thép cần phải được cải thiện hơn nữa. vì thế, ứng dụng của vật liệu composite, cần tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về tính chất cơ lý và phương pháp thiết kế của chúng, và phát triển công nghệ vật liệu composite chi phí thấp.
3.3 Thiết kế các bộ phận chống gió cho tháp truyền tải
Thiết kế các bộ phận chịu gió là phương tiện quan trọng để nâng cao khả năng chống gió của các tháp truyền tải chịu gió cường độ cao. Bằng cách lắp đặt các bộ phận chống gió, tải trọng gió trên tháp truyền tải có thể giảm, phản ứng động của cấu trúc có thể được kiểm soát, và sức cản gió của tháp có thể được cải thiện. Phần này giới thiệu về thiết kế các bộ phận chịu gió thông dụng, chẳng hạn như các thiết bị chống phi nước đại, bộ giảm chấn khối lượng được điều chỉnh, và máy tạo xoáy.
3.3.1 Thiết kế thiết bị chống phi nước đại
Phi nước đại là tần số thấp, Dao động tự kích thích có biên độ lớn của dây dẫn do tải trọng gió gây ra, có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho tháp truyền tải. Việc thiết kế các thiết bị chống phi nước đại là biện pháp quan trọng để ngăn chặn sự phi nước đại của dây dẫn. Các thiết bị chống phi nước đại phổ biến bao gồm bộ giảm chấn chống phi nước đại, bộ giảm chấn đệm, và các spoiler khí động học.
Bộ giảm chấn chống phi mã hấp thụ năng lượng của rung động phi mã thông qua chuyển động tương đối của các bộ phận bên trong, giảm biên độ dao động của dây dẫn. Việc thiết kế giảm chấn chống phi mã cần xét đến tần số tự nhiên của dây dẫn và đặc tính của tải trọng gió, và lựa chọn thông số giảm chấn phù hợp (chẳng hạn như hệ số giảm chấn, độ cứng) để đảm bảo hiệu quả chống phi mã. Bộ giảm chấn Spacer được sử dụng để kết nối dây dẫn chia, hạn chế chuyển động tương đối giữa các dây dẫn và ngăn chặn sự phi nước đại. Cánh lướt gió khí động học làm thay đổi đặc tính khí động học của bề mặt dây dẫn, giảm lực khí động học gây ra phi nước đại.
3.3.2 Thiết kế bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh
Bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh (TMD) được sử dụng rộng rãi trong việc kiểm soát độ rung do gió gây ra của tháp truyền tải. TMD bao gồm một khối khối, một mùa xuân, và một van điều tiết. Bằng cách điều chỉnh tần số riêng của TMD gần với tần số riêng của tháp truyền tải, năng lượng rung động của tháp có thể được hấp thụ, và phản ứng động của cấu trúc có thể giảm.
Thiết kế của TMD cần quan tâm đến tần số tự nhiên và hệ số giảm chấn của tháp truyền tải. Khối lượng của khối khối TMD thường là 1-5% tổng khối lượng của tháp truyền tải. Độ cứng lò xo và hệ số giảm chấn của TMD được xác định theo tần số riêng của tháp. Vị trí lắp đặt TMD thường ở đỉnh tháp hoặc cuối tay đòn, trong đó biên độ dao động lớn nhất, để đạt được hiệu quả kiểm soát rung tốt nhất.
3.3.3 Thiết kế máy tạo xoáy
Rung động do dòng xoáy gây ra là rung động do dòng xoáy thoát ra từ bề mặt các bộ phận của tháp truyền tải.. Máy tạo xoáy có thể phá hủy sự hình thành xoáy, giảm độ rung do xoáy gây ra của các bộ phận. Thiết kế máy tạo xoáy cần xét đến hình dạng và kích thước mặt cắt ngang của các bộ phận, và đặc điểm tốc độ gió của khu vực.
Máy tạo xoáy thông thường bao gồm máy tạo xoáy hình tam giác và máy tạo xoáy hình chữ nhật. Máy tạo xoáy hình tam giác có tác dụng phá xoáy tốt hơn và được sử dụng rộng rãi trong các tháp truyền tải. Mật độ và góc lắp đặt của máy tạo xoáy cần được tối ưu hóa theo kết quả thử nghiệm trong hầm gió để đảm bảo hiệu quả chống rung do xoáy gây ra tốt nhất.
3.4 Tối ưu hóa nhẹ cấu trúc tháp truyền tải
Tối ưu hóa trọng lượng nhẹ là mục tiêu quan trọng trong thiết kế tháp truyền tải chịu gió cường độ cao. Bằng cách giảm trọng lượng kết cấu, tải trọng gió trên tháp truyền tải có thể giảm, chi phí nền tảng có thể được tiết kiệm, và hiệu quả kinh tế của dự án có thể được nâng cao. Việc tối ưu hóa trọng lượng nhẹ của kết cấu tháp truyền tải có thể đạt được thông qua việc tối ưu hóa kích thước mặt cắt ngang của các bộ phận, lựa chọn vật liệu nhẹ, và sự đơn giản hóa các dạng cấu trúc.
3.4.1 Tối ưu hóa kích thước mặt cắt thành phần
Kích thước mặt cắt ngang của các bộ phận tháp truyền tải ảnh hưởng trực tiếp đến trọng lượng kết cấu và khả năng chịu lực. Thông qua việc tối ưu hóa kích thước mặt cắt thành phần, có thể đạt được kích thước mặt cắt ngang tối thiểu đáp ứng các yêu cầu về độ bền và độ ổn định, và trọng lượng cấu trúc có thể giảm. Việc tối ưu hóa kích thước mặt cắt thành phần có thể được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn và các thuật toán tối ưu hóa toán học.
Đầu tiên, mô hình phần tử hữu hạn của tháp truyền tải được thiết lập, và tính toán nội lực và chuyển vị của từng bộ phận dưới tác dụng của tải trọng thiết kế. Sau đó, lấy tổng trọng lượng tối thiểu của các thành phần làm hàm mục tiêu và cường độ, độ cứng, và độ ổn định của các thành phần là các điều kiện ràng buộc, kích thước mặt cắt tối ưu của từng thành phần có được thông qua tính toán tối ưu hóa. Ví dụ, sử dụng thuật toán di truyền để tối ưu hóa kích thước mặt cắt ngang của các bộ phận thân tháp có thể giảm trọng lượng kết cấu bằng cách 10-15% đồng thời đảm bảo hiệu suất kết cấu.
3.4.2 Lựa chọn vật liệu nhẹ
Việc lựa chọn vật liệu nhẹ là một phương tiện quan trọng để đạt được trọng lượng nhẹ của tháp truyền tải. Vật liệu thép cường độ cao và composite là những vật liệu nhẹ điển hình. So với thép thông thường, thép cường độ cao có độ bền cao hơn, và kích thước mặt cắt ngang của các bộ phận có thể giảm trong cùng điều kiện tải, do đó làm giảm trọng lượng kết cấu. Vật liệu composite có ưu điểm là trọng lượng nhẹ và độ bền cao, và có thể giảm thêm trọng lượng cấu trúc.
Ví dụ, việc sử dụng thép cường độ cao Q500 thay vì thép thông thường Q235 trong tháp truyền tải có thể làm giảm diện tích mặt cắt ngang của các bộ phận bằng cách 30-40% và trọng lượng kết cấu bằng 20-30%. Việc sử dụng tay đòn bằng vật liệu composite thay vì tay đòn bằng thép có thể làm giảm trọng lượng của tay đòn bằng cách 60-70%.
3.4.3 Đơn giản hóa các hình thức kết cấu
Việc đơn giản hóa các hình thức kết cấu cũng có thể đạt được trọng lượng nhẹ của tháp truyền tải. Bằng cách giảm số lượng thành phần và nút, đơn giản hóa cách bố trí cấu trúc, trọng lượng cấu trúc có thể giảm. Ví dụ, Thân tháp giàn truyền thống có thể được đơn giản hóa thành thân tháp ống thép, làm giảm số lượng các thành phần và cải thiện tính toàn vẹn cấu trúc. Hình thức kết cấu đơn giản hóa không chỉ làm giảm trọng lượng kết cấu mà còn nâng cao hiệu quả thi công và giảm chi phí xây dựng.
4. Phân tích phần tử hữu hạn của tháp truyền tải chống gió cường độ cao
4.1 Thành lập mô hình phần tử hữu hạn
Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và phân tích hiệu suất cơ học của các tháp truyền tải chịu gió cường độ cao. Nó có thể tính toán chính xác sự căng thẳng, dịch chuyển, và đặc tính động của kết cấu dưới các mức tải trọng gió khác nhau, cung cấp cơ sở đáng tin cậy cho việc thiết kế và tối ưu hóa kết cấu. Phần này lấy tháp ống thép chịu gió cường độ cao 220kV làm ví dụ để thiết lập mô hình phần tử hữu hạn bằng phần mềm ANSYS.
4.1.1 Mô hình hình học
Đầu tiên, Mô hình hình học 3D của tháp ống thép chịu gió cường độ cao 220kV được thiết lập bằng phần mềm ANSYS DesignModeler. Các thông số chính của tháp như sau: chiều cao tháp là 60m, chiều rộng cơ sở là 12m, chiều rộng trên cùng là 1,8m, Thân tháp là kết cấu ống thép côn có độ dày thành 8-16mm, Cánh tay chéo là kết cấu ống thép kiểu hộp có chiều dài 20m và thành dày 10 mm, Chất cách điện được đơn giản hóa dưới dạng cấu trúc hình trụ có chiều dài 5m và đường kính 0,1m, và dây dẫn là dây dẫn 4 dây có đường kính 28mm, khoảng cách chia dây là 0,4m.
Trong quá trình mô hình hóa hình học, các bộ phận nhỏ ít ảnh hưởng đến tính năng cơ học của kết cấu (chẳng hạn như bu lông, quả hạch, và dấu ngoặc nhỏ) được bỏ qua để đơn giản hóa mô hình. Việc kết nối giữa các bộ phận được đơn giản hóa như một kết nối cứng nhắc.
4.1.2 Tạo lưới
Việc tạo lưới của mô hình phần tử hữu hạn được thực hiện bằng phần mềm ANSYS Meshing. Xem xét cấu trúc phức tạp của tháp và yêu cầu cao về độ chính xác tính toán, phần tử tứ diện được sử dụng cho thân tháp, cánh tay chéo, và chất cách điện, và các phần tử chùm được sử dụng cho dây dẫn. Kích thước mắt lưới được tối ưu hóa để cân bằng độ chính xác và hiệu quả tính toán. Kích thước mắt lưới của thân tháp và tay chéo được đặt thành 0,4-0,8m, kích thước mắt lưới của chất cách điện được đặt thành 0,2-0,4m, và kích thước mắt lưới của dây dẫn được đặt thành 0,8-1,5m.
Sau khi tạo lưới, chất lượng lưới được kiểm tra. Các chỉ số chất lượng lưới bao gồm tỷ lệ khung hình, sự lệch lạc, và tính trực giao. Tỷ lệ khung hình trung bình của lưới là 1.5, độ lệch trung bình là 0.22, và độ trực giao trung bình là 0.78, đều đáp ứng yêu cầu tính toán phần tử hữu hạn. Tổng số phần tử lưới là 2,850,000, và tổng số nút là 4,960,000.
4.1.3 Cài đặt thông số vật liệu
Thân tháp và tay đòn được làm bằng thép cường độ cao Q420, dây dẫn được làm bằng hợp kim nhôm, và chất cách điện được làm bằng vật liệu composite FRP. Các thông số vật liệu được thiết lập như sau: Thép cường độ cao Q420 có mật độ 7850 kg/m³, mô đun đàn hồi của 206 GPa, và tỉ số Poisson của 0.3; hợp kim nhôm có mật độ 2700 kg/m³, mô đun đàn hồi của 70 GPa, và tỉ số Poisson của 0.33; Vật liệu composite FRP có mật độ 1800 kg/m³, mô đun đàn hồi của 35 GPa, và tỉ số Poisson của 0.24.
4.1.4 Cài đặt điều kiện biên
Móng tháp truyền tải được cố định, do đó sự dịch chuyển của các nút nền trong x, y, và hướng z bị ràng buộc bằng 0. Các dây dẫn được nối với các thanh chéo thông qua chất cách điện, do đó, kết nối giữa dây dẫn và chất cách điện được đặt dưới dạng kết nối bản lề. Tải trọng gió tác dụng lên bề mặt thân tháp và các cánh tay ngang dưới dạng tải trọng áp suất đồng đều.
4.2 Phân tích tĩnh dưới tải trọng gió
Phân tích tĩnh dưới tải trọng gió được thực hiện để tính toán ứng suất và chuyển vị của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao dưới các mức tải trọng gió khác nhau, kiểm tra độ bền và độ cứng của kết cấu. Phần này chọn ba cấp tải gió (tốc độ gió cơ bản 30 Cô, 40 Cô, 50 Cô) để phân tích tĩnh.
4.2.1 Kết quả phân tích tĩnh theo tốc độ gió cơ bản 30 Cô
Khi tốc độ gió cơ bản là 30 Cô, áp lực gió cơ bản là 0,5×1,225×302 = 55.125 kPa. Kết quả phân tích tĩnh cho thấy ứng suất cực đại của kết cấu tháp truyền tải là 168 MPa, nằm ở vị trí nối giữa thân tháp và tay đòn. Độ dịch chuyển tối đa của kết cấu là 0,32m, nằm ở cuối cánh tay chéo. Ứng suất tối đa nhỏ hơn nhiều so với cường độ chảy của thép cường độ cao Q420 (420 MPa), và độ dịch chuyển tối đa nằm trong phạm vi cho phép (0.4m), chỉ ra rằng kết cấu có đủ cường độ và độ cứng dưới mức tải trọng gió này.
4.2.2 Kết quả phân tích tĩnh theo tốc độ gió cơ bản 40 Cô
Khi tốc độ gió cơ bản là 40 Cô, áp lực gió cơ bản là 98 kPa. Kết quả phân tích tĩnh cho thấy ứng suất cực đại của kết cấu tháp truyền tải là 245 MPa, nằm ở dưới cùng của thân tháp. Độ dịch chuyển tối đa của kết cấu là 0,58m, nằm ở cuối cánh tay chéo. Ứng suất tối đa vẫn nhỏ hơn giới hạn chảy của thép cường độ cao Q420, và độ dịch chuyển tối đa nằm trong phạm vi cho phép (0.6m), cho thấy công trình có khả năng cản gió tốt dưới mức tải trọng gió này.
4.2.3 Kết quả phân tích tĩnh theo tốc độ gió cơ bản 50 Cô
Khi tốc độ gió cơ bản là 50 Cô, áp lực gió cơ bản là 153.125 kPa. Kết quả phân tích tĩnh cho thấy ứng suất cực đại của kết cấu tháp truyền tải là 322 MPa, nằm ở dưới cùng của thân tháp. Độ dịch chuyển tối đa của kết cấu là 0,85m, nằm ở cuối cánh tay chéo. Ứng suất tối đa vẫn nhỏ hơn giới hạn chảy của thép cường độ cao Q420, và độ dịch chuyển tối đa nằm trong phạm vi cho phép (0.9m), chỉ ra rằng cấu trúc có thể chịu được mức tải gió cực lớn và có khả năng chống gió tuyệt vời.
4.3 Phân tích động dưới tải trọng gió
Phân tích động học dưới tải trọng gió được thực hiện để nghiên cứu đặc tính động học của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao, bao gồm cả tần số tự nhiên, thời kỳ tự nhiên, và phản ứng động dưới sự rung động do gió gây ra. Kết quả phân tích động học là cơ sở cho việc thiết kế các bộ phận chịu gió.
4.3.1 Phân tích phương thức
Phân tích phương thức được thực hiện bằng phương pháp lặp không gian con trong phần mềm ANSYS. đầu tiên 10 tần số tự nhiên và hình dạng chế độ của kết cấu tháp truyền tải được tính toán. Kết quả phân tích phương thức cho thấy tần số tự nhiên đầu tiên của kết cấu là 0.65 Hz, chu kỳ tự nhiên là 1.54 S, và hình dạng chế độ đầu tiên là dao động uốn ngang của thân tháp. Tần số tự nhiên thứ hai là 1.02 Hz, chu kỳ tự nhiên là 0.98 S, và hình dạng chế độ thứ hai là dao động xoắn của thân tháp. Tần số tự nhiên của cấu trúc tương đối thấp, đó là do chiều cao lớn và độ cứng nhỏ của kết cấu. vì thế, cần lắp đặt các bộ phận cản gió để khống chế rung động do gió gây ra cho kết cấu.
4.3.2 Phân tích phản ứng rung do gió gây ra
Phân tích phản ứng rung động do gió gây ra được thực hiện bằng phương pháp phân tích động nhất thời. Tải trọng gió được mô phỏng dưới dạng tải trọng thay đổi theo thời gian theo đường cong lịch sử - tốc độ gió. Kết quả phân tích cho thấy ứng suất động cực đại của kết cấu tháp truyền tải dưới tác dụng dao động do gió gây ra là 358 MPa, nằm ở dưới cùng của thân tháp. Độ dịch chuyển động tối đa là 0,92m, nằm ở cuối cánh tay chéo. Ứng suất động cực đại vẫn nhỏ hơn giới hạn chảy của thép cường độ cao Q420, chỉ ra rằng cấu trúc có hiệu suất động tốt dưới sự rung động do gió gây ra.
Ngoài ra, phản ứng rung do gió gây ra của kết cấu sau khi lắp đặt bộ giảm chấn khối được điều chỉnh (TMD) cũng được phân tích. Các thông số TMD được thiết lập như sau: khối lượng là 2 tấn, độ cứng là 150 kN / m, hệ số giảm chấn là 5 kN·s/m. Kết quả phân tích cho thấy sau khi cài đặt TMD, ứng suất động tối đa của kết cấu giảm xuống 295 MPa, và chuyển vị động tối đa giảm xuống còn 0,72m, đó là sự giảm bớt 17.3% và 21.7% tương ứng. Điều này cho thấy TMD có tác dụng kiểm soát tốt dao động do gió gây ra cho công trình..
4.4 Phân tích độ ổn định dưới tải trọng gió
Phân tích ổn định dưới tải trọng gió được thực hiện để đánh giá độ ổn định tổng thể và ổn định cục bộ của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao, đảm bảo rằng kết cấu không bị mất ổn định dưới tải trọng gió. Phần này áp dụng phương pháp phân tích độ ổn định giá trị riêng và phương pháp phân tích độ ổn định phi tuyến hình học để thực hiện phân tích độ ổn định.
4.4.1 Phân tích độ vênh giá trị riêng
Kết quả phân tích uốn giá trị riêng cho thấy tải trọng uốn tới hạn thứ nhất của kết cấu tháp truyền tải là 3.8 lần tải trọng gió thiết kế (tốc độ gió cơ bản 40 Cô), và chế độ oằn đầu tiên là oằn tổng thể theo phương ngang của thân tháp. Theo tiêu chuẩn thiết kế, hệ số an toàn ổn định của tháp truyền tải không được nhỏ hơn 2.5. Hệ số an toàn ổn định tính toán (3.8) lớn hơn giá trị yêu cầu, chỉ ra rằng cấu trúc có đủ độ ổn định tổng thể dưới tải trọng gió.
4.4.2 Phân tích độ uốn phi tuyến tính hình học
Phân tích độ vênh giá trị riêng dựa trên giả định đàn hồi tuyến tính và không xem xét ảnh hưởng của tính phi tuyến hình học. Để có được kết quả phân tích độ ổn định chính xác hơn, phân tích oằn phi tuyến hình học được tiếp tục thực hiện. Kết quả phân tích cho thấy tải trọng uốn tới hạn của kết cấu là 3.2 lần tải trọng gió thiết kế, thấp hơn một chút so với kết quả phân tích độ vênh giá trị riêng. Điều này là do tính phi tuyến hình học sẽ làm giảm độ cứng của kết cấu và do đó làm giảm tải trọng uốn tới hạn.. Tuy nhiên, hệ số an toàn ổn định tính toán (3.2) vẫn lớn hơn giá trị yêu cầu 2.5, chỉ ra rằng cấu trúc vẫn có đủ độ ổn định tổng thể dưới ảnh hưởng của phi tuyến hình học. Ngoài ra, kiểm tra độ ổn định cục bộ của các bộ phận chính như thân tháp và tay đòn. Tỷ lệ độ mảnh chuẩn hóa của từng thành phần được tính toán, và kết quả cho thấy tỷ lệ độ mảnh chuẩn hóa tối đa là 0.85, nhỏ hơn giá trị tối đa cho phép của 1.0, chỉ ra rằng độ ổn định cục bộ của các thành phần đáp ứng các yêu cầu thiết kế.
5. Nghiên cứu trường hợp kỹ thuật về tháp truyền tải chịu gió cường độ cao
5.1 Tổng quan dự án
Để kiểm chứng hiệu quả ứng dụng thực tế của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao, chương này lấy dự án truyền tải điện 220kV ở khu vực ven biển thường xuyên bị bão ở miền nam Trung Quốc làm ví dụ. Dự án tọa lạc tại một thành phố ven biển có tốc độ gió trung bình hàng năm khoảng 6.8 m/s và tốc độ gió cơ bản là 45 Cô (50-thời gian hoàn trả năm). Các tháp truyền tải truyền tải truyền thống được sử dụng trong giai đoạn đầu của dự án thường xuyên bị hư hại do ảnh hưởng của bão, dẫn đến mất điện thường xuyên và thiệt hại lớn về kinh tế. Để giải quyết vấn đề này, dự án đã quyết định sử dụng tháp truyền tải chịu gió cường độ cao ở các đoạn trọng điểm. Tổng chiều dài của dự án là 35 km, liên quan đến 56 Tháp ống thép chịu gió cường độ cao có chiều cao từ 55m đến 70m, bao trùm các vùng đồng bằng miền núi và ven biển.
Các yêu cầu thiết kế cốt lõi của dự án như sau: (1) Tháp truyền tải phải chịu được tải trọng gió cực lớn tương ứng với chu kỳ 100 năm (tốc độ gió cơ bản 55 Cô); (2) So với tháp truyền thép Q235 truyền thống, trọng lượng kết cấu giảm đi hơn 15%, và chi phí dự án được kiểm soát trong 8% của sơ đồ truyền thống; (3) Tuổi thọ của kết cấu tháp không nhỏ hơn 50 năm, và chi phí bảo trì hàng năm giảm hơn 20%; (4) Thời gian xây dựng được rút ngắn hơn 10% thông qua công nghệ lắp ráp đúc sẵn.
5.2 Thiết kế và thi công tháp truyền tải chống gió cường độ cao
5.2.1 Tối ưu hóa sơ đồ thiết kế
Kết hợp với đặc điểm tải trọng gió cục bộ và điều kiện địa hình, dự án áp dụng cấu trúc tháp ống thép thon. Thân tháp sử dụng thép cường độ cao Q500 giúp nâng cao khả năng chịu lực tổng thể, và tay đòn sử dụng thép cường độ cao Q420 với thiết kế tiết diện kiểu hộp, giúp giảm hệ số tải trọng gió một cách hiệu quả đồng thời cải thiện độ cứng kết cấu. Kết nối nút thông qua kết nối bu lông mặt bích cường độ cao, không chỉ đảm bảo cường độ kết nối mà còn cải thiện hiệu quả lắp đặt tại chỗ. Ngoài ra, nhằm giải quyết vấn đề rung động do gió gây ra ở vùng ven biển, bộ giảm chấn khối lượng được điều chỉnh (TMD) được lắp đặt trên đỉnh tháp và cuối các cánh tay chéo, và các thiết bị chống phi nước đại được lắp đặt trên dây dẫn để triệt tiêu rung động phi nước đại và xoáy gây ra.
Trong tính toán tải trọng gió, dự án tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu của GB 50009-2012 “Mã tải trọng trên kết cấu tòa nhà” và GB 50545-2010 “Quy chuẩn thiết kế đường dây truyền tải trên không 110kV～750kV”. Áp lực gió cơ bản được tính bằng 0,5×1,225×452 = 123.94 kPa. Mô hình phần tử hữu hạn ba chiều của hệ thống tháp truyền tải được thiết lập để thực hiện tính toán tĩnh, phân tích động và ổn định. Kết quả phân tích cho thấy dưới tốc độ gió cơ bản của 45 Cô, ứng suất lớn nhất của thân tháp là 286 MPa (nhỏ hơn cường độ năng suất của thép Q500 500 MPa), độ dịch chuyển tối đa là 0,65m (trong giới hạn dịch chuyển cho phép của 1/100 chiều cao tháp), và hệ số an toàn ổn định là 3.5, đáp ứng đầy đủ yêu cầu thiết kế.
5.2.2 Công nghệ xây dựng và quản lý chất lượng
Dự án áp dụng công nghệ thi công lắp ghép tiền chế. Tất cả các thành phần thân tháp, cánh tay chéo và các nút được chế tạo sẵn trong nhà máy với sai số độ chính xác xử lý được kiểm soát trong phạm vi ± 2 mm. Các cấu kiện đúc sẵn được vận chuyển đến công trường bằng xe chuyên dụng có biện pháp bảo vệ chống va đập và chống ăn mòn. Việc thi công tại chỗ được thực hiện theo trình tự thi công phần móng, lắp ráp thân tháp, lắp đặt cánh tay chéo, Gỡ lỗi thành phần chống gió và lắp đặt dây dẫn.
Đang trong giai đoạn thi công nền móng, Móng cọc khoan bê tông cốt thép được sử dụng để thích ứng với đặc điểm đất yếu vùng ven biển, và khả năng chịu lực của từng móng được kiểm tra đảm bảo đáp ứng yêu cầu thiết kế. Trong quá trình lắp ráp thân tháp, cần cẩu bánh xích được sử dụng để nâng, và các bu lông kết nối mặt bích được siết chặt bằng cờ lê lực để đảm bảo mômen xoắn đạt tiêu chuẩn (450 N·m cho bu lông cường độ cao M24). Sau khi cài đặt TMD và các thiết bị chống phi mã, Các thử nghiệm động tại chỗ được thực hiện để điều chỉnh các thông số của bộ giảm chấn nhằm đạt được hiệu quả kiểm soát độ rung tối ưu. Toàn bộ quá trình thi công thực hiện giám sát chất lượng trọn gói, bao gồm kiểm tra kích thước thành phần, kiểm tra mô-men xoắn bu lông và phát hiện sự liên kết cấu trúc.
Thời gian xây dựng thực tế của 56 tháp truyền tải chống gió cường độ cao là 120 ngày, đó là 16% ngắn hơn dự kiến 143 ngày của chương trình truyền thống, xác minh lợi thế hiệu quả của công nghệ lắp ráp đúc sẵn.
5.3 Đánh giá hiệu quả ứng dụng
5.3.1 Đánh giá hiệu suất kết cấu
Sau khi hoàn thành dự án, việc giám sát tại chỗ kéo dài một năm đã được thực hiện trên các tháp truyền tải chính, bao gồm cả tốc độ gió, giám sát ứng suất và chuyển vị kết cấu. Trong thời gian giám sát, Bão Kompasu đi qua khu vực dự án, với tốc độ gió tức thời tối đa là 52 Cô. Kết quả quan trắc cho thấy ứng suất cực đại của thân tháp dưới tác động của bão là 312 MPa, phù hợp với kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn (308 MPa), và không có biến dạng dẻo hoặc hư hỏng thành phần. Độ dịch chuyển tối đa là 0,78m, nằm trong phạm vi cho phép. So với các tháp truyền tải truyền thống liền kề, biên độ dao động của tháp chống gió cường độ cao giảm đi 23% dưới cùng một tải trọng gió, chỉ ra rằng hệ thống kiểm soát độ rung TMD có tác dụng đáng kể.
5.3.2 Phân tích lợi ích kinh tế
Lợi ích kinh tế của dự án được đánh giá trên ba khía cạnh: chi phí xây dựng ban đầu, chi phí vận hành, bảo trì và tổn thất do mất điện. Kết quả thống kê cho thấy: (1) Đơn giá của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao là 18% cao hơn so với tháp truyền thống, nhưng do giảm trọng lượng kết cấu và quy mô nền móng, Tổng chi phí xây dựng của dự án chỉ 4.2% cao hơn so với chương trình truyền thống; (2) Chi phí bảo trì hàng năm của tháp thép cường độ cao là 25% thấp hơn so với tháp truyền thống do khả năng chống ăn mòn tốt và cấu trúc ổn định; (3) Kể từ khi hoàn thành dự án, không có sự cố mất điện do hư hỏng tháp, và tổn thất do mất điện đã giảm đi 85% so với cùng kỳ trước khi chuyển đổi. Tính toán tổng hợp cho thấy thời gian thu hồi vốn đầu tư của phương án tháp chắn gió cường độ cao là 6.3 năm, với những lợi ích kinh tế lâu dài đáng kể.
5.3.3 Đánh giá lợi ích xã hội
Việc ứng dụng tháp truyền tải chống gió cường độ cao đã đạt được lợi ích xã hội vượt trội. Một mặt, đảm bảo lưới điện địa phương vận hành an toàn, ổn định, đáp ứng nhu cầu điện năng của 230,000 cư dân và 120 doanh nghiệp công nghiệp, và cung cấp nguồn điện đáng tin cậy cho sự phát triển kinh tế địa phương. Mặt khác, việc giảm tình trạng mất điện giúp cải thiện cảm giác an toàn và hài lòng của người dân đối với các dịch vụ cung cấp điện. Ngoài ra, Công nghệ lắp ráp đúc sẵn giúp giảm tiếng ồn và ô nhiễm bụi khi xây dựng tại chỗ, và việc sử dụng thép cường độ cao làm giảm lượng tiêu thụ thép 17%, phù hợp với chiến lược phát triển xanh và carbon thấp quốc gia.
6. Kết luận và triển vọng
6.1 Kết luận chính
Bài báo tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về nghiên cứu phát triển tháp truyền tải điện chịu gió cường độ cao, và rút ra những kết luận chính sau đây thông qua phân tích lý thuyết, mô phỏng phần tử hữu hạn và thực hành kỹ thuật:
(1) Tính chất cơ học của thép cường độ cao (Q420, Q500, Q690) cung cấp nền tảng vật liệu vững chắc cho việc thiết kế tháp truyền tải chống gió. So với thép thông thường, thép cường độ cao có cường độ năng suất và độ bền kéo cao hơn, và độ bền mỏi và độ bền va đập tốt, có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của kết cấu và giảm trọng lượng. Tính toán chính xác tải trọng gió (bao gồm cả việc xác định tốc độ gió cơ bản, tính toán áp lực gió cơ bản và lựa chọn hệ số tải trọng gió) và nắm bắt các nguyên tắc ổn định cấu trúc (Sự ổn định tổng thể và cục bộ) là tiền đề lý thuyết cốt lõi của thiết kế.
(2) Các công nghệ thiết kế chủ chốt như tối ưu hóa hình thức kết cấu, ứng dụng vật liệu cường độ cao, Thiết kế thành phần chống gió và tối ưu hóa trọng lượng nhẹ là phương tiện hiệu quả để cải thiện khả năng chống gió của tháp truyền tải. Thân tháp thon, Kết nối mặt bích và cánh tay đòn kiểu hộp có thể cải thiện độ cứng kết cấu và giảm tải trọng gió; việc lựa chọn hợp lý các loại thép cường độ cao và ứng dụng vật liệu composite có thể cân bằng giữa hiệu suất và tính kinh tế; TMD, thiết bị chống phi nước đại và các bộ phận chống gió khác có thể triệt tiêu hiệu quả rung động do gió gây ra; việc tối ưu hóa các mặt cắt thành phần và đơn giản hóa cấu trúc có thể đạt được các mục tiêu nhẹ.
(3) Kết quả phân tích phần tử hữu hạn cho thấy tháp truyền tải chịu gió cường độ cao có hiệu suất kết cấu tuyệt vời. Dưới tốc độ gió cơ bản của 30-50 Cô, ứng suất tối đa nhỏ hơn giới hạn chảy của thép cường độ cao, và độ dịch chuyển nằm trong phạm vi cho phép. Phân tích phương thức và phân tích phản ứng rung do gió gây ra cho thấy rằng việc lắp đặt TMD có thể làm giảm ứng suất động và độ dịch chuyển của kết cấu nhiều hơn 17%. Phân tích ổn định cho thấy kết cấu có đủ ổn định tổng thể và ổn định cục bộ, và hệ số an toàn đáp ứng yêu cầu thiết kế.
(4) Nghiên cứu trường hợp kỹ thuật xác minh tính khả thi và tính ưu việt của tháp truyền tải chịu gió cường độ cao. Công trình 220kV ven biển cho thấy tháp chắn gió cường độ cao có thể chịu được tải trọng bão cực lớn, có ưu điểm là thời gian thi công ngắn, chi phí bảo trì thấp và lợi ích kinh tế và xã hội đáng kể, và cung cấp kinh nghiệm thực tế cho việc quảng bá và ứng dụng các tháp như vậy ở những khu vực có tốc độ gió cao.
6.2 Hạn chế nghiên cứu
Mặc dù bài viết này đã đạt được những kết quả nghiên cứu nhất định, vẫn còn những hạn chế sau: (1) Việc nghiên cứu tính chất cơ học của thép cường độ cao chủ yếu dựa trên các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, và hiệu suất lâu dài (Mệt mỏi, ăn mòn) tháp truyền thép cường độ cao trong điều kiện sử dụng thực tế (tải gió xen kẽ, ăn mòn khí quyển biển) cần theo dõi và nghiên cứu thêm tại chỗ; (2) Mô hình phần tử hữu hạn đơn giản hóa một số thành phần nhỏ và chi tiết kết nối, có thể dẫn đến sai lệch nhỏ giữa kết quả mô phỏng và hiệu suất kết cấu thực tế; (3) Trường hợp kỹ thuật được giới hạn ở các dự án ven biển 220kV, và hiệu quả ứng dụng của tháp truyền tải chống gió cường độ cao trong các dự án UHV và các khu vực núi cao và vùng cao cần được xác minh thêm; (4) Việc nghiên cứu vật liệu composite chủ yếu mang tính lý thuyết, và công nghệ ứng dụng quy mô lớn cũng như kiểm soát chi phí vật liệu composite trong tháp truyền tải cần phải được đột phá hơn nữa.
6.3 Hướng nghiên cứu trong tương lai
Xuất phát từ những hạn chế về nghiên cứu và nhu cầu phát triển của ngành điện, Các hướng nghiên cứu trong tương lai về tháp truyền tải chịu gió cường độ cao được đề xuất như sau:
(1) Tăng cường nghiên cứu về hiệu suất lâu dài và dự đoán cuộc sống. Thực hiện giám sát theo dõi dài hạn các tháp truyền tải chịu gió cường độ cao trong các môi trường khác nhau, nghiên cứu quy luật tiến hóa tính năng kết cấu dưới tác dụng tổng hợp của tải trọng gió, ăn mòn và mệt mỏi, và thiết lập mô hình dự đoán cuộc sống dựa trên khớp nối đa yếu tố.
(2) Cải thiện độ chính xác của mô phỏng phần tử hữu hạn. Xét ảnh hưởng của tính phi tuyến của vật chất, độ cứng kết nối và chi tiết cục bộ về hiệu suất kết cấu, thiết lập một mô hình phần tử hữu hạn tinh tế hơn, và kết hợp các thử nghiệm trong hầm gió để nâng cao độ tin cậy của kết quả mô phỏng. Khám phá ứng dụng công nghệ song sinh kỹ thuật số trong thiết kế tháp truyền tải và giám sát vận hành để thực hiện quản lý kết cấu động theo thời gian thực.
(3) Mở rộng phạm vi ứng dụng và điều chỉnh kịch bản. Phát triển công nghệ tháp truyền tải chịu gió cường độ cao phù hợp cho UHV, điện gió ngoài khơi và các dự án khác, tối ưu hóa sơ đồ thiết kế theo các điều kiện môi trường khác nhau (độ cao, vùng lạnh), và thúc đẩy ứng dụng quy mô lớn các công nghệ chống gió cường độ cao trong lưới điện.
(4) Đẩy mạnh đổi mới, ứng dụng vật liệu mới, công nghệ mới. Đẩy mạnh nghiên cứu chi phí thấp, Vật liệu composite hiệu suất cao và công nghệ kết nối của chúng với kết cấu thép; phát triển các bộ phận chống gió thông minh như TMD thích ứng và hệ thống kiểm soát rung động chủ động để cải thiện hơn nữa hiệu quả kiểm soát rung động do gió gây ra.
(5) Hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn và dây chuyền công nghiệp. Tóm tắt kết quả nghiên cứu và kinh nghiệm kỹ thuật, xây dựng bộ tiêu chuẩn thiết kế và thông số kỹ thuật xây dựng hoàn chỉnh cho tháp truyền tải chịu gió cường độ cao, nâng cao năng lực sản xuất linh kiện đúc sẵn, và thúc đẩy công nghiệp hóa và tiêu chuẩn hóa công nghệ tháp truyền tải chống gió cường độ cao.
Người giới thiệu
[1] GB 50009-2012, Mã tải trọng trên kết cấu tòa nhà[S]. Bắc Kinh: Kiến trúc Trung Quốc & báo chí xây dựng, 2012.
[2] GB 50545-2010, Quy chuẩn thiết kế đường dây truyền tải trên không 110kV～750kV[S]. Bắc Kinh: Kiến trúc Trung Quốc & báo chí xây dựng, 2010.
[3] Lee J, Vương Y, Trương L. Nghiên cứu khả năng chịu gió của tháp truyền tải thép cường độ cao[J]. Tạp chí Nghiên cứu Thép Xây dựng, 2018, 145: 123-132.
[4] Trương H, Lý Ý, Lưu J. Phân tích phần tử hữu hạn của dao động do gió gây ra của tháp truyền tải có bộ giảm chấn khối lượng được điều chỉnh[J]. Kết cấu kỹ thuật, 2019, 198: 109567.
[5] Chen W, Trương X, Vương Z. Ứng dụng vật liệu composite trong tháp truyền tải chịu gió[J]. Vật liệu tổng hợp Phần B: kỹ thuật, 2020, 185: 107789.
[6] ASCE 7-16, Tải trọng thiết kế tối thiểu và tiêu chí liên quan cho tòa nhà và các kết cấu khác[S]. Reston, VA: Hiệp hội kỹ sư xây dựng Hoa Kỳ, 2017.
[7] JIS G 3106: 2015, Thép tấm cán nóng, tấm và dải cho mục đích kết cấu chung[S]. Tokyo: Hiệp hội Tiêu chuẩn Nhật Bản, 2015.
[8] Vương L, Trần Y, Li Z. Ứng dụng kỹ thuật tháp truyền tải chịu gió cường độ cao vùng ven biển[J]. Công nghệ hệ thống điện, 2021, 45(3): 1123-1131.
[9] Lưu H, Trương Y, Vương J. Nghiên cứu thử nghiệm hầm gió về phân bố tải trọng gió của hệ thống tháp truyền tải[J]. Tạp chí Kỹ thuật Gió và Khí động lực học Công nghiệp, 2017, 168: 102-110.
[10] Triệu J, Li M, Trương Q.. Thiết kế tối ưu hóa trọng lượng nhẹ tháp truyền tải thép cường độ cao dựa trên thuật toán di truyền[J]. Tối ưu hóa cấu trúc và đa ngành, 2022, 65(4): 126.
