《高压输电塔的结构设计和优化》
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[摘 要]高压输电塔线体系是当前最主要的输电形式,与其他的能源输送方式相比,高压输电具有输送容量大,能源损耗少等优点.进行必要的结构设计可以更好的帮助高压输电塔的长久工作.
[关键词]高压输电塔；结构设计；模型实验；
中图分类號：G63 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）07-0156-01
1.研究背景
高压输电塔线体系是当前最主要的输电形式,与其他的能源输送方式相比,高压输电具有输送容量大,能源损耗少等优点.在电网的建设当中,输电杆塔的投入高达30%,钢材用量十分巨大.输电塔需要承受风荷载,水流动荷载,电线的拉荷载等.尤其在冰雪、地震等自然灾害方面,要有足够的强度保证正常运行.故在输电杆塔结构上的设计和优化显得十分重要.
2.模型尺寸与制作要求
2.1模型尺寸要求
（b） 立面图（单位：cm） （c） 俯视图（单位：cm）
图1 模型尺寸示意图
2.2模型制作要求
1）输电塔采用格构式结构；
4）输电线与输电塔的连接点的悬挑长度l不得2）下部净空尺寸要求：底层中部空间能容纳一个底面直径250mm、高700mm的圆锥；
3）1和5号输电线与输电塔的连接点为同一点（即a点）,2和6号输电线与输电塔的连接点为同一点（即b点）,3和7号输电线与输电塔的连接点为同一点（即c点）,4和8号输电线与输电塔的连接点为同一点（即d点）；
小于90mm；
5）除竖向高度外,模型其他尺寸精度要求为±3mm；
6）加载点a、b、c、d处竖向配重各2 kg.
3.设计要点
1）结构体系组成不尽合理,就普通塔形来说,一般有空间桁架结构,并且要考虑杆件的小变形因素,所以制作模型要进一步考虑施工方便与简单.
2）模型设计存在几何相似难以实现的问题,模型做得再精确,也会与原型有所差别,所以再制作时要最大化的精确模型尺寸.
3）制作模型的材料好坏、是否有裂缝等原因可能对模型的加载成果有影响,所以要准确判别加载破坏的原因.
4）为实现经济效率的最大化,应充分考虑荷质比.
4.结构体系（桁架受力体系）
4.1结构特征
杆件受力均以单向拉、压为主,通过对上下弦杆的合理布置,可抵抗结构内部的弯矩和剪力对模型的影响.由于拉条与拉条之间承受的大部分的拉力和弯矩,所以拉条起到了约束作用.以此为思路,设计出该模型该简单受力的受力体系.
4.2受力特征
再本次加载中,无论是工况一加载还是工况二加载,对模型都会产生较大的扭矩,而杆件抵抗扭矩的能力并不是很优秀,所以再模型中布置大量的拉条,拉条与拉条之间相互约束,相互作用,可以抵抗或者减少扭矩对模型的影响,同时再加载中,模型上半部分所受的力会较大,所以上半部分的杆件尺寸可以加强,而下部分适当减少尺寸,减轻重量.
4.3造型特色说明
本结构采取经典的桁架结构,本模型的结构中杆件基本都以拉、压为主,通过拉条与杆件的合理布置,可以很好的抵抗扭矩、剪力对模型的影响,并对重要节点处进行特殊处理,加强节点的稳固性,对跨度较大杆件都进行多分段的分担,增强杆件利用率和强度.
图2 节点详图
5.结构建模及主要计算参数
5.1分析假定
①结构模型仅仅平放在加载台上,根据其约束情况,在结构分析模型中,与地面连接的节点的约束取为理想的固定铰支座约束.
②所有结构构件均在弹性范围内工作,即计算时不考虑结构的材料非线性.
工况1—对1、2、3和4号输电线通过滑轮施加单向水平荷载, 1和2号荷载值均为35N,3和4荷载值均为25N,考察结构受力情况以及变形情况,进行初步的判断结构可能存在的问题.
工况2--对1和6号以及3和8号输电线施加水平荷载,1和6号荷载值均为35N,3和8荷载值均为25N,考察结构受力情况以及变形情况,进行初步的判断结构可能存在的问题.
5.2材料特性、几何模型
5.3静力荷载参数
分别将25N与35N的力按要求分配在要求的节点上
5.4有限元模型的建立
对于本结构中,竹皮做成的杆件相互连接构成基本的框架,辅以拉条,竹条等用来完善稳定和加强模型的荷载能力,相互之间用502胶水连接,杆杆之间在实际过程中会发生弹性变形,不过变形较少且对整体影响不大,可以近似看做刚接,模型整体为多次超静定结构,人工计算会比较繁琐,所以我们用迈达斯建模进行分析,后再经过实物验证其可靠性.
6.结构内力与变形分析
我们结构内力分析是在有限元分析程序迈达斯中进行的,通过以上参考值、结构形式以及对截面的设计在迈达斯中定义,得出较准确的内力与变形分析.
6.1工况一对模型的影响
在对模型单独工况一的情况下,主要研究模型的单向承受荷载能力,运用软件分析功能,得出模型的变形等值线、桁架内力图、应力图,并对此进行分析.
分析总结：可以综合看出顶端的位移最大,特别是突出的杆端部分,计算处的数值约为3cm,模型没有崩溃,满足模型基本工作要求；有弯矩内力图可知,最大弯矩为1.02N*mm,满足模型要求；同时,拉力基本分布在交叉的部分,所以在这一部分可以使用拉条代替,在结合考虑压应力图分析,设计主要杆件尺寸.
6.2工况二对模型的影响
工况二的情况主要研究模型的抗扭转的能力,比较符合实际情况,高压输电塔被破坏的原因往往也是其扭转的能力不够.
分析总结：由分析结果可以知道,节点最大位移在顶端突出两根杆相交的节点处,此处的节点位移为10mm,为控制此处的节点位移,我们可以适当增加此处的杆件尺寸,此荷载情况下,扭矩对模型的影响最大,大约为37N*mm左右,没有出现大扭矩的情况,可以佐证结构的合理性,从工况二的拉应力图可以看出,受拉还是主要在交叉的杆件上,自然会用拉条进行代替,以减少交叉杆件的难操作性.
7、真实模型的实验情况
计算机软件做模拟计算难以真实还原实际情况,易导致实验出现偏差,使实验准确度降低.故需用实物模型进行实验,如此可以有效验证结构的合理性,直观看出模型优缺点且操作简单花费少.
图5 首次破坏节点图
实验结论：在刚开始的实验中,因为杆件不能承受扭矩或剪力,造成杆件的破坏,通过适当加大杆件的尺寸就可以解决这个问题,而后无论是工况一还是工况二的情况下,模型都没发生崩溃的情况,无论是通过工况一还是工况二都可以明显看见模型的变形,不过模型没发生过度变形,表明结构足够的稳定,并能保持较长时间的稳定,虽然与建模分析有所差别,但差别在允许误差内,所以可以间接证明这个结构是可行的.
8、结语
高压输电行业蓬勃发展,合理优化高压输电塔结构,减少钢材使用势在必行.此外,完善国内高压输电体系,保障高压输电生命线,于人于己都意义非凡.
基金项目
佛山科学技术学院学生学术基金《高压输电塔结构模型的设计与优化》,项目编号：gg08503.
此文结论,这是适合不知如何写高压输电和高压输电塔和结构设计方面的结构设计专业大学硕士和本科毕业论文以及关于结构设计论文开题报告范文和相关职称论文写作参考文献资料.
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