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SMA-UTMD对输电塔-线体系抗震性能的影响

日期:2023年12月11日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:78
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202312081029279940 论文字数:35625 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文,本文以在中国东北地区某500kV输电塔为例,采用有限元分析软件ABAQUS建立了输电单塔和双塔三线的三维模型,采用形状记忆合金U型调谐质量阻尼器(SMA-UTMD)对输电塔-线体系进行减震控制

第1章 绪

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.1.1 研究背景

输电塔-线体系是一个由杆塔、基础、导地线和绝缘子串以及连接金具等多个部件组成的复杂的空间耦合系统。输电塔-线体系由多个输电塔通过导线相互连接而成,其中导地线和避雷线等柔性材料的存在,使得输电塔-线体系表现出很强的非线性特征。输电塔通常具有较低的自振频率和较小的阻尼比,因此当受到动态激励如风荷载和地震作用时,输电塔-线体系会发生较大的动态响应[1]。

输电塔是输电塔-线体系中至关重要的承重构件,需要具备较好的抗震性能,以确保其能够抵御地震冲击。虽然在现有的设计规范中考虑了地震作用的影响,但输电塔在数次地震灾害中遭受到严重的破坏甚至倒塌的现象屡见不鲜。1994年,美国Northridge地震,数座输电塔倒塌,导致城市大面积停电,日常生活长时间中断[2]。1999年台湾集集大地震造成了南北电网连接被打断,大量输电线路受损,包括高压线路、变电站和输电塔等。由于南部电力无法传输到北部,导致彰化以北的地区完全停电。损失严重的输电线路共有67条,台湾电力系统由此造成的经济损失高达数十亿元[3]。2008年汶川大地震严重破坏了四川省的输电线路,110千伏的线路倒塔数量达到了20多座,其中北川县的倒塔数量最多,达到了12座,局部损坏16座。其他县市的输电线路也遭受了不同程度的损坏,导致部分地区长时间停电。此外,地震还造成了通信中断、道路封闭等问题,给灾区的救援和重建工作带来了极大的困难[4]。2013年雅安地震导致的输电线路损坏情况相当严重,受损线路总数达到224条[5]。2017年发生在九寨沟的地震导致阿坝州的35kV和110kV输电线路停运,约有2000户居民遭受停电影响,周边地区的电力供应也受到了一定的影响[6]。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 形状记忆合金阻尼器研究现状

SMA(形状记忆合金)是一种能够承受10%量级的大的可恢复应变,同时产生磁滞的材料。这种被称为假弹性或超弹性的独特现象,加上其有趣的热机械对应物-形状记忆效应(SME),使其成为各种领域研究人员的一种有吸引力的材料。

近年来,形状记忆合金在地震控制问题领域引起了广泛关注,并取得了一定的研究进展。当温度高于奥氏体终止温度极限,SMA显示出超弹性行为,能够恢复大变形并同时耗散输入能量。在地震应用中使用SMA的潜力可以追溯到1991年Graesser和Cozzarelli的研究,该研究很好地展示了SMA的优势和本构模型[8]。从那时起,各种类型的基于SMA的阻尼器被提出,1995年,Rober等人成功开发了一种利用形状记忆合金制成的中心减震器[9],同年Peter W. Clark等研究人员也设计了一种形状记忆合金阻尼器,并将其应用于结构的振动控制[10]。

在桥梁方面,2014年Zhu和Qiu年发现基于SMA的阻尼器可有效控制桥面和桥墩之间的相对位移,并避免桥面板的脱位风险[11]。对于建筑结构,2007年McCormick等人发现安装SMA阻尼器不仅可以很好地控制位移和加速度,还可以显著减轻残余变形[12]。2015年Faroughi和2018年Santos利用SMA的温度敏感性开发了基于SMA的主动阻尼器,以智能减少结构的振动[13-14]。2015年Lobo和2018年Huang分别研究了基于SMA的半主动阻尼器的性能,该阻尼器可以通过实时调整SMA的刚度,在更宽的频率范围内提供可比的振动控制能力,以更有效的方式实现控制[15-16]。

第2章 输电塔-线体系非线性动力响应模拟分析

2.1 输电单塔及输电塔-线体系有限元模型

选取工程实际中东北地区某500kV的超高压输电塔,图2-1为输电塔线体系的实际工程图,该输电塔的总高度为74m,呼称高度为57m,根开为21.26m,如图2-2所示。如表2-1所示输电塔主材由Q420等边角钢构成,支撑塔架的斜材和辅材采用Q345和Q235等边角钢,弹性截面为206GPa,密度为7860kg/m3,泊松比为0.3,角钢型号如表2-2所示。输电塔-线体系跨度为200m,导线、地线与输电塔之间由悬挂的绝缘子串连接,地线位于最上层,下层为三根四分裂导线,分裂导线型号为A3/S3A-732/92,地线型号为GJ-240,导线与地线的规格及性能指标如表2-3所示。绝缘子串为4×420KN四联耐张绝缘子串,其全长8145mm,总重2871kg,间隔棒型号为FJZ-500/732,外型尺寸为500mm×500mm

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2.2 输电单塔及双塔三线的模态分析

研究输电塔抵御地震荷载其他动荷载的能力时,由于输电塔结构的动态响应仅与其固有特性有关,需要首先掌握输电塔结构的动态特性,主要包括塔的结构周期、频率、阻尼比和振型形状等,以及结构的类型、质量、刚度、材料性能和结构连接等因素,这些特性反映了输电塔固有的动力性能。当结构受到接近自身频率的载荷时,可能发生共振现象,因此需要合理调整结构的刚度和质量,以避免结构在外部激励下发生共振。同时,分析输电塔结构的动力特性能够帮助确定结构的刚度和质量是否合理,以避免结构刚度过低或周期类似建筑物。因此,分析输电塔-线体系在外力作用下的固有振动特性具有十分重要的意义。

动态特性分析(也称为模态分析)可以确定结构的自然振动特性,并且是结构动态时程分析,振动分析和频域分析的基础。输电塔的基本动力特性主要包括结构的固有频率和模态,这与结构系统的组成有关。输电塔的基本动力特性主要包括结构的固有频率和模式,这与结构系统的组成,材料特性和导线布置位置有关,模态分析的实质是计算结构的特征值。

第3章 SMA-UTMD 的优化设计及在输电塔-线体系中的抗震作用 .................... 30

3.1 SMA-UD模拟对照实验 ..................... 30

3.2 SMA-UTMD 的有限元建模及参数分析 .................... 33

3.3 SMA-UTMD 在输电塔-线体系中的减震效果分析 .................... 36

第4章 温度变化对 SMA-UTMD 地震控制效果的影响 .................. 46

4.1 温度变化对输电塔-线体系的影响 ................. 46

4.2 温度变化对 SMA-UTMD 的影响 ............................ 48

4.3 温度变化对 SMA-UTMD 地震控制效果的影响 ...................... 50

结论与展望 ........................... 56

第4章 温度变化对SMA-UTMD地震控制效果的影响

4.1 温度变化对输电塔-线体系的影响

输电线路的弧垂直接决定了输电线路的张力状态,与塔线系统的刚度和整个系统的动力特性密切相关。研究发现,随着温度的升高,导(地)线的长度会发生变化,弧垂与环境温度呈正相关。输电线路的总应变包括弹性应变和热应变。假设输电线路的制造长度一定,可通过弧垂状态方程计算输电线路的温度相关水平应力。

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设计过程中使用的温度和正常运行时假设的温度通常为20°C,对应导线和接地线最低点产生的应力分别为50.85MPa和78.27MPa。根据温度为20°C时的结果,输电线在温度-40°C至40°C,间隔为10°C时的水平应力和最大弧垂分别如图4-1和图4-2所示。结果表明,随着温度的降低,导线、地线的水平应力不断增大,而最大弧垂随温度的降低而减小,导线和地线的变化趋势基本一致。从图4-1还可以看出,地线的应力相对于导线的应力对温度的变化是敏感的。

由于输电塔-线体系跨度大,且具有很大的柔性,在外界荷载作用下容易发生非线性振动。这种非线性源于几何变化,其特点是位移大而应变小,导地线对温度变化很敏感。随着温度的降低,输电线路的弧垂减小,从而导致形状的变化。考虑到输电塔与导地线的耦合效应,只要导地线的几何形状发生变化,就会影响输电塔-线体系的动态特性。因此,输电塔-线体系的动态特性取决于环境温度,需要进行特征值分析以量化变化的程度。

结论与展望

结论

输电塔-线体系是重要的生命线工程之一,随着电网建设的不断推进,输电塔-线体系的高度和跨度也在不断增加,地震灾害将会对输电线路的安全运行产生更加严重的影响。因此,对于输电塔-线体系的地震控制研究具有非常重要的意义,可以保障输电线路在地震作用下的正常运行和安全性。本文以在中国东北地区某500kV输电塔为例,采用有限元分析软件ABAQUS建立了输电单塔和双塔三线的三维模型,采用形状记忆合金U型调谐质量阻尼器(SMA-UTMD)对输电塔-线体系进行减震控制。研究了四种不同地震波下SMA-UTMD对输电塔-线体系的地震控制效果,分析了几何参数变化对SMA-UTMD力学性能的影响,对比分析不同安装位置和不同温度下SMA-UTMD对输电塔-线体系的地震控制效果。本研究得到的结论总结如下:

(1)输电塔和导线耦合构成了新的结构体,其动力特性与单塔动力特性存在本质差异,忽略塔线耦合效应,通过对输电单塔的分析来考虑输电塔-线体系中塔的动力特性会带来较大误差。输电塔-线体系的地震响应因地震波的不同而不同,在相同的地震波作用下,输电塔-线体系的塔顶峰值加速度和峰值位移沿塔的高度方向逐渐增加。

(2)通过ABAQUS软件建立多种尺寸模型,分析参数变化对SMA-UTMD力学性能的影响。结果表明SMA