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大跨越输电塔—线体系动力特性和风振控制研究

作 者: 尹鹏
导 师: 方秦汉;李黎
学 校: 华中科技大学
专 业: 结构工程
关键词: 大跨越输电塔-线体系 模态识别 橡胶铅芯阻尼器 风向角 风振控制 时程分析 风荷载调整系数 动力可靠度
分类号: TU311.3
类 型: 博士论文
年 份: 2009年
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内容摘要


发展特高压输电技术是国家“十一五”期间的重大技术政策,是电力与土木领域赶超世界先进水平的攀登计划,特高压输电线路的建设对我国经济的持续发展将产生重大作用。输电塔-线体系作为特高压输电线路的支撑体,它是由导线、绝缘子和输电塔组成的具有强烈非线性的复杂耦联体系,而大跨越则是特高压输电线路中跨越大江大河的塔-线体系。由于大跨越输电塔是一种高耸柔性结构,对风荷载等动荷载比较敏感,易产生较大的动力响应。对大跨越输电塔-线体系进行振动控制研究是电力工程与土木工程界一个重要的研究课题,既有其重要的理论意义,又有其重要的经济价值。本文的研究主要在大跨越输电塔-线体系的动力特性,风荷载特性和数值模拟,橡胶铅芯阻尼器的研发和布置方法,风振控制,风控效果的敏感性和验证,地震响应等方面开展,希望能给出在工程实际运用时大跨越输电塔的动力特性计算和风振控制方法的合理选择指引。主要工作包括以下方面:(1)研究了大跨越输电塔-线体系进行精细建模的方案,着重分析了对杆件和节点的不同处理对计算分析结果的影响。提出了基于模态识别技术提取大跨越输电塔-线体系中塔架第一周期的方法,归纳了考虑导(地)线及绝缘子的刚度和质量的影响后,大跨越干字型塔和酒杯塔的第一周期近似公式。研究了两种模型(简化导线体系模型与分裂导线模型)中塔架的自振周期和振型之间的差异,证明了可以用简化导线体系模型来代替分裂导线体系模型,进行各种动力响应分析。(2)编制了空间相关的风速场模拟程序WVFS,生成了设计风速下风荷载的时程样本。在精确模拟的基础上,对风场模拟结果进行了误差分析,推导了一个风场样本的均值、相关函数、功率谱函数、根方差等概率统计量的时域估计表达式。将由该风场产生的动位移与按电力设计规程简化计算方法产生的静位移进行了比较,证明了空间相关风速场的数值模拟是合理的。(3)研发了橡胶铅芯阻尼器,介绍了其工作原理和细部构造。通过对橡胶铅芯阻尼器进行性能试验,得到了加载频率、应变幅值和铅芯直径等因素对橡胶铅芯阻尼器性能的影响,对阻尼器的耐久性能进行了说明,推导了阻尼器各个参数的计算公式。研究了阻尼器的位置优化方法,并提出了具体安装方案。设计了实际工程中阻尼器的连接和安装方法,并讨论了阻尼器对主体结构的影响。(4)进行了橡胶铅芯阻尼器控制前后不同风向角的动风下大跨越输电塔-线体系的动力响应计算,分析了各控制点位移和各控制钢管内力的控制效果。研究表明:阻尼器控制后大跨越输电塔-线体系的位移、内力响应均大幅降低;各风向角动风作用下均会引起大跨越输电塔-线体系的横线向和顺线向振动;同时,位移响应的最不利风向角与内力响应的最不利风向角不一定相同;此外,顺风向风荷载调整系数得到有效减少,动力可靠度有所提高。(5)研究了大跨越输电塔-线体系风控效果的敏感性和橡胶铅芯阻尼器的实用性,从橡胶铅芯阻尼器的变形、刚度和阻尼各自的减振效果等方面验证了阻尼器的风控效果。研究表明:塔高和输电线张力均会影响大跨越输电塔-线体系的横线向与顺线向的位移和加速度响应和风控效果。在设计风速下,安装于优化位置的橡胶铅芯阻尼器均能正常工作,其刚度和阻尼对大跨越输电塔-线体系的风控效果均有贡献,阻尼发挥了主导作用。(6)用时程分析方法计算了地震作用下大跨越输电塔-线体系在橡胶铅芯阻尼器控制前后的时程响应。研究表明:地震作用下大跨越输电塔-线体系的位移响应远远小于设计风速下的动风位移响应,在设计工作中应以动风荷载作为输电塔的控制荷载。由于输电塔在地震作用下的位移响应很小,其控制效果相应较小。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-12
1 绪论  12-26
  1.1 研究的目的和意义  12-13
  1.2 大跨越输电塔-线体系风振控制  13-15
  1.3 大跨越输电塔-线体系的研究现状  15-21
  1.4 本文主要内容  21-23
  1.5 本文的算例  23-26
2 大跨越输电塔-线体系的动力特性研究  26-51
  2.1 引言  26
  2.2 大跨越输电塔-线体系的动力特性分析  26-41
  2.3 基于模态识别技术提取大跨越输电塔-线体系中塔架的第一周期  41-48
  2.4 分裂导线对大跨越输电塔-线体系动力特性的影响  48-50
  2.5 本章小结  50-51
3 大跨越输电塔-线体系的风荷载特性和数值模拟  51-66
  3.1 引言  51
  3.2 风场的力学特性  51-54
  3.3 风场的数值模拟  54-60
  3.4 风场模拟结果的数值检验  60-62
  3.5 风荷载对大跨越输电塔-线体系的作用  62-65
  3.6 本章小结  65-66
4 阻尼器的设计和布置  66-80
  4.1 引言  66-67
  4.2 橡胶铅芯阻尼器的设计  67-68
  4.3 橡胶铅芯阻尼器的连接与安装方式  68-70
  4.4 橡胶铅芯阻尼器的性能试验  70-72
  4.5 橡胶铅芯阻尼器的布置  72-78
  4.6 橡胶铅芯阻尼器对主体结构的影响  78-79
  4.7 本章小结  79-80
5 大跨越输电塔-线体系的风振控制研究  80-106
  5.1 引言  80
  5.2 在不同风向角的动风下位移内力响应的风振控制效果  80-90
  5.3 顺风向风荷载调整系数的风振控制效果  90-98
  5.4 动力可靠度的风振控制效果  98-105
  5.5 本章小结  105-106
6 大跨越输电塔-线体系的风控效果研究  106-124
  6.1 引言  106
  6.2 大跨越输电塔-线体系风控效果的敏感性研究  106-115
  6.3 橡胶铅芯阻尼器的实用性研究  115-122
  6.4 本章小结  122-124
7 大跨越输电塔-线体系的地震响应研究  124-136
  7.1 引言  124
  7.2 地震波的选取与调整  124-129
  7.3 大跨越输电塔-线体系的地震响应  129-135
  7.4 本章小结  135-136
8 结论与展望  136-138
  8.1 全文总结论  136-137
  8.2 未来研究工作的展望  137-138
致谢  138-140
参考文献  140-150
附录1:作者攻读学位期间发表的学术论文  150-152
附录2:作者攻读学位期间申请的专利  152-153
附录3:作者攻读学位期间参与的科研项目  153

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑结构 > 结构理论、计算 > 结构力学 > 结构动力学
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