塔线体系动态特性分析

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1、一塔线体系动态特性分析1.1工程背景以220kV输电线24A-SJ1-24型杆塔作为工程背景建立模型。该输电塔高41.5m，呼称高度为24.0m，杆塔水平档距450m，线路两端无高度差。输电线路采用LGJ-400/35型导线，JLB40-150型地线。1.2模型建立1.2.1输电线找形1.2.2模型建立输电塔的模型建立是影响输电塔动力特性的一个重要因素。目前常用的建模方法有三种：钢架模型（梁单元），桁架单元模型（杆单元）和桁梁混合模型。为了能够更好地分析输电塔的动力特性，邓洪洲，司瑞娟[1]对这三种模型分别进行了动态特

2、性分析。结果分析表明：就塔的整体模态来说，桁架模型和钢架模型几乎没有差别。就输电塔的构造及受力来说，隔面内次要杆件几乎起到支撑作用，，可以处理为杆单元；而隔面的外围杆件对内部杆件不仅起到支撑的作用，而且起到转动约束作用，可以处理为梁单元。[1]邓洪洲，司瑞娟.特高压大跨越输电塔动力特性和风振响应分析[J].特种结构，2008，25(4)：25-26.本文根据输电杆塔的结构和受力特点，采用桁、梁混合模型进行ANSYS建模。由于塔体主材主要用螺栓连接，节点刚度较大，所以模型中塔体主材按照空间梁单元beam188处理，其他杆

3、件则按照空间桁架单元link8处理。整个24A-SJ1-24型杆塔结构有限元模型有beam188单元1984个，link8单元304个，见下图1.1。对大跨越输电塔线体系进行动力分析前,应先计算其在静力荷载下的位形和内力。对于输电线,首先要在自重荷载下进行索的找形,根据设计确定的输电线垂跨比,采用迭代方法解超越方程得到索曲线,然后根据索曲线确定离散的各个索单元的初始坐标。图1.1输电塔结构模型图输电线作为一种柔性构件，不能承受弯矩和压力，只承受拉力，因此采用具有双线性刚度矩阵特性的单轴向受拉或受压杆单元link10模拟

4、。依据悬链线找形方法分别建立单塔双线，双塔三线及三塔四线有限元模型如图1.2，图1.3及图1.4。图1.2单塔双线模型图1.3双塔三线模型图1.4三塔四线模型1.3动力特性分析输电塔模态分析是输电塔结构动力学分析中一个不可或缺的步骤，通过模态分析可以确定塔的固有频率和振型。这使得工程人员在塔的设计时最大限度的减小对这些频率的激励，防止发生共振。因为几何非线性对输电塔结构的动力特性影响较小，通常进行模态分析是只考虑结构的线性性能。所以，在对输电塔的模态分析时不考虑分线性影响。大量结果表明[9-10]，对单塔模型进行动力特

5、性分析时可以不考虑绝缘子和金具等一些附加质量的影响。输电塔无阻尼自由振动方程为：M{u}+KU=0式中:M-输电塔结构的总体质量矩阵；K-输电塔结构的总体刚度矩阵；U-节点位移向量；{u}-节点加速度向量。[9]朱海维.输电线路塔线耦合体系风振响应分析[D].上海：同济大学，2008.ZhuHaiwei.AnalysisonWind-inducedResponseofTransmissionLineSystemsfortheCouplingEffectofTowerandLine[D].Shanghai:TongjiU

6、niversity,2008.[10]吴静.大跨越输电塔线体系静动力研究[D].上海：同济大学，2007.WuJing.StaticandDynamicStudiesonLongSpanTransmissionLineSystems[D].Shanghai:TongjiUniversity,2007.表1.1列出了24A-SJ1-24型杆塔的前24阶固有频率及周期。图1.5则给出了杆塔结构部分有代表性的振型图。阶数频率振型阶数频率振型12．9356塔弯曲135.9113塔身局部22.9842塔弯曲146.0032塔身局

7、部33.5954塔身局部156.0312塔身局部43.8755塔身局部166.1062顶部扭转53.9512塔身局部176.3034顶部扭转63.9710塔身局部186.3810塔身局部73.9850塔身局部197.2234塔身局部84.7776塔身局部207.6117塔弯曲94.9156塔身局部217.9571塔弯曲105.2524塔身局部228.0049塔身局部115.6072塔身局部238.3580塔身局部125.8823塔身局部248.6161塔身局部1阶振型2阶振型3阶振型4阶振型5阶振型6阶振型17阶振型2

8、0阶振型图1.5输电塔结构部分振型图由表1以及输电塔的振型图可知，低阶振型的模态主要发生于塔体底部，说明塔底部容易发生破坏，这与现实中输电塔的倒塌事故相符。由此也可以看出，输电塔中上部没有发生低阶模态，由此也可以看出，输电塔中上部分刚度比中下部分大。建筑结构荷载规范（GB50011-2001）[2]规定，塔架结构的自振周期在（0.