覆冰导线舞动作用下杆塔结构破坏过程数值模拟.pdf

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1、第31卷第7期水电能源科学Vo1．31No．72013年7月WaterResourcesandPowerJu1．2013文章编号：10007709(2013)07—0196—05覆冰导线舞动作用下杆塔结构破坏过程数值模拟秦力，付强，李军阔，程志辉(东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林l32012)摘要：为考察输电杆塔在覆冰舞动工况条件下破坏过程及倒塌机理，以11OkV肖湖432线输电杆塔为例，基于有限元软件MIDAS建立杆塔结构模型，利用Matlab模拟出导线覆冰舞动荷载波形，在MIDAS中建立时程

2、荷载函数，对杆塔结构施加导线舞动荷载进行动力时程分析，并对杆塔结构的破坏机理、破坏形态及塔材变形的发展情况进行了模拟分析。结果表明，杆塔的破坏是由于部分交叉斜撑发生较大变形，使主材侧向约束显著弱化，随着时间的推移在杆塔的薄弱位置发生破坏，并最终导致倒塔；数值模拟结果与杆塔结构实际的破坏形式相符，验证了该方法的正确性。关键词：覆冰舞动；输电杆塔；结构破坏；数值模拟；MIDAS中图分类号：TM726．3文献标志码：A架空输电线路完全暴露在自然环境中，受到于导线截面内近似于椭圆形。舞动会增大水平张各种恶

3、劣气候因素的影响口]，易造成输电线路倒力及竖向张力，同时也会产生一定的扭转，即轴向塔断线，导致大范围的停电事故]。调查结果张力。导线舞动会引起线长的增加，基于导线线表明，造成输电杆塔倒塌的主要原因是塔线体系长变化与张力变化之间的等效关系，可通过解析覆冰过载及导线覆冰舞动产生的不平衡张分析法确定导线的舞动张力增量。对于输电杆塔力，]。陆佳政等【针对输电塔线体系覆冰荷载结构而言，水平张力增量起控制作用，竖向张力增进行了有限元计算，指出档距差和高差角过大是量对杆塔结构的影响较小，一般可忽略。导线产生不平

4、衡张力的主要原因，而不平衡张力导线舞动前后的形状见图1。导线悬挂于则会导致杆塔体系失稳破坏；谢强等_7指出输电一骺杆塔塔身横隔面设置过少是导致杆塔破坏的一个主要因素，并通过数值模拟进行了验证；熊铁华-----j,___rr,等[8]以覆冰厚度为控制量，建立了覆冰荷载作用．一一—下输电杆塔的主要失稳模式，并指出了杆塔破坏幸><／一J一发生的薄弱位置。目前，对输电杆塔的覆冰研究图1导线舞动前后的形状示惹图已开展了很多，但杆塔结构在导线覆冰舞动作用Fig．1Shapediagrambeforeandaf

5、terconductorgalloping下的倒塔机理及破坏形式仍需深入研究。鉴此，A、B两点，两悬挂点高差角为，沿导线线长方向本文以一典型事故塔为例，基于有限元软件施加一驻波激励荷载，舞动导线上任意一点的舞MIDAS，对输电塔结构在导线覆冰舞动作用下的动位移方程u。。为：破坏位置、破坏形态、塔材变形的发展情况进行了g(z，￡)一aosin(nrcx／1)sincot(1)模拟分析。式中，a。为导线舞动峰值，m；∞为舞动频率，rad／s；t为时间；为舞动的半波数；z为A、B两1覆冰导线舞动张力特性

6、点档距。由于导线舞动是一种低频振动，忽略导线上导线覆冰后在风激励下会在导线中产生一种任意点沿线长方向的运动惯性力，因此在一个舞交变荷载，这种交变荷载称为导线的舞动张力。动周期内，导线的弹性变形也极为缓慢。根据虎大量观测资料表明，导线的舞动轨迹在垂直克定律，单档导线舞动水平张力为：收稿日期：2o12一lO一15，修回日期：2o12—12—12作者简介：秦力(197o一)，男，教授，研究方向为架空输电线路，E—mail：jilinql@163．COrn第3l卷第7期秦力等：覆冰导线舞动作用下杆塔结构破

7、坏过程数值模拟·197·时，1个半波舞动情形下的水平张力最大。对于1△丁一EA一个半波舞动，在导线舞动波峰位置处，导线有最大EA2a~o2sin26o水平张力46295．375N，相当于T。的58．45为奇数(T。为导线计算综合拉断力，为79201．5N)，是22EAn2叫一sin叫”为偶数平均运行应力(T。的25．00)的2．34倍。通过7c』nCOS舞动波形(图2)可看出，水平张力增量的大小和(2)方向是随时间变化的，导线舞动轨迹近似简谐波，式中，L、L分别为导线舞动前、后的线长，iTI；E4

8、33，‘2l这表明在覆冰舞动工况条件下，导线内部产生了为导线的综合弹性模量，N／m；A为导线的截面㈣一种大小和方向均随时间变化的荷载。这种交变面积，ITI。；y为导线覆冰后的单位长度质量，荷载最终将作用在杆塔结构上，对杆塔结构的稳定N／m；To为导线的初始张力，N。性造成一定的影响。2算例2．1杆塔的动力时程分析时程分析是对受动力荷载的结构通过动力方以发生倒塔的I10kV肖湖432线路为例，线程进行求解的过程，即根据结构自身的特性和所路的基本参数如下：舞动档距z===420m，l=