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浙江大学建筑工程学院硕士学位论文输电线路覆冰脱落及断线分析姓名：鲁元兵申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：楼文娟20100201浙江大学硕士学位论文输电线路覆冰脱落及断线分析摘要本文采用我国某通用的干字塔形输电塔为原型，借助A N S Y S 软件建立5 跨输电线路体系的有限元模型，对输电塔线体系的动力特性、覆冰静力计算、覆冰脱落及断线问题进行了全面的分析。在对输电导线找形时，采用了非线性有限元静力平衡的找形方法。通过不同的找形工况证实，对于简单的悬索结构的找形，该方法简单、高效。分别讨论了单塔、输电导线、输电塔线体系的动力特性，在分析输电塔的振型时通过添加附属杆件从而避免了局部模态过早地出现。分析了在覆冰厚度、档距、邻档导线间的跨距差以及导线两端悬挂点高差等4 个因素的影响下输电塔线体系的静力受力特征。采用输电塔、线分别建模和塔线联合建模两个模型，分别对同一个覆冰脱落工况进行动力分析以讨论塔线间的耦合作用，研究表明，对于本研究采用的模型，在动力分析中，输电塔对输电导线的影响可以忽略不计，但是输电导线对输电塔却有明显的影响。采用塔线联耦体系，对不同的脱冰工况进行动力分析，分析表明，脱冰时塔线的动力效应不可忽视。最后，进行断线分析，研究了邻近断线档的输电塔位移和内力变化情况。关键词：输电塔线体系；动力特性；找形；静力计算；覆冰脱落；断线浙江大学硕士学位论文输电线路覆冰脱落及断线分析A B S T R A C TAf i n i t ee l e m e n tm o d e lo faf i v e s p a nt r a n s m i s s i o nl i n es e c t i o nw a se s t a b l i s h e db yA N S Y S、)，i t hap o p u l a rt o w e ra sap r o t o t y p e，t h e nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s m i s s i o nl i n es y s t e m，s t a t i cr e s p o n s ew h e ni c i n g，i c e-s h e d d i n ga n dw i r e b r e a k i n gp r o b l e mw e r es t u d i e dw h o l l y Af o r m f i n d i n gm e t h o db a s e do ns t a t i ce q u i l i b r i u mw a sp r o p o s e dw h i l es o l v i n gt h ef o r m-f i n d i n gp r o b l e m si nc a b l e sb yn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d F o rs i m p l ec a b l es t r u c t u r e，t h i sm e t h o di se a s ya n de f f e c t i v ew h e ns e v e r a lf o r m f i n d i n gs c e n a r i o sw e r ec o m p l e t e d T h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fas i n g l et o w e r,c a b l e sa n dt o w e r-l i n es y s t e mw e r ea n a l y z e d，a n dt h el o c a lm o d eo ft h et o w e rd o e s n ta p p e a rt O Oe a r l yb ya d d i n gs u b s i d i a r yb a r sw h e na n a l y z i n gt h em o d eo ft h et o w e r T h es t a t i ce f f e c to ft h ei c et h i c k n e s s，t h es p a nl e n g t h，t h eu n e q u a ls p a n sa n dt h eu n e q u a le l e v a t i o na tt h es p a ne n d so nt h et r a n s m i s s i o nl i n es y s t e mw a sa n a l y z e d T h e n，t o w e r sa n dc a b l e sw e r em o d e l e dt o g e t h e ra n ds e p a r a t e l y,t oa n a l y z et h ec o u p l e dr e s p o n s eb e t w e e nt o w e r sa n dc a b l e sb yt h es a m ei c e s h e d d i n gs c e n a r i o F o rt h em o d e lu s e d，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n f l u e n c et o w e r sh a v eo nc a b l e sC a nb en e g l e c t e di nt h ed y n a m i ca n a l y s i s，b u tt h ei n f l u e n c ec a b l e sh a v eo nt o w e r si sr e m a r k a b l e T h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft o w e r-l i n es y s t e mW a sa n a l y z e db yd i f f e r e n ts c e n a r i o s I tp r o v e dt h a tt h ed y n a m i ce f f e c tw h e ni c e-s h e d d i n gC a n tb ei g n o r e d F i n a l l y,t h ew i r e-b r e a k i n gW a ss t u d i e d,a n dt h ed i s p l a c e m e n ta n di n t e r n a lf o r c eo ft h et o w e ra d j a c e n tt ot h ew i r e b r e a k i n gs p a nw e r ea n a l y z e d K e y w o r d：t r a n s m i s s i o nl i n es y s t e m；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s；f o r m f i n d i n g；s t a t i cc a l c u l a t i o n；i c es h e d d i n g；w i r e-b r e a k i n gl I浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一f f i：JI：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：名舢囊签字日期川口年弓月口日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝姿太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论义的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：彳舢泉签字t q 期：2 9 1 0 年弓月0 同导师签名：獭姻签字日期：2 口扣年3 月徊日浙江大学硕士学位论文绪论第一章绪论1 1 课题背景我国幅员辽阔，但是能源资源的分布却极不均衡，煤炭资源集中在西北地区，水电资源集中在西南地区，而能源消费则主要集中在华东、华中和华南等经济较为发达的地区。随着我国经济持续健康发展，建立和维护一个完整健全的电网系统变得尤为迫切。为此，国家正投入大量的人力，物力、财力来加快我国的电网基础建设，实现“西电东送、南北互供、全国联网”的电网格局。据我国电力规划部门预测，2 1 世纪我国对电力的需求量仍将有强劲的增长，2 0 2 0 年以前需求量将平均以5 以上的速度增长。电网系统的蓬勃发展给电力的传输提出了更多更大的要求。输电铁塔多样化的结构样式、良好的施工性能、耐久性能及其良好的跨越能力，使其在电力传输中越来越多地被采用。但是输电铁塔也有其固有的缺点，如结构高、刚度柔的特性使其容易受到外界环境的影响。目前，影响输电塔线体系安全主要有风致灾害【1 和覆冰事故【5-8】，其中导线覆冰引起的事故更令人担忧。据不完全统计，自上世纪5 0 年代以来，我国输电线路发生大大小小的覆冰事故达上千次。2 0 0 4 年1 2月-2 0 0 5 年2 月，我国华中和西南电网出现大面积严重的冰雪天气，覆冰造成多条5 0 0 k V、2 2 0 k V、1 l O k V 线路跳闸，仅湖南省就有7 0 0 多万人受灾，直接经济损失超过1 0 亿元。2 0 0 8 年初，更有一场历史罕见的冰雪灾害，持续时间长、影响范围广、危害程度深，输变电设施大面积覆冰，很多地方覆冰厚度远远超过了设计标准，造成输电线路大量倒塔、断线，电力设施大范围损毁，电网结构遭到严重破坏，灾害造成国家电网设施直接财产损失高达1 0 4 5 亿元。导线覆冰引起的事故主要分为三类【9】。1)过负载事故过负载事故为导线覆冰超过设计抗冰厚度，即覆冰后因质量、风压面积增加而导致的机械和电气方面的事故。2)不均匀覆冰或不同期脱冰事故。相邻档的不均匀覆冰或线路不同期脱冰会产生档间张力差、损坏金具、使导线和绝缘子之间或者导线之间的电气间隙减小，发生闪络，也有可能破坏杆塔。3)覆冰导线舞动。不均匀覆冰或冰、风荷载的作用使导线产生自激振荡和低频率的舞动，造成金具损坏，导线断股、断线和杆塔倾斜或倒塌等机械及电气事故。1浙江大学硕士学位论文绪论输电塔为高耸、柔性结构，导线、地线属于柔性结构，具有很强的几何非线性。从动力分析上看，输电塔线体系是一种非常复杂的空间塔线耦合体系【1 0】，而且塔架高宽比越大，输电导线跨距越大，耦合性越强。研究风荷载、或者冰灾引起的输电塔线体系的动力响应，可以用实验方法，比较流行的如风洞试验【1 1 2 1。但实验方法也有一定的局限性，一方面输电导线跨距比较大，有时实验要设置多跨输电导线；另一方面输电导线的横截面尺寸相对于导线跨距太小了，因此实验的几何缩尺比是个很难处理的问题。而如今，随着现代计算力学的发展，有限单元法已经成为研究这些问题的有效手段。目前，国际上有很多商用有限元软件在各个工程行业得到广泛而又成功的应用，如A B A Q U S、A N S Y S 以及附带的处理动力问题非常有效的软件包L S D Y N A。A N S Y S 软件作为一个大型通用有限元分析软件，在世界范围内，已经成为土木建筑行业C A E(计算机辅助工程)仿真分析软件的主流。它有非常方便、易操作的用户界面，可直接导入C A D 几何模型，给大规模建模带来了极大的方便。它能处理各种静力问题，并且还可用于很多的结构动力分析以及结构非线性分析。本文借助A N S Y S 软件对输电塔线体系进行有限元建模，就输电塔线体系的覆冰静力负载、覆冰脱落以及断线进行了分析，为输电塔线体系覆冰这一领域的研究打下一个基础。1 2 输电线路基本结构1)输电线路结构组成。输电线路是电力网的重要组成部分，它主要由导线、避雷线、金具、绝缘子串、杆塔、拉线和基础组成。导线的作用是传导电流，输送电能；避雷线也叫地线，作用是把雷电流引入大地，以保护输电导线不受雷电的损伤；金具的作用是固定平行导线问的距离，避免导线间产生碰撞而发生闪络；绝缘子串的作用是使带电导线与接地装置和输电塔之间保持良好的绝缘；输电塔是用来支持导线和地线，并使导线和导线间、导线和地线间以及导线和大地、公路、铁路、河流等被跨越物之间保持一定的安全距离。输电导线用杆塔来支撑，相邻两基杆塔中心线之间的水平距离称为档距。一个耐张段一般有若干个档距构成，如图1 1 中由前面三个档距组成。两边的杆塔为耐张塔，除了承受竖向力外，还承受着水平力，中间的杆塔都是直线塔，主要承受竖向力。如果一个耐张段中只有一个档距则称为孤立档。一条输电线路总是浙江大学硕士学位论文绪论由多个耐张段组成的，其中包括孤立档。，丰；+一绝缘子，7 网耐张段孤立档1-一7，L07=图1 1 输电线路的组成2)输电塔的类别及构成输电塔按材料分主要有钢筋混凝土杆塔和铁塔，但是由于铁塔优良的跨越能力、造型的多样化以及耐久性等诸多优势，铁塔已经越来越多地被使用，而钢筋混凝土杆塔很少被使用了，因此，以下所说的塔没有特别说明的，输电塔指的都是铁塔。按受力性能分，输电塔大致可以分为主要承受竖向荷载的直线塔以及同时承受竖向力、水平力的耐张塔。输电塔上部结构从上到下可分为地线支架、横担、塔颈、塔身、塔腿以及塔脚，由塔柱(主材或弦材)、斜杆(斜材)、横杆(横材)、横隔和辅助材等构件组成。塔身一般采用正方形截面，这是因为输电塔在纵横两个方向均存在着较大的荷载，同时正方形截面对设计、加工和施工均比较方便，对连接横担和横隔面在构造上也简单得多。输电塔属于空间桁架结构，塔架尺寸不大时，杆件主要采用热轧等肢角钢或组合角钢。当塔架比较高或负载比较大时，可以采用钢管塔。我国常采用的输电铁塔型式见图1 2。3)输电导线的特点根据导线的作用，制作导线应选择导电率高、耐热性能好、具有一定的机械性能，且重量轻、制造方便、价格低廉的材料，因此，常用的材料有铜、铝、钢等。由于铜的价格较贵，架空输电线路一般不采用铜；铝导电性能好，但机械强度低，而钢机械强度较好，但导电性能较差，所以导线一般制成以铝作为主要材料的钢芯铝绞线。悬挂于两基杆塔之间的一档导线，由于导线本身的重办及风压、覆冰重力等3浙江大学硕士学位论文绪论荷载的作用，导线任意截面上必有内力存在，导线单位横截面积上的内力称为导线应力。导线上任意点至导线两侧悬挂点的连线之间的铅垂距离称为导线上该点弧垂。线路的弧垂大小直接关系到线路的安全运行。弧垂过小，导线受力增大，当张力超过导线许可应力时会造成断线；弧垂过大，导线对地距离过小而不符合电气安全距离要求。线路的正常运行对导线还有其他要求。如果线路的线间距离过小，在风荷载作用下，档距中央处的导线间会过于接近，因而发生放电甚至短路，因此，导线间必须保持一定的水平距离。另外，导线还得保证对地的一定的安全距离。露0 嚆射均睁 _ 一叫图1-2 我国常采用的输电铁塔形式4)绝缘子串结构特点保持导线和输电塔之间绝缘关系的绝缘子串，在运行中不但要承受工作电压的作用，还要受到过电压的作用，同时还要承受机械力的作用及气温变化和周围环境的影响，因此绝缘子必须具有良好的绝缘性能和一定的机械强度。绝缘子串一般由瓷式绝缘子或玻璃绝缘子组成。依据电压等级的不同，绝缘子串可以选择数量不等的绝缘子片数组成；也可以采用棒型合成绝缘子。浙江大学硕士学位论文绪论1 3 输电塔线体系动力特性、导线覆冰、断线研究现状1 3 1 输电塔线体系动力特性研究现状赵滇生【”】等为了分析节点构造和节点剐度等因素对塔架动力性能的影响，取一个5 0 0 k V 输电线路中常见的猫头型塔架，建立了空间桁架模型、空间刚架模型和由杆单元和梁单元组成的混合有限元模型等三个有限元模型，对输电塔架结构进行了模态分析，结果显示用不同有限元模型进行模态分析得到的模态序列和频率不尽相同。对于低阶整体振型模态，不同的有限元模型得到的固有频率最大相差3，但在后面的高阶频率计算中误差会增大，说明节点刚度、偏心连接对输电塔的低阶模态影响不大，对高阶模态的影响会比较显著，因此得出结论，在进行塔架结构动力特性分析时，若侧重整体振型模态，采用空间桁架模型也有相当高的精度，若着重研究塔架结构的局部振型模态或与整体模态的耦合振型，则应采用混合单元模型或空间刚架模型计算。由于建筑结构荷载规范关于塔式结构的第一阶自振周期估算公式和电力部门实测得到的输电塔结构自振周期近似计算公式的局限性，付鹏程【】4】等以多条输电线路工程中不同类型、不同高度的输电塔为原型，建立空间有限元模型，利用模态分析研究输电塔结构的动力特性，计算出结构第一阶自振周期及其振型，然后对电力部门实测所得的周期估算公式进行修正，得出较为精确的输电塔架结构第一阶自振周期近似计算方法和细化后的结构第一振型系数j 用细化后的振型系数计算结构的风振系数并进而确定结构的风荷载值会更加准确，对输电塔工程实际设计具有参考意义李宏男 1 5-1 7 1 等针对大跨越输电塔体系，提出了一种简化的计算方法，采用多质点模型对体系进行动力特性的研究。该模型将导线简化为多个集中质量点，各集中质量点之间由梁式杆相连，输电塔亦简化为具有多个集中质量点的串联多自由度体系，最后导出了振动方程，并通过数值算例与实测结果进行了比较。瞿伟廉、梁峰 1 8-1 9】等在李宏男提出的多质点模型的基础上，采用多质点模型对输电线平面内纵向振动、平面外横向振动进行了分析，并着重研究了多质点模型的杆件数目、导线弹性模量及运行张力等因素对动力特性的影响。当塔线体系做平面外横向振动时将导线简化为垂链；当体系做平面内纵向振动时，将导线简化为两端固定的悬索，该模型的结果与理论解吻合较好，能较准确地反映输电线路的塔线浙江大学硕士学位论文绪论耦联振动效应。梁枢果【2 0 1 等建立了大跨越输电塔线体系竖向和横向的耦联振动动力特性分析的多自由度体系计算方法，并对大跨越输电塔线体系的工程实例进行了动力特性分析，结果显示，塔线耦联振动对导线竖向的自振频率影响非常小，对导线侧向自振频率的影响也很小。无论在纵向还是在侧向，塔线耦联振动对塔和导线各阶振型的影响都不大。冯云巍【2 1 1 通过使用开发工具V C+编制接口程序将塔架建模所需的各种信息导入A N S Y S 程序，然后进行模态分析，得到结构的自振周期，以此确定输电塔架的风压调整系数。通过一个工程实例分别生成空间桁架模型和混合单元模型，模型分析结果与经验公式结果比较表明，模态分析方法由于考虑了横担杆件的质量，其结果更符合规范规定数值，而经验公式计算值偏小。柳春光等【2 2 1 在讨论塔缆体系在纵向地震作用下的情况时，将输电塔大垂度电缆体系的计算简图近似为折线形杆链体系，在刚度特性不确定的情况下，利用“最不利可能变形形态”替代振型，并做极限计算，确定出了地震反应的上限。该上限地震力比利用能量法算得的地震力要大，趋于安全。张琳琳等【2 3 1 以华东5 0 0 k V 输电线路的某典型输电塔结构为背景，在有限元软件A N S Y S 开发环境下，建立了三塔两线的塔线耦联体系精细化有限元分析模型；然后应用经典的基于功率谱密度函数的谱表现方法，结合D a v e n p o r t 谱生成了目标场地的风场；最后利用该风场进行了塔线体系的抗风动力响应分析，对比了拟静力计算结果与塔线耦合体系的动力响应计算结果。结果表明，考虑了塔线耦合作用后，输电塔顺风向最大位移较规范拟静力分析明显增加，最大轴向压应力较拟静力分析增加更为显著，一些杆件应力增加8 0 以上，需要在输电塔设计中进一步提高对抗风设计的要求。1 3。2 导线覆冰及断线研究现状周迪【2 4 1 等用半椭圆雾凇覆冰模型对导线在风力作用下的机械脱冰机理进行了分析研究，获得了在风动力及覆冰自重力的作用下最大剪力及最大扭转的计算方法和公式，以及最大切应力和最大扭转角出现的位置，进而确定覆冰开始破坏的位置以及破坏的发展形态。李宏男【2 5】等人结合C h a i n e 和S k e a t e s 的覆冰计算模型【2 6】，考虑降雨的分类，6浙江大学硕士学位论文绪论根据流体诱发振动原理，模拟了输电塔线体系不同高度导线的覆冰和风荷载，进而计算覆冰塔线耦联体系在稳定风速激励下的动力响应。分析结果表明：考虑塔线耦合作用与不考虑塔线耦合作用的导线舞动分析结果相比，顺风向位移、横风向位移和导线张力都有大幅度的增加，尤其是顺风向位移增加更为严重。说明覆冰输电塔线耦合作用对覆冰导线的风振影响不可忽略；与拟静力分析结果相比，覆冰输电塔线体系的中塔在振动过程中杆件压应力过大，在实际工作中将导致塔体的动力失稳与破坏，所以对输电塔在冰风激励下的结构设计需要进一步改进。陆佳政【2 7】等为了探究输电塔线体系纵S J 不平衡张力产生的原因，用梁单元和索单元建立了输电铁塔和输电导线整体有限元模型，分别考虑了档距、高差和不均匀荷载等几个因素，然后对输电塔线体系进行有限元计算得到铁塔的不平衡张力，分析了输电塔的最大压应力随覆冰厚度的变化，指出了档距差和高差过大是产生不平衡张力的主要原因，而不平衡张力使输电塔失稳，是倒塔的主要原因，同时实例计算表明有限元方法对输电线路进行结构分析是非常有效的。李黎以及夏正春等人在覆冰、断线方面做了大量的工作。在文献 2 8 中，以晋东南一南阳一荆门1 0 0 0 k V 大跨越输电线路为工程背景，采用非线性时程分析法，计算分析了四种工况下的输电线路脱冰跳跃问题。对比风振分析的结果，脱冰跳跃的反应更大，指出输电线路的脱冰跳跃问题不容忽视。在文献 2 9 中，以某1 0 0 0 k V 大跨越输电塔线体系为工程背景，借助非线性有限元法建立塔线耦合模型。为了考虑线路覆冰的弯曲刚度，采用梁单元模拟覆冰，采用单元生死法模拟脱冰，分析塔线体系在线路脱冰时的动力响应。结果表明，线路覆冰后塔线体系的低阶振型基本上没有变化，但是自振周期变长了，并且导线脱冰后振动周期长于地线脱冰后的振动周期。地线脱冰后体系的振动响应衰减较快，而导线脱冰后体系的振动响应衰减较慢。同时，输电塔的位移响应，脱冰5 0 比脱冰1 0 0 时小，而对跨中电线的跳跃幅值，脱冰5 0 比脱冰1 0 0 时大。文献 3 0 中采用有限元程序A N S Y S L S D Y N A，建立导地线模型和以等效弹簧代替导地线对输电塔的作用的塔一弹簧模型，将导地线模型在断线作用下悬挂点的支座反力反向施加在塔一弹簧模型上，数值模拟了输电塔在导地线断线作用下的动力响应。研究表明，线路断线对输电塔的位移和内力动力响应不可忽视，目前设计时采用拟静力法计算输电塔不平衡荷载偏于不安全。文献 3 1-3 2 利用显式动力有限元法研究了输电线路浙江大学硕士学位论文绪论在线路断线后的震荡响应以及震荡的控制，研究表明，临近断线档的绝缘子串的各种响应均较大，远离断线档后迅速衰减；线路断线瞬间动力效应对导线张力有放大作用，动力响应峰值是初始张力的1 5 2 5 倍，并且离断线档越远，放大作用越明显。由于导线绝缘子串的摆动，导线断线的冲击作用强于地线断线的冲击作用，边导线断线的冲击作用强于中间导线断线的冲击作用，并且指出静力法或拟静力法低估了断线对输电线路的冲击作用。鲍立华【3 3】利用有限元软件A B A Q U S 建立了某大跨越输电塔的塔线体系有限元模型，先模拟了不考虑地面情况下导线断裂下落过程，计算出在不同断线工况下断线冲击荷载和冲击系数，然后模拟了考虑地面情况下导线断裂下落与地面接触碰撞的过程，计算出断线的冲击荷载与冲击系数，并且与没有地面的情况下进行对比，指出在有地面情况下导线断线情况有两个极大的冲击过程，一个是导线断裂瞬间的冲击，另外一个是跌落的导线与地面碰撞时产生的冲击作用。J D r u z p 4】等人指出引发导线脱冰有三种原因：覆冰融化、覆冰升华以及机械运动导致的覆冰脱落。针对这三种原因，分别给出了实例，满足各自的条件，并且提出了一个可以过滤失真数据的方法。在覆冰脱落的分析中，影响的因素有空气的平均温度、覆冰和脱冰期间的竖向风速、覆冰脱落开始时的覆冰荷载、脱冰持续时间以及脱冰速率。研究发现，对于机械导致的脱冰，脱冰时的风速以及初始脱冰时的覆冰荷载对覆冰脱落影响最大。G 1 d c C l u r e 口司等将输电导线体系从塔线体系中隔离出来借助商业软件A D I N A进行建模，分析了单跨覆冰导线在人工脱冰的不同荷载工况下以及在不同跨度下的脱冰机理，进而研究覆冰的基于应力一应变关系和应变率效应的失效准则。其中，不同的荷载工况是通过保持荷载幅值不变，改变荷载持续时间来实现的。在文献 3 6 中，为了计算覆冰脱落时输电导线的静、动力响应，用有限元软件A D I N A建立了两跨输电导线的模型，一共对2 1 工况进行了研究，其中研究的变量有：覆冰厚度、导线档距、导线两端悬挂点的高差、邻档导线间的跨距差以及导线脱冰的位置、脱冰率等。尽管有限元模型有它的局限性，比如说忽视塔的影响、外平面的位移以及风的影响，但是它让覆冰脱落时输电导线的动力响应变得更容易理解。浙江大学硕士学位论文绪论1 4 本文主要研究内容鉴于既有研究针对性比较强，建立的模型有其局限性，本文以某一通用塔形为原型，建立5 跨输电导线体系的有限元模型，对塔线体系的静动力特性以及断线问题进行了全面的分析，以期对输电线路覆冰领域做一个系统的研究，具体工作如下：1)根据某一通用塔型建立5 跨输电线路有限元模型并对输电导线进行找形，分别分析单塔、导线、塔线耦合体系的动力特性，并求出主要的自振频率和振型。2)对输电线路进行静力计算，分析覆冰厚度、导线档距、邻档导线间的跨距差以及导线两端悬挂点高差等因素对输电线路受力的影响。3)对输电塔、输电导线独立建模和输电塔、输电导线联合建模，选择一个典型的脱冰工况，对两个有限元模型进行瞬态动力模拟，分析输电塔和输电导线之间的耦合作用。4)利用输电塔线联合建模的模型，对各种脱冰工况进行瞬态动力分析，以期找到位移和受力的最不利工况，并把动力响应值与覆冰静载状态相比较。5)对输电塔线体系进行断线模拟，分析断线对输电塔线体系的影响以及断线后振荡的过程。9浙江大学硕士学位论文有限元建模和动力特性分析第二章有限元建模和动力特性分析2 1 引言输电线路体系主要是输电塔和输电导线组成的耦合体系，体系模型的理论基础是有限元理论3 7。9】，建立一个合理有效的输电塔线体系有限元模型，对塔线耦合体系进行的动力特性研究，覆冰静力计算、覆冰脱落的动力分析以及断线分析都至关重要。为此，本章首先讨论输电导线的非线性问题以及有限元软件A N S Y S处理非线性、动力学问题所涉及到的问题，然后借用有限元软件A N S Y S 对输电塔体系进行建模，并对建模过程进行阐述，而后对单塔、输电导线以及塔线耦合体系分别进行动力特性的分析，一方面检验模型的有效性，另一方面为进行塔线体系进一步分析做好准备。2 2A N S Y S 处理非线性问题、动力学问题概述2 2 1 非线性问题通常，非线性问题可以概括为三种类型【4 0 4 1 1：几何非线性、材料非线性、状态非线性。在本文对输电线路进行静动力分析中，导线的几何非线性最为显著。几何非线性是指结构在经受大变形之后，其变化的几何形状可能导致结构刚度的变化，从而引起结构的非线性响应。非线性问题可分为两类：1)大应变效应。一个结构的总刚度依赖于它的组成部件的方向和单元刚度。当一个单元的结点发生位移后，则该单元单元形状发生了大变形，引起单元刚度的改变，另一方面单元取向改变，它的局部刚度转化为总体刚度的变换也会变化，两者一起改变了结构的总体刚度。2)大应变建模的特殊性，在本文表现最为明显的是应力刚化，通常，结构的面外刚度可能严重地受该结构中面内应力状态的影响，面内应力和面外刚度之间的联系，被称为应力刚化在薄的、高应力的结构中(如缆索和薄膜)应力刚化效果更明显。一个鼓面，当它绷紧时会产生垂向刚度，这是应力强化结构的一个普通的例子。1 0浙江大学硕士学位论文有限元建模和动力特性分析2 2 2 有限元软件A N S Y S 非线性问题的求解在输电塔线体系模型中，由于有输电导线这种高柔性材料的存在，在受力分析过程中，导线的位移非常大，大变形效应非常明显。而且导线受力前是柔性的，绷紧后才有了竖向刚度，应力刚化也很明显。对于输电导线在A N S Y S 程序中实现应力刚化，需要打开应力刚化开关(s s t i Lo n)，通过生成和使用一个称作“应力刚化矩阵”的辅助刚度矩阵来考虑应力刚化效应。由于大变形的存在，还需要打开大位移开关(n l g e o m，o n)，把应力刚度矩阵加到主刚度矩阵上以便在具有大应变或大挠度性能的大多数单元中产生一个“近似的”协调切向刚度矩阵。2 2 3A N S Y S 动力学问题的求解在使用A N S Y S 进行动力分析前，必须先对输电线路进行重力下的静力计算，以便完成输电导线的找形，赋予模型应力和位移，此后输电线路才可以作为正常结构做各种静动力分析。模态分析用于确定设计中的结构动力特性，即固有频率和振型，它是动力学其他分析的起点。模态分析属于线性分析，只有线性行为是有效的。因此，在对输电线路进行模态分析时，要先把大位移开关关掉(n l g e o m，o f 0。在用A N S Y S进行模态分析时，有6 中模态提取法(S u b s p a c e 法、B l o c k L a n c z o s 法、P o w e r D y n a m i c s 法、R e d u c e d 法、U n s y m m e t r i c 法、D a m p e d 法)可以选择进行求解，其中B l o c k L a n c z o s 法为默认的。如果要在后处理中观察计算结果，则必须首先扩展振型，即将振型写入结果文件中。瞬态动力学分析，可以确定结构在静荷载、瞬态荷载和简谐荷载的任意组合下随时间变化的位移、应变、及应力在进行瞬态动力学分析中，可以采用三种方法：F u l l(完全)法、R e d u c e d(缩减)法以及M o d eS u p e r p o s i t i o n(模态叠加)法。其中F u l l 法采用完整的系统矩阵计算瞬态响应，它是三种方法中功能最强的一种，允许包括各类非线性特性，也是最耗资源的一种方法。由于只有F u l l法可以用于非线性分析，因此本文瞬态动力分析皆采用F u l l 法。2 3 输电塔线体系有限元建模为了充分体现塔线体系的耦合作用，另外根据断线后的影响范围为离断线档5 档的距离【4 2】，因此本研究所采用的输电塔线体系模型为5 跨输电导线的耐张段，浙江大学硕士学位论文有限元建模和动力特性分析每档输电导线的跨距没有特别说明的均为2 0 0 m。为了简化建模，使计算更有效率，做了以下简化。1)耐张段两端的耐张塔由于是特别设计，刚度比较大，可同时承受竖向力和水平力，因此简化为固定支座考虑。2)每一回路用一根导线代替多分裂导线，忽略间隔棒的作用。3)由于地线和输电塔直接相连，动力分析时其动力响应不明显，因此只对导线建模，地线不建模。4)不考虑风的作用，只做竖直平面内的分析。5)考虑几何非线性，材料符合胡克定律。6)不另外对覆冰进行建模。进行模态分析时，通过增加输电塔、输电导线的密度来考虑覆冰质量的影响，通过对输电塔、输电导线的刚度乘以1 1 的系数来考虑覆冰刚度的影响。在进行覆冰脱落的瞬态动力分析时，为考虑覆冰的影响，把覆冰简化为对导线的竖向荷载，覆冰即加载，覆冰脱落即卸载；输电塔的密度参考覆冰厚度变大，并且弹性模量乘以1 1 的系数。2 3 1 输电塔有限元建模输电塔的原型采用我国某通用于字塔形，如图2 1 所示。整个塔高3 0 m，下面横担处高为2 0 5 m，塔身的平面形状为正方形。全塔采用三种杆件构成，其中柱腿用1 0 0 1 0 m m 的等边角钢，主要杆件采用6 3 5 m m 的等边角钢，次要附属杆件采用4 5 5 m m 的等边角钢。文献 1 3】中赵滇生，金三爱通过对输电塔建立了空间桁架单元模型、混合单元模型、空间刚架模型等3 个模型，然后分别对模型进行了动力特性分析，得出结论：3 个单元模型得到的前5 0 阶固有频率相差不到1，若着重研究塔架结构的局部振型模态或整体模态的耦合振型，应采用混合单元模型或空间刚架模型进行计算。因此，本文研究的输电塔采用空间刚架模型，有限元单元采用的是A N S Y S 的2 节点3 维的自定义梁截面单元B E A M l 8 8，由两节点、一方向点、材料类型、自定义横截面类型及尺寸来定义。在建模的过程中，充分地利用了A N S Y S 和C A D 的数据共享功能，先用C A D依据杆件类型分图层建立三维的输电塔模型，见图2 1，然后用数据转化软件D x f t o A n s y s 将C A D 的节点信息、杆件信息读取出来并存为A N S Y S 的可读文件1 2浙江大学硕士学位论文有限元建模和动力特性分析t X t 文本文件，用A N S Y S 读取并赋予单元属性，稍加修改即可得输电塔的三维空间刚架模型。整个输电塔有限元模型一共有7 0 1 个节点，7 8 8 个单元。图2-l 我国通用的干字塔形2 3 2 导线的有限元建模输电导线作为一种高柔性的结构，特点是不能承受弯矩和压力，只能承受拉力，在受到竖向荷载时容易产生大位移。与一般的索网结构和桥梁拉索相比，导线的刚度比较小，跨度和弧垂都比较大，其非线性程度非常地高。悬挂在杆塔上的一档导线，由于档距很大，导线材料的刚性对导线悬挂于空中的几何形状影响很小，可以忽略不计。可将导线假设为一根处处铰接的柔软的链条，另外，导线的自重荷载是沿导线线长均匀向下分布的，然后在两端张拉力的作用下，导线的几何形态理论上是一条理想柔韧的悬链线【4 2 4 3 1，其解析解为包含双曲函数的悬链线方程。在工程中，复杂的悬链线方程通常被简化为抛物线方程。导线是典型的悬索结构，在进行有限元建模时，需要把导线离散为一系列相1 3浙江大学硕士学位论文有限元建模和动力特性分析互连接的单元，经离散后，导线的矢跨比变小。目前可选用的索单元很多，大概可以分为两类：(1)直线杆单元】，如预应力杆单元；(2)曲线形单元【4 5 啪】，如五节点曲线元等。对于直线杆单元，当矢跨比较小时，可以满足工程精度要求。对于矢跨比较大的情况，只要把索划分为足够多的直线单元，降低单元的矢跨比也可获得很高的精度。本研究利用有限元软件A Y S Y S 建立的输电导线模型采用2 节点三维直线索单元l i n k l 0，该单元为轴向仅受压或仅受拉单元，通过两节点的位置、横截面、初始应交以及各项同性材料特性来定义。为了获得足够的精度，本研究采用的模型在划分直线单元时，l m 设立一个直线索单元，5 跨输电导线总共有2 0 0 0 个直线索单元。2 3 3 绝缘子串的有限元建模绝缘子串是输电导线与输电塔的连接构件，在它们之间起着保持相互绝缘的作用。对于直线塔而言，在正常情况下，绝缘子串是竖直的，但是在某些特定的天气里，如导线不均匀覆冰时，导线间会产生不平衡张力，绝缘子串会产生倾斜，绝缘子串两侧导线的张力能自动趋于相等，使得输电导线的张力重分布。本文研究的绝缘子串原型为1 3 m，用A N S Y S 建模时采用2 节点3 维的拉压杆单元L i n k 8，单元通过两个节点、横截面面积、初始应变及材料属性来定义，每个绝缘子串只用一个杆单元来模拟。由于绝缘子串和输电导线、输电塔之间的连接处都可以自由转动，因此，与输电导线之间的结点以及与输电塔横担连接处的结点都处理为铰接点。2 4