高壓輸電結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的強(qiáng)度分析

李偉

摘 要：近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，高壓輸電結(jié)構(gòu)系統(tǒng)成為電力系統(tǒng)不可或缺的一部分，能夠保障高壓系統(tǒng)的安全性。目前隨著人們用電量的增加，現(xiàn)有的高壓輸電結(jié)構(gòu)系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足大負(fù)荷使用，并且無(wú)法保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行，基于此專(zhuān)家對(duì)高壓輸電鐵塔設(shè)計(jì)了多種加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行加固。輸電線(xiàn)塔是常見(jiàn)的高聳結(jié)構(gòu)，其是大型生命線(xiàn)工程和電力輸送的重要支柱，輸電線(xiàn)塔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能直接影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高壓輸電；結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和環(huán)境的改善，原有的輸電線(xiàn)系統(tǒng)和高壓鐵塔體系已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足新的使用要求。在日常使用過(guò)程中，隨著使用年限的增加，輸電線(xiàn)路會(huì)發(fā)生一些變化，如電壓的等級(jí)、導(dǎo)線(xiàn)的型號(hào)、轉(zhuǎn)角等參數(shù)變化，或者原來(lái)使用的鐵塔，由于局部的屈服或者生銹等造成一定程度的使用缺陷以及強(qiáng)度不足，無(wú)法滿(mǎn)足正常的使用要求。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，高壓塔上的負(fù)載也是各種各樣的，象電線(xiàn)自重或受到天氣變化的影響，還有各種結(jié)構(gòu)形式的高壓輸電塔。象線(xiàn)路電壓的等級(jí)，此外還包括線(xiàn)路沿圖的地形等的因素?；谶@些條件下，如果全部淘汰舊的高壓鐵塔設(shè)備，重新建設(shè)新設(shè)備，不僅給國(guó)家造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且也會(huì)對(duì)人民的正常生活和生產(chǎn)秩序造成嚴(yán)重影響，因此深入探討高壓鐵塔的穩(wěn)定性和其局部承受能力，并對(duì)相對(duì)弱勢(shì)的部分進(jìn)行加固調(diào)整，使原有的高壓鐵塔物盡其用。此外，在某些特殊情況下，如果線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)斷裂，高壓塔也應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，以確保正常的傳輸系統(tǒng)運(yùn)行，并且能夠防止由斷線(xiàn)而引起的損害。

1 高壓輸電結(jié)構(gòu)

高壓鐵塔作為電力輸送的主要支柱，據(jù)統(tǒng)計(jì)約占總投資額的41.5 %，其市場(chǎng)占有率很大，而且高壓鐵塔的安全性和依賴(lài)性也是當(dāng)前社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。從一定程度上來(lái)看，高壓鐵塔的大容量輸電線(xiàn)路系統(tǒng)建設(shè)是社會(huì)發(fā)展的必然成果。另外有關(guān)專(zhuān)家在高壓鐵塔的力學(xué)性能研究中提出靜態(tài)分析是高壓鐵塔的基礎(chǔ)，高壓鐵塔除了受到靜態(tài)負(fù)荷外，大部分時(shí)間都在受動(dòng)態(tài)負(fù)荷的作用控制，而劇烈的振動(dòng)是使高壓鐵塔受到破壞的主要原因之一，象大風(fēng)來(lái)襲，簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)振。高壓輸電線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)是一種耐柔性很好的結(jié)構(gòu)物，在微風(fēng)的情況下，它可以用于穩(wěn)定風(fēng)向，使輸電線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)有較小范圍的振動(dòng)，如果處于特定的風(fēng)向和惡劣環(huán)境下，強(qiáng)烈的風(fēng)向會(huì)使鐵塔振動(dòng)，而使導(dǎo)線(xiàn)也發(fā)生振動(dòng)，導(dǎo)線(xiàn)在振動(dòng)的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致高壓鐵塔也隨之被迫振動(dòng)，這種惡性循環(huán)嚴(yán)重破壞了高壓鐵塔的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。除了風(fēng)力因素以外，還有一些自然災(zāi)害也能引起高壓鐵塔的強(qiáng)烈振動(dòng)受損，象地震等，也可能對(duì)鐵塔造成嚴(yán)重的破壞，對(duì)于這些不確定的動(dòng)態(tài)負(fù)荷來(lái)說(shuō)，也是將動(dòng)態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)化為靜態(tài)負(fù)荷是最有效的方法之一。當(dāng)前隨著高壓鐵塔的裝機(jī)容量、電壓的等級(jí)等的逐步提高，對(duì)高壓鐵塔的性能要求也更加嚴(yán)格，而一旦鐵塔受到損害，短時(shí)間內(nèi)很難恢復(fù)正常，不僅給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失，而且人民的正常生活也受到嚴(yán)重影響。有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)表明，在2000年?yáng)|北吉林省的高壓鐵塔因龍卷風(fēng)、暴雨和冰雹的襲擊等多種自然因素而發(fā)生倒塌。在1999年時(shí)，臺(tái)灣地區(qū)發(fā)生了不到7級(jí)的地震，也導(dǎo)致高壓鐵塔遭遇大規(guī)模的損害。在2001年美國(guó)的高壓鐵塔同樣也受到暴風(fēng)雨的嚴(yán)重摧毀，導(dǎo)致高壓輸電導(dǎo)線(xiàn)被迫中斷。由此可見(jiàn)，對(duì)高壓鐵塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析是必要的，通過(guò)分析并采取一系列加固措施，能夠有效避免高壓鐵塔受到嚴(yán)重破壞。

2 高壓輸電結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的強(qiáng)度配合

傳統(tǒng)的高壓鐵塔是用手工計(jì)算設(shè)計(jì)的，釆用了結(jié)構(gòu)力學(xué)和有限元方法來(lái)對(duì)它進(jìn)行分析，這種情況下，要求設(shè)計(jì)人員必須具備豐富的鐵塔設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和技能。而后者則釆用空間桁架模式進(jìn)行處理，在鐵塔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面有明顯的改善，隨著近年來(lái)電子科技技術(shù)的不斷發(fā)展，高壓鐵塔分析的軟件也日益增多，但是由于對(duì)其數(shù)據(jù)的輸入要求過(guò)于嚴(yán)格，操作過(guò)程很煩瑣，阻礙了鐵塔進(jìn)一步的推廣和發(fā)展應(yīng)用。很多專(zhuān)家根據(jù)高壓鐵塔傳統(tǒng)的固有頻率進(jìn)行研究，而所獲成果并不是很多，大部分把鐵塔的動(dòng)態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)化成靜態(tài)來(lái)處理。通常高壓鐵塔所承受的負(fù)荷有2個(gè)部分，一是高壓鐵塔自身產(chǎn)生的，如自重、自然災(zāi)害引發(fā)等，二是輸電導(dǎo)線(xiàn)對(duì)高壓鐵塔的作用，目前研究重點(diǎn)是高壓鐵塔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性及加固方案等。專(zhuān)家們針對(duì)高壓鐵塔如何加固展開(kāi)了廣泛地研究，象提出要利用且發(fā)揮交叉斜材料以及輔助材料與鐵塔主材的連接孔所起的作用，實(shí)現(xiàn)主體材料與副主體材料形成一字形連接的加固，其次可以采取背靠背的方針，在原本的主材料的基礎(chǔ)上附加一根相同規(guī)格的主要材料，此外，也可以在高壓鐵塔適當(dāng)?shù)奈恢迷黾訖M隔面，對(duì)于高壓鐵塔有局部較弱的部位，可以釆用增大桿件的截面來(lái)提高高壓鐵塔的承載力。對(duì)高壓鐵塔加固方案的選擇是非常重要的，方案的優(yōu)劣不僅影響對(duì)資金的投入，同時(shí)對(duì)加固后的結(jié)構(gòu)存在一定的質(zhì)量影響。合理的加固方案應(yīng)具備以下幾點(diǎn)：加固效果要好，對(duì)鐵塔的使用功能的不利影響能夠降到最低，技術(shù)要可靠，施工方法要簡(jiǎn)便，投入資金要合理，保持外觀(guān)的整齊。另外加固鐵塔結(jié)構(gòu)的構(gòu)造不僅能滿(mǎn)足與新構(gòu)件自身的構(gòu)造，還須考慮到它與原有構(gòu)件的連接是否恰到好處。在傳統(tǒng)的鐵塔構(gòu)件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，專(zhuān)家們以空間桁梁結(jié)構(gòu)的有限元方法為理論基礎(chǔ)，建立并進(jìn)行自立式高壓鐵塔有限元的計(jì)算模式研究及有限元結(jié)構(gòu)軟件分析，有關(guān)專(zhuān)家學(xué)者們以自立式直線(xiàn)型貓頭塔為例，提出了對(duì)高壓鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方案。計(jì)算出鐵塔在特殊環(huán)境下載荷的內(nèi)力與變形程度，還有鐵塔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和一定的穩(wěn)定性。1）根據(jù)鐵塔空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，充分利用空間桁梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元方法理論，建立了一種新型的自立式桁梁混合模型。2）建立了有限元平衡方程。3）用上面的方法對(duì)空間構(gòu)件地認(rèn)真計(jì)算，并結(jié)合有限元軟件進(jìn)行了詳細(xì)地分析和比較，充分驗(yàn)證了此方法的正確性和可行性。4）用新方法通過(guò)對(duì)高壓鐵塔進(jìn)行了合理的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，以及其超負(fù)荷時(shí)的內(nèi)力和穩(wěn)定性，并與傳統(tǒng)的人工計(jì)算設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算設(shè)計(jì)做相應(yīng)的對(duì)比，計(jì)算出鐵塔中的輔助內(nèi)力。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，根據(jù)高壓輸電鐵塔之結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的特點(diǎn)，充分利用了有限元軟件，建立了新型的鐵塔模型——梁桁混合模型，在原有鐵塔無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求的前提下，對(duì)現(xiàn)有鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。專(zhuān)家提出了多種加固的解決方案，從而使加固后的高壓鐵塔在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)供電，不影響鐵塔的正常輸電功能，并且能夠使高壓鐵塔滿(mǎn)足輸電結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

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