外文翻譯用有限元的方法對(duì)特高壓輸電桿塔基礎(chǔ)變形進(jìn)行研究

1、基于有限元法的特高壓輸電桿塔基礎(chǔ)變形的研究Fengli Yang,Jingbo Yang,Junke Han,Zifu Zhang摘要 桿塔基礎(chǔ)在煤礦采空區(qū)上方很容易變形，會(huì)嚴(yán)重威脅到安全運(yùn)行的高壓(特高壓)的輸電線路。在本文中，利用普通的軟件ANSYS建立一個(gè)典型的有限元模型的1000-kV特高壓交流傳動(dòng)桿塔，和軸力的復(fù)數(shù)以及它們的變化趨勢(shì)在不同負(fù)載情況下進(jìn)行了分析，其中包括地基沉降,滑動(dòng),和傾角結(jié)合正常的設(shè)計(jì)案例。用有限元方法為不同工況下的地基變形進(jìn)行桿塔分析測(cè)定。它表明了有限元情況下拉伸變形、橫向變形，不均勻沉降,以及水平滑動(dòng)減少，依次，用相同的荷載，基礎(chǔ)變形的有限值在60°以

2、下風(fēng)偏時(shí)為最小，是控制負(fù)載情況下的基礎(chǔ)變形。有限值通過計(jì)算沉陷不低于現(xiàn)行規(guī)定，用管理的方式去評(píng)價(jià)這種壓力是很危險(xiǎn)的，但是桿塔基礎(chǔ)變形在匡正過程中，軸力參數(shù)是除了承載力的水平滑動(dòng)和桿塔處于安全狀態(tài)以外最關(guān)鍵的。關(guān)鍵詞 基礎(chǔ)變形，煤礦采空區(qū)，有限元，校正，特高壓輸電塔。I.簡(jiǎn)介根據(jù)地形特征的限制和走廊條件，輸電線路通常通過采空區(qū)的煤礦，在中國(guó)一些不超過500千伏的輸電線路穿越了廢棄的礦區(qū)。輸電線路桿塔基礎(chǔ)將會(huì)被沉降，傾斜或者滑動(dòng)所毀壞。然后，隨著塔腿的張開度和高度差的變化，塔結(jié)構(gòu)將承受更高得附加負(fù)載，塔體的一部分或者整個(gè)的塔體將會(huì)被毀壞，直接威脅鐵塔安全及線路的穩(wěn)定運(yùn)行。 目前在我國(guó)煤礦采空區(qū)已建

3、成的輸電線路中，已有多處鐵塔基礎(chǔ)發(fā)生沉降、傾斜或滑移1-8，如內(nèi)蒙古烏海伊公線50號(hào)鐵塔，山西省長(zhǎng)治市境內(nèi)的110 kV漳庫(kù) I、II 回1522號(hào)鐵塔，庫(kù)襄線26、1744號(hào)鐵塔,220 kV漳長(zhǎng) I、II 回 1115 號(hào)鐵塔，陽淮500 kV輸電線路第3回的S號(hào)塔及第2回的G號(hào)鐵塔，貴州省境內(nèi)的220 kV輸電線路站雞I回021鐵塔，西安110 kV北西線25號(hào)鐵塔等。我國(guó)已開工建設(shè)晉東南南陽荊門 1 000 kV特高壓輸電線路工程，特高壓輸電線路電壓等級(jí)高、容量相當(dāng)于 46 條 500 kV輸電線路的輸送容量5，一旦發(fā)生事故，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和受端電網(wǎng)將造成災(zāi)難性的沖擊，特高壓線路的安

4、全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的安全，這對(duì)線路的可靠運(yùn)行提出了更高要求。特高壓線路在山西、河南, 將穿越較長(zhǎng)的煤礦采空區(qū)，采空區(qū)特高壓鐵塔基礎(chǔ)發(fā)生形變后以及扶正過程中鐵塔受力情況成為人們關(guān)注的問題。 根據(jù)輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定中對(duì)不同塔高的地基沉降變形值做出了相關(guān)規(guī)定，而對(duì)基礎(chǔ)不均勻沉降和發(fā)生水平滑移等情況的限值還沒有明確規(guī)定，目前，對(duì)采空區(qū)基礎(chǔ)變形鐵塔的研究大多數(shù)集中在變形后鐵塔基礎(chǔ)的扶正或加固技術(shù)方面，而對(duì)基礎(chǔ)變形后以及扶正過程中鐵塔的狀況缺乏深入研究。 由于對(duì)基礎(chǔ)變形特高壓鐵塔進(jìn)行真型試驗(yàn)研究耗資巨大，且難以實(shí)現(xiàn)。因此有必要通過對(duì)基礎(chǔ)發(fā)生沉降、傾斜或滑移后的鐵塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析，給出鐵塔

5、在正常運(yùn)行工況下沉降量、傾斜量或滑移量限值；對(duì)扶正過程中的鐵塔進(jìn)行內(nèi)力分析，得到鐵塔桿件的內(nèi)力變化趨勢(shì)，為煤礦采空區(qū)特高壓輸電鐵塔基礎(chǔ)變形后及扶正過程中的健康狀況評(píng)價(jià)提供參考和依據(jù)。II.分析插圖選取晉東南南陽1 000 kV 線路中的ZBS2直線塔進(jìn)行分析，該塔滿足大風(fēng)、覆冰、安裝等正常工況的使用要求。1 000 kV 交流特高壓輸電線路采空區(qū)桿塔采用大板基礎(chǔ)，其荷載情況及使用條件為：設(shè)計(jì)風(fēng)速在10m參考高度為30米/秒,設(shè)計(jì)冰層的厚度是10毫米。這座塔的高度58.5米下圍是12米。金屬導(dǎo)線與地線的水平和垂直分別被設(shè)計(jì)為560 m和800米。導(dǎo)體與地線的類型是LGJ-500/35和JLB20

6、A-170。計(jì)算規(guī)格和假設(shè)如下。1) 有限元分析計(jì)算方法在12和13中是考慮的規(guī)格，被用于在煤礦采空區(qū)的基礎(chǔ)變形的塔的結(jié)構(gòu)分析，塔的應(yīng)力狀態(tài)是根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果來估計(jì)的。設(shè)計(jì)的成員的承載力可以通過12和13中的公式來計(jì)算。設(shè)計(jì)力量被假定為和成員力量的臨界值一樣。2) 分析案例的總數(shù)為34，案例的圖解在圖2中顯示出來。分析主要集中于結(jié)匯、傾角、或滑動(dòng)的基礎(chǔ)變形，與工作負(fù)荷量為90風(fēng)，60風(fēng)，10mm附冰荷載以及安裝負(fù)荷相結(jié)合。在不同負(fù)荷案例下的有變化的成員力量是由有限元計(jì)算分析算出來的。3) 風(fēng)向和基礎(chǔ)變形的關(guān)系顯示在圖三。編號(hào)A、B、C、D是指塔的四個(gè)節(jié)點(diǎn)足。A-C變形是在與風(fēng)相反的方向，B-

7、D變形是沿著風(fēng)向朝下的。風(fēng)向之間的關(guān)系及地基變形是顯示在圖3。號(hào)碼A、B、C、D是指塔的四個(gè)節(jié)點(diǎn)足。A-C變形以及隊(duì)伍在相反的方向的風(fēng)、變形B-D隊(duì)伍在沿下風(fēng)向?；h(huán)梁底板圖1.大型基礎(chǔ)底板簡(jiǎn)圖III. 分析模型一般的有限元分析軟件是被應(yīng)用于基礎(chǔ)變形14, 15的塔結(jié)構(gòu)分析。支柱成員和中級(jí)成員分別模擬了塔的BEAM4元素和Link8元素。BEAM4是一種帶有電壓，壓型，扭力和彎曲能力的單軸元素。LINK8是一種在每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三種轉(zhuǎn)化自由度的三維單軸方法元素。支柱之間的聯(lián)系是剛性的，中級(jí)成員之間的聯(lián)系是鉸鏈?zhǔn)降摹D四顯示出塔的有限元分析模型。圖3.各工況下的承載力60°風(fēng)基礎(chǔ)順風(fēng)方向圖

8、2.風(fēng)向與鐵塔基礎(chǔ)變形關(guān)系圖4.鐵塔有限元模型在分析過程中，負(fù)荷措施是由一個(gè)合理值創(chuàng)造出來的，基礎(chǔ)變形和已獲得的關(guān)鍵成員的承載力的關(guān)系彎曲了，有限的值的不同種類的地基變形進(jìn)行測(cè)定。不同類型的基礎(chǔ)變形的有限值是已定的。假定成員在工作載荷包括括風(fēng)力、荷載冰塊和基礎(chǔ)變形下處于一種彈性狀態(tài)。當(dāng)塔基礎(chǔ)傾斜的時(shí)候，整個(gè)變形塔變大，產(chǎn)生附加力矩。在有限元分析軟件中，大變形的選擇應(yīng)該處于開啟狀態(tài)，塔的大變形的效果可以參照1620.表1.塔角約束條件圖5 基礎(chǔ)滑移和不均勻沉降圖圖6 基礎(chǔ)橫線路變形模式基礎(chǔ)變形的固定，傾斜或者滑倒可以被塔下腳的不同受約束的類型模仿。對(duì)不同情況下的塔下腳的約束顯示在表格I。烏斯和電

9、壓是垂直方向和縱向方向的直移的自由度，ROTY是輸電線路縱向的轉(zhuǎn)動(dòng)式自由度。當(dāng)基礎(chǔ)的橫斷面或者縱向變形時(shí)，塔下腳一面是固定的，另外一面是固定的或者傾斜的。基礎(chǔ)的下滑沉陷的案例見圖5。當(dāng)基礎(chǔ)滑動(dòng)了的時(shí)候，塔下腳的一邊是固定的，另外一邊向水平方向飛快行進(jìn)。由于基礎(chǔ)是不均勻固定的，四個(gè)塔腳的其中一個(gè)是固定的，其他三個(gè)以2:5:10的比例固定起來。固定值指的是四個(gè)腳的最大的垂直位移。IV. 承載力分析 在這個(gè)分析中的34個(gè)載荷案例，只有在60風(fēng)力下的塔的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，詳細(xì)的陳述了連同沿著輸電線的縱向方向的基礎(chǔ)變形。沿著輸電線的縱向方向的基礎(chǔ)變形有兩種方式，其中包括圖6(a)中的大型覆蓋件的基礎(chǔ)的固定的

10、和失效圖6(b)中當(dāng)大型覆蓋件的基礎(chǔ)沒有破裂的時(shí)候基礎(chǔ)傾斜。A.大變形效果根據(jù)輸電線路的操作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同類型的基礎(chǔ)變形來說，基礎(chǔ)沉降的有限值相對(duì)而言比較低。當(dāng)沉降值在0至100毫米范圍之內(nèi)的時(shí)候，橫向分離器的軸向力近似于沒有考慮到大變形的效果。至于基礎(chǔ)沉降，塔身的變形是相對(duì)來說非常小的，附加力矩引起的塔身的變形是可以被忽略的。大變形效果對(duì)基礎(chǔ)沉降塔的成員力量的影響是非常小的。對(duì)那些基礎(chǔ)傾斜的案例來說，基礎(chǔ)附加力矩的引起的塔身的變形是非常有意義的且不容忽視。當(dāng)傾斜值的范圍為0到2.0米, 分離器的軸向力有沒有大變形效果如圖7所示。如果不考慮大變形效果，塔身就會(huì)像一個(gè)剛性的身體一樣一直旋轉(zhuǎn)。成員力

11、量會(huì)隨著基礎(chǔ)傾向的增加慢慢發(fā)生改變?？紤]到一個(gè)大變形效果，就要考慮額外的矩的塔體變形。隨著不斷增加的傾向值，成員力量也會(huì)呈非直線型增長(zhǎng)。B.基礎(chǔ)沉降根據(jù)增加的沉降值的分析結(jié)果，成員軸力分布變化較大的是支架，斜構(gòu)件和塔底部的橫向分離器成員，而軸力的成員在塔的頂部變化的很少。在塔底部的成員的分布如圖8顯示。1)當(dāng)基礎(chǔ)沉降的方向與風(fēng)的方向相同，在橫向分離器成員中軸向力的變化顯示在圖9中，逐漸增加的沉降值會(huì)讓成員力量的絕對(duì)值呈直線型發(fā)展。當(dāng)沉降值增加到34毫米的時(shí)候，成員力量到達(dá)了臨界值。臨界值意味著一成員的軸向力達(dá)到設(shè)計(jì)的承載能力，可以計(jì)算鋼保持穩(wěn)定的屈服點(diǎn)和一個(gè)成員的截面面積。橫向分離器面板下面的

12、斜構(gòu)件成員的力量的變化可以通過圖10看出來。當(dāng)沉降值達(dá)到60毫米時(shí)成員力量到達(dá)了臨界值。橫向分解數(shù)圖8.塔身底部桿件分布圖 隨著基礎(chǔ)沉降的增加，在塔底部的橫向分離器成員是第一次被打破 反過來在分離器成員下面的斜構(gòu)件就會(huì)失敗?？紤]到在設(shè)計(jì)塔的承載力邊 緣，假定成員在軸向力達(dá)到臨界值的120%多的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)故障，在有限元模擬中，出現(xiàn)故障的成員就應(yīng)該被刪除，如圖11上所示。圖9.基礎(chǔ)沉降橫向力分解數(shù)的軸向力臨界值沉降值（毫米）橫向力分解數(shù)根據(jù)分析結(jié)果, 在橫向分離器面板上的斜構(gòu)件的軸向力變化的比較大，不同沉降值的軸向力的變化如表2所示。當(dāng)沉降值增加到大約134毫米, 在橫向分離器面板上的斜構(gòu)件的軸

13、向力達(dá)到臨界值的120%，塔就處于故障狀態(tài)了。2) 當(dāng)基礎(chǔ)沉降的方向與風(fēng)的方向相反的時(shí)候，成員力量的變化就與沿風(fēng)的方向向下是一致的，當(dāng)沉降值大約10毫米的時(shí)候，橫向分離器的成員和分離器面板下的斜構(gòu)件都是第一次被折斷了。當(dāng)沉降值增加到80毫米，在橫向分離器面板上的斜構(gòu)件的軸向力達(dá)到臨界值的120%，塔就處于故障狀態(tài)了。C.基礎(chǔ)傾向在一個(gè)大型的平板旋轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上，塔可以旋轉(zhuǎn)。在這種場(chǎng)合下,大變形的選擇應(yīng)該從幾何非線性中挑選出來，在有限元分析中是一種典型的大變形分析。在結(jié)構(gòu)分析中可以考慮幾何非線性的影響，塔的傾向可以被當(dāng)大型大型覆蓋件的基礎(chǔ)正在傾斜的時(shí)候，塔腳的垂直位移索引。隨著不斷增加的傾角，支架的軸

14、向力，斜構(gòu)件和在塔底部的橫向分離器成員變化很大。在工作負(fù)荷情況上來看，在塔頂?shù)某蓡T的壓力相對(duì)來說比較低，塔頂?shù)闹饕蓡T在基礎(chǔ)傾向時(shí)沒有被打破。支柱，斜構(gòu)件塔底部的橫向分離器成員的軸向力的變化是被重要研究的。1）當(dāng)基礎(chǔ)傾向是順風(fēng)的時(shí)候，橫向分離器成員主要承受張力。橫向分離器成員的力量的變化見圖12.隨著傾向值的增加，軸向力成員成非直線性增加。軸向力的擬合曲線大約是第二次拋物線。當(dāng)傾向值達(dá)到1805毫米的時(shí)候，軸向力到達(dá)臨界值。 在橫向分離器平板的下面支柱的軸向力的變化如圖13所示。隨著傾向值的增加，軸向力的絕對(duì)值大約是呈直線型增加。當(dāng)傾向值達(dá)到1274毫米的時(shí)候，軸向力成員達(dá)到臨界值。支柱比橫向

15、分離器成員斷的要早。隨著大型平板基礎(chǔ)的傾向，塔偏向的程度變化很大。當(dāng)偏向程度達(dá)到1274毫米的時(shí)候，如圖14所示就可以看到塔偏向的分布情況，偏向的最大值是6405毫米，在塔頂?shù)臋M線擔(dān)處。圖11.去除破壞桿件后的有限元模型下部材料圖10.基礎(chǔ)沉降底部對(duì)角值的軸向力臨界值沉降值（毫米）橫向力分解數(shù)對(duì)基礎(chǔ)傾向的案例來說，塔頂成員的壓力改變了一點(diǎn)點(diǎn)，低于設(shè)計(jì)力量, 因此塔頂處于安全狀態(tài)。塔頂?shù)淖冃吻闆r是非常巨大的，人們認(rèn)為，當(dāng)支柱或者橫向分離器的軸向力達(dá)到臨界值，塔就壞了。所以，當(dāng)傾斜值是1274 mm,塔就處于故障中了。表2 塔身下部斜材承載力2)由于基礎(chǔ)傾向的方向是逆風(fēng)的，隨著不斷增加的傾向值，在

16、橫向分離器面板下的四個(gè)支柱的最大軸向力大約是呈直線型下降的。當(dāng)傾向值達(dá)到1811毫米的時(shí)候，橫向分離器的成員和分離器面板下的斜構(gòu)件都?jí)牧?，塔就出現(xiàn)故障了。橫向分離器成員的軸向力的變化如圖15所示。圖14.基礎(chǔ)傾斜時(shí)鐵塔偏向分布圖15.迎風(fēng)時(shí)主材基礎(chǔ)傾斜的軸向力傾斜量（毫米） 臨界值 V. 基礎(chǔ)變形的有限值 其他負(fù)荷案例的分析過程與第五部分的內(nèi)容是一樣的。輸電線路的橫向和縱向的基礎(chǔ)變形的有限值見表3。不均勻的沉降和滑動(dòng)的有限值見表4。當(dāng)基礎(chǔ)傾向的時(shí)候大型平板基礎(chǔ)沒有壞掉，塔和基礎(chǔ)是作為一個(gè)整體系統(tǒng)變形的。根據(jù)表3的結(jié)果，基礎(chǔ)傾向的有限值相對(duì)來說還是比較高的，所有的都超過了1000毫米。結(jié)合工作負(fù)

17、荷案例,沉降，傾向和在60風(fēng)力載荷下滑動(dòng)的有限值都是最小值。60風(fēng)力載荷案例是基礎(chǔ)變形的中心案例。通過6的規(guī)格，分析塔的基礎(chǔ)變形的有限值是60毫米。沿著輸電線路的橫向和縱向的基礎(chǔ)變形的有限值被計(jì)算出來分別是65毫米和80毫米，比6.的有限值要高。不均勻的沉降的有限值是44毫米，比6.的有限值要低，通過6估計(jì)塔的壓力狀況是非常危險(xiǎn)的。隨著基礎(chǔ)的滑動(dòng)，塔腳口也會(huì)發(fā)生變化，在這種情況下的有限值是最小值。如圖16，在同樣的工作載荷下，有限值是排列好的，順著變形的縱向，橫向，不均勻沉降和水平滑動(dòng)就會(huì)下降。表3.基礎(chǔ)橫線路和順線路變形限值圖16.基礎(chǔ)變形限值 圖17.對(duì)角塔材軸向力的扶正率臨界值扶正率（毫

18、米）VI.分析矯正塔 塔被認(rèn)為是在安裝改正負(fù)荷狀態(tài)下被矯正的。結(jié)構(gòu)分析是在對(duì)塔的矯正過程中進(jìn)行的?；冃芜_(dá)到一定限度時(shí)的壓力狀態(tài)是其最初狀態(tài)。塔基會(huì)分步按比例矯正。如果沉降值或者傾斜值都不高于限定值，那么塔腿、斜構(gòu)件以及塔底部的橫向分離器的軸向力會(huì)隨著不斷增加的矯正率而增加。如果分力不高于臨界值，那么塔就會(huì)處于安全狀態(tài)，排除濕滑的情況。 根據(jù)圖表四中的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)滑動(dòng)值高于290mm，塔就會(huì)開始矯正過程。橫向分離器上面的斜構(gòu)件的分力變化非常劇烈，相應(yīng)的力值變化值請(qǐng)參見表17。隨著矯正率的不斷增加，斜構(gòu)件的力度狀態(tài)會(huì)由緊張變?yōu)閴嚎s。當(dāng)矯正率超過59%，斜構(gòu)件會(huì)破裂，因?yàn)榇藭r(shí)軸向力達(dá)到了它的臨界

19、值。VII.總結(jié)1在90風(fēng)，60風(fēng)工作負(fù)荷、10毫米的吸積冰載荷，以及安裝負(fù)載情況下，地基在60風(fēng)荷載沉降、傾斜、滑動(dòng)的限定值是最低的。60風(fēng)荷載的情況是地基變形的控制情況。2在地基傾斜的時(shí)候，如果大平板基礎(chǔ)不受破壞，那么塔身和塔基變形成為一個(gè)整體系統(tǒng)。它能夠有效地保證在煤礦采空區(qū)的特高壓塔的安全。3對(duì)于基礎(chǔ)傾斜的情況，在該塔底部的橫向分離器，以及分離器上部和下部的斜構(gòu)件將排列錯(cuò)誤。應(yīng)加強(qiáng)這些組件在煤礦采空區(qū)的特高壓塔中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。4塔腿的開合是隨著塔基的滑動(dòng)而變化的。在這種負(fù)荷情況下的最小值就是臨界值。在相同大小的外界負(fù)荷下，隨著在縱向和橫向方向的變形、不均勻沉降和滑動(dòng)，這臨界值會(huì)重新變化排

20、列。5在矯正過程中，如果對(duì)應(yīng)的沉降值或傾斜值不高于其限定值，那么分力將不會(huì)高于臨界值。這時(shí)塔處于安全狀態(tài)，除非它在滑動(dòng)。對(duì)于滑動(dòng)狀態(tài)，隨著矯正率的增加，斜構(gòu)件的力度狀態(tài)從緊張變至壓縮。一旦矯正率超過59%，斜構(gòu)件會(huì)破損，因?yàn)樗艿牧_(dá)到了臨界值。因而在矯正之前，斜構(gòu)件應(yīng)該被加強(qiáng)。6有限元分析結(jié)果是這篇論文中分析塔的基礎(chǔ)變形效果研究的一種有效的輔助方法。在進(jìn)一步研究中，對(duì)于其他類型的電塔，以及其原型和模型的測(cè)試也應(yīng)該進(jìn)行有限元分析。參考文獻(xiàn)1 S. Zhenhua, “Settlement and the treatment plan for the foundation of the tang

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