摘 要

高压输电塔-线体系是一种用于输送高压电能的高耸柔性体系，常常受到地震作用、风荷载、导线浮冰等荷载的影响，关键部位杆件容易发生疲劳损伤，塔架结构在这些荷载的作用下也易发生整体倒塌破坏，我国南部沿海地区常出现输电塔架损伤破坏的情况。灾害实例分析表明：一方面：我们对输电塔架相关的理论研究不够深入；另一方面：当前对输电塔架防灾减灾控制措施不够完善。所以，结合我国当前研究实际，对输电塔-线体系展开更加深入的基础性研究有着很重要的现实意义。

为此，需要对输电塔架进行模型试验，而对输电塔架的足尺模型试验受经济条件的制约，一般很难进行，所以需要进行相似缩尺模型的试验。进行缩尺模型试验需要一个实际可加工成型并且与理论缩尺模型特性一致的模型，为此需要对理论缩尺模型的截面等进行简化以满足实际加工的要求，同时简化后的缩尺模型与理论缩尺模型之间的静动力特性之间的误差需要在允许范围之内。

因此本文研究以大型实际输电线路杆塔为重要工程背景，以国家自然科学基金项目为支撑，借用SAP2000有限元分析软件，建立了输电塔架结构的足尺模型和缩尺简化模型，分析了缩尺简化模型的动力特性和静力响应与理论模型之间的差值，验证了对缩尺模型的简化操作，为后续对实际缩尺模型的试验做好铺垫。

关键词：输电杆塔；有限元分析；缩尺简化模型；动力特性；静力响应；

Abstract

High-voltage transmission tower - line system is a carrier of high-load energy transmission, is an important lifeline project. Under normal circumstances, the transmission tower - line system with tower height, large span, high flexibility and other common characteristics of high towers and large span structures. Its reaction to the earthquake and wind, wire ice and other environmental load is sensitive, and prone to vibration fatigue Damage and extreme collapse under extreme conditions. In recent years, China's southern coastal areas are often resistant to transmission tower damage and damage reported. The analysis of the disaster shows that there are some defects and shortcomings in the understanding of the load mechanism and the dynamic response characteristics of the structure. On the other hand, due to the limitations and shortcomings of the design theory, the existing structural system Control measures are not reasonable, to be in-depth system of basic research. Therefore, combined with the theoretical research and engineering background of transmission tower and cable system at home and abroad, it is an important issue to solve the basic theory of disaster prevention and disaster prevention.

For this reason, it is necessary to carry out the model test of the transmission tower, and the full-scale model test of the transmission tower is restricted by the economic conditions, which is difficult to be carried out. Therefore, it is necessary to carry out the similar scale model test. The scale model test requires a model that is actually machinable and conforms to the characteristics of the theoretical scale model. For this reason, it is necessary to simplify the section of the theoretical scale model to meet the requirements of the actual machining. Meanwhile, the error of the static and dynamic characteristics between the Simplified scale model and the theoretical scale models needs to be within the allowable range.

Therefore, this paper studies the large-scale actual transmission line tower as the important engineering background, with the support of the National Natural Science Foundation project, using SAP2000 finite element analysis software, the establishment of transmission tower structure of the full model and scale simplified model. The difference of the dynamic characteristics and the static responses between the scale simplified model and the theoretical scale model is analysed, and the simplified operation of the scale model is verified, which will pave the way for the experiment of the actual scale model.

Keywords: transmission tower, finite element analysis, scale simplified model, dynamic characteristics, static response

目录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2输电塔基本情况 1

1.3国内外研究现状 2

1.4本文的主要工作 3

第二章 有限元分析基本理论 4

2.1引言 4

2.2有限元方法 4

2.2.1概念与目的 4

2.2.2有限元分析步骤 5

2.3输电塔结构有限元分析方法 8

2.4空间杆单元 8

2.5空间梁单元 9

第三章 输电塔架的SAP2000分析模型 12

3.1引言 12

3.2单元库中的框架单元 12

3.2.1 局部坐标系 12

3.2.2 截面 12

3.2.3 属性修正 12

3.2.4 释放自由度 12

3.2.5 插入点 12

3.2.6 刚性区 13

3.2.7 质量 13

3.2.8 荷载添加与内力输出 13

第四章 输电塔缩尺简化 14

4.1模型相似理论 14

4.1.1 相似比原理 14

4.1.2 相似比的选取 15

4.2模型缩小操作 16

4.3缩尺模型简化 16

第五章 动力特性分析方法 19

5.1引言 19

5.2自振周期和振型的计算方法 19

5.3代数特征值问题 21

第六章 输电塔原型与缩尺型动力特性对比研究 23

6.1无附加质量原型塔的动力特性 23

6.2无附加质量缩尺塔的动力特性 26

6.3附加结点质量原型塔的动力特性 31

6.4附加结点质量缩尺塔的动力特性 35

第七章 输电塔原型与缩尺型静力响应对比研究 40

7.1原型塔与缩尺简化塔结点位移对比分析 40

7.1.1 只考虑自重工况 41

7.1.2 只考虑塔线张力工况 43

7.2原型塔与缩尺简化塔杆件轴向应力对比分析 46

7.2.1 只考虑自重工况 46

7.2.2 只考虑塔线张力工况 48

7.3原型塔与缩尺简化塔基础反力对比分析 49

7.3.1 只考虑自重工况 49

7.3.2 只考虑塔线张力工况 52

第八章 结论与展望 55

8.1结论 55

8.2展望 55

绪论

1.1引言

输电塔-线体系与人们的日常生活密不可分，而它又很容易受到自然界的地震作用、风荷载等荷载的影响导致损坏。这不仅会对人们正常的社会生产生活造成很大影响，而且很可能引发一些其他的次生灾害^[1]。输电塔架的常见高度为十几米，有的甚至可以达到三百多米。所以，为了获取一些高耸输电塔架的动力特性数据，了解实际工程结构物受荷时甚至破坏时的应力和变形数据，通常需要借助计算机进行建模得以实现。

由于电子计算机技术的发展，各种工程情况下的电子计算方法取得很大进步，但是，在高层高耸结构物实际施工前，检验计算理论中所采用的各种前提、假设是否符合实际，往往需要通过模型试验。同时，若用足尺模型进行试验在很多情况下是无法实现的，而简单地通过直接缩小模型进行试验往往又不能达到目标，因此需要利用相似模型来进行试验。

近年来，我国南部沿海地区常常出现耐张输电塔架损伤和破坏的情况。但是目前我国对输电塔线体系破坏机理和设计方法的研究不够深入和全面，有许多研究方向的空白。因此本文以沿海某大型实际输电线路杆塔为重要工程背景，开展高耸钢结构塔架缩尺简化模型的有限元模型研究，验证对缩尺模型的简化操作是否可行，为后续对缩尺模型的试验研究做好前期工作。

1.2输电塔基本情况

本文研究对象为沿海某220kV输电线路中某GUT4-19干字型耐张输电杆塔。图1-1为

塔线立面图，该塔是一个输电线路中的转角塔，杆件截面为L型角钢，底部根开4.96m×3.89m，塔的呼高为19m，塔腿高度相等，接腿高度为3m，横担以上高度为每层4m，塔高为36米。

图1-1 输电塔正视及侧视图

1.3国内外研究现状

输电塔- 线体系是一种高柔性结构，它组合了高耸的输电塔架和输电导线。在地震、风、雨、浮冰等荷载的影响下, 输电塔结构动力响应明显是非线性的和随机的。目前，国内外学者主要的研究方向为输电塔的动力响应、数值模拟分析计算、输电塔结构的设计改进^[2]。

1. 动力计算模型研究

高耸输电塔架的动力响应分析的首要问题，是其分析模型的建立。 按照工程实际，输电塔架的分析模型应该采用空间桁架和索单元建立，一个输电塔架结构里面可能有结点的铰接、刚接，对不同的杆件连接结点应该采用不同的结点建模，但是实际研究起来过于复杂，所以研究人员一般采用简化的建模的方式，将杆件和结点都统一取一种。再根据工程实际，对其刚度等进行调整。

2. 动力试验与实测研究

受试验条件限制（包括场地和试验模型等），对高压输电塔-体系的试验研究还不是很多。 研究方式包括现场实测、振动台试验、风洞试验等来测量输电塔的荷载响应。用于抗震研究的振动台试验是一种有效的研究手段，但是由于受到场地和模型大小的限制，对塔线体系的规模有很大的限制。

3. 输电塔-线结构设计改进与数值模拟研究