铝合金输电塔结构选型与抗风失效机理研究

发布时间：2020-04-05 09:34

【摘要】：电力系统的发展对输电塔杆塔的设计提出了新的要求,铝合金材料以其质量轻、耐腐蚀性好及无明显低温冷脆现象等特性,成为输电塔建设的理想材料。由于输电杆塔倒塌事故频发,且铝合金材料弹性模量较钢材更低,因而铝合金输电塔的抗风稳定问题更为突出。目前国内外对铝合金输电塔的研究还不够深入,大多停留在可能性探究的阶段。基于以上背景,本文设计了一种铝合金输电塔,并探究其风荷载下的失效机理和结构薄弱部位,为实际工程设计提供支持。本文主要开展以下几方面的内容:(1)铝合金输电塔的选型针对输电塔建设的环境条件和电力需求,进行铝合金输电塔的方案设计,利用有限元软件建立模型,通过比较选择适合于6082 T6铝合金的输电塔基本模型。选取了跟开、斜率、斜撑拓扑和横隔布置方式这四种输电塔的体型控制参数对其进行参数优化,并将优化后塔型与常用铁塔塔型进行对比,验证了参数优化的必要性和合理性,为工程设计提供参照。(2)L型截面单边连接铝合金构件稳定承载力分析建立适用于铝合金输电塔的L型截面单边连接稳定承载力的数值模拟方法,通过对比规范和试验数值,证明该方法的正确性;针对现阶段输电线路中几种常用尺寸的L型截面进行参数分析,采用最小二乘法进行曲线拟合,建立了适用于铝合金输电塔的L型截面构件单边连接稳定承载力的实用计算方法。(3)考虑双非线性的结构抗风失效机理分析建立优化后的铝合金输电塔结构模型,并进行截面设计;针对容易引发输电塔倒塌的风荷载,进行了风荷载作用和覆冰条件下的风荷载作用两类不同工况下的稳定承载力计算,并通过参数分析探究其失效机理,找出输电塔的失稳规律和薄弱部位,最终给出针对铝合金输电塔抗风稳定的设计建议。
【图文】：

输电塔,钢材料,铝合金材料,密度

而在输电线路的总投资中，杆塔的建设要占 40%左右，因此杆塔设计是否合理，其运输维护是否经济，对电网的发展至关重要。与此同时，由于输电线路的不断扩展，从平原向山区、从温暖地区向寒冷地区，从内陆到沿海地区，环境的改变也对输电塔的建造设计提出了更新更高的要求。在当下输电线路的建设中，我国部分地区（例如云贵地区等）的交通十分不便，导致电力建设中的设备和材料运输困难。虽然我国电力相关部门已经开始致力于电塔结构的优化，以减轻其重量，从而减少输电线路的建设费用，但效果仍然不是十分显著。例如通过变换电塔形式的方式，采用了材料用量更省的细长型输电塔结构，虽然结构重量有所减少，但输电塔结构对风力作用本就敏感，优化后，风荷载将对杆塔的变形和稳定性能产生更加不利的影响，从而使得其安全性得不到保障。现今最常使用的自立式输电塔，多是采用钢材建设而成，如 Q235、Q345 等，如图 1-1 所示。然而，普通钢材密度较大，因而单位体积的重量较大；且钢材料金属性质较活泼，在空气中就很容易锈蚀；而在温度较低的地区，钢材料低温冷脆问题严重，更加制约了铁塔的建设和推广。因此，现今常用的输电铁塔在很大程度上已经不能满足新时期国民经济发展对输电塔的需求。那么，寻找更加适合输电杆塔建设的材料并探索与之匹配的塔型就显得尤为重要。

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由于其独特的化学性能，在表面被腐蚀之后能形成一层致密的保护膜，因而抗腐蚀性能非常好，且铝合金材料低温韧性好，没有明显低温冷脆效应。因此铝合金成为各类建筑的理想材料。近年来，有不少铝合金建筑已经在我国进行建造使用。1997年，国际体操中心在上海建成，采用椭球体网壳的结构形式，是我国铝合金结构在建筑上的较早应用，如图 1-2(a)所示。1999 年，在上海建造了铝合金的空间球面网壳结构的马戏城，，如图 1-2(b)所示。两年后，科技馆也在上海落成，采用了单层椭球面铝合金网壳，不仅结构牢固可靠，而且造型美观，如图 1-2(c)所示；同年，上海植物园中也建造了铝合金网架的植物温室，采用双层网壳的结构设计，最大跨度达到 24m，如图 1-2(d)所示。a) 上海国际体操中心 b) 上海马戏城
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM75;TU395

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