考虑SSI效应的特高压输电塔线体系风振响应研究

发布时间：2020-04-07 08:26

【摘要】：高压输电塔是重要的生命线工程,属于高耸轻柔结构,对风荷载比较敏感,在输电塔的设计中风荷载往往起控制作用。以往的分析设计通常按基础固支来处理,然而多数情况下地基并不是刚性的,按基础固支计算的结果可能与实际不符。为了考虑弹性地基对输电塔风振响应的影响,本文对考虑SSI效应的输电塔线体系进行了一系列研究,主要研究内容包括以下几部分:(1)通过ANSYS有限元软件建立输电塔-线-基础-地基整体有限元模型,并进行了模态分析以及风振响应时程分析。分析表明:考虑塔线耦联作用以及地基基础的影响后输电塔各阶频率均有不同程度的降低。考虑SSI效应后,软土地基上采用独立基础的塔线体系塔顶位移响应最大值与均方根值均增大6%以上,塔顶加速度响应减小幅度较小,塔脚支反力峰值均减小,塔底主杆轴力峰值均增大。当地基土为中软土或硬土时考虑SSI效应后塔顶位移及加速度响应变化均不明显,SSI效应可以忽略。基础形式由独立基础改为桩基后,塔顶位移响应增大,塔顶加速度响应减小,塔脚上拔力峰值减小,塔底主要杆件轴力峰值减小。(2)输电塔-线-基础-地基整体有限元模型能够真实模拟土与结构相互作用,但需耗费巨大的计算资源。建立了能够考虑SSI效应的输电塔线体系风振响应分析的两种简化模型,一种是基于ANSYS的简化模型一,将地基土用一系列COMBIN14弹簧单元等效,均匀分布于基础周围;另一种是基于MATLAB的简化模型二,输电线简化为垂链模型,输电塔简化为集中质量模型,地基基础采用S-R模型。采用两种简化模型进行风振响应分析并与整体有限元模型的响应结果做比较分析。分析表明:对于塔线体系,简化模型一的塔顶位移及加速度响应均具有较高的精度,迎风面塔脚的上拔力及塔底主杆轴力峰值误差在10%左右,背风面相应的响应值精度较高;简化模型二的塔顶位移响应误差在10%以内,塔顶加速度响应误差在20%以内。两种简化模型在保证计算精度的同时大大提高了计算效率。(3)基于提出的简化模型二,对考虑SSI效应的输电塔线体系风振响应进行了参数分析,分析了考虑SSI效应的输电塔线体系的风振响应与地基土的剪切波速、基础尺寸、塔脚间距、输电塔档距、风荷载大小、塔体刚度之间的关系。分析表明:随着剪切波速的增大,塔顶位移响应逐渐减小、加速度响应逐渐增大。随着塔体刚度的增大,塔顶位移响应随之减小,但SSI效应的影响趋大,塔顶加速度响应总体趋势是减小。
【图文】：

图 1. 1 受台风 麦莎 影响倒塌的输电塔Fig.1.1 Transmission tower collapsed due totyphoon "Maisha"图 1. 2 受台风 纳沙 影响倒塌的输电塔Fig.1.2 Transmission tower collapsed due totyphoon "Nasha"结构在可变形土上的动力响应不同于固定基座的动力响应。当考虑土体刚度时，结构的振动能量通过基础被传递到地基土中，地基土再反作用于结构，地基土与结构之间形成了一种耦合机制。这种复杂的现象被称为土-结构相互作用（简称SSI）。许多学者对土-结构相互作用已经做过大量的研究工作，有些国家已经将土与结构相互作用的内容列入相应的设计规范中(如 1978 年美国 ATC 建筑抗震暂行规定和中国的《建筑抗震设计规范》等)。人们普遍认为，地震作用时，考虑 SSI 效应是有利的[3]。事实上，国内外的大量理论、试验研究均发现，基于刚性地基假定的结构抗震计算不一定都是安全的，故土-结构动力相互作用对结构动力反应的影响不容忽视[4]。以往对土-结构相互作用的研究多集中于地震作用分析，在风振响应分析方面的研究较少。由于风振分析的荷载输入形式与地震的不同、风与地震的卓越周期不同、输电塔线体系与其他结构形式不同等因素，在风荷载作用下输电塔线体系考虑 SSI 效应是否会得出相同的结论，还需要我们做进一步的分析。

图 1. 1 受台风 麦莎 影响倒塌的输电塔Fig.1.1 Transmission tower collapsed due totyphoon "Maisha"图 1. 2 受台风 纳沙 影响倒塌的输电塔Fig.1.2 Transmission tower collapsed due totyphoon "Nasha"结构在可变形土上的动力响应不同于固定基座的动力响应。当考虑土体刚度时，结构的振动能量通过基础被传递到地基土中，地基土再反作用于结构，地基土与结构之间形成了一种耦合机制。这种复杂的现象被称为土-结构相互作用（简称SSI）。许多学者对土-结构相互作用已经做过大量的研究工作，有些国家已经将土与结构相互作用的内容列入相应的设计规范中(如 1978 年美国 ATC 建筑抗震暂行规定和中国的《建筑抗震设计规范》等)。人们普遍认为，地震作用时，考虑 SSI 效应是有利的[3]。事实上，国内外的大量理论、试验研究均发现，基于刚性地基假定的结构抗震计算不一定都是安全的，故土-结构动力相互作用对结构动力反应的影响不容忽视[4]。以往对土-结构相互作用的研究多集中于地震作用分析，，在风振响应分析方面的研究较少。由于风振分析的荷载输入形式与地震的不同、风与地震的卓越周期不同、输电塔线体系与其他结构形式不同等因素，在风荷载作用下输电塔线体系考虑 SSI 效应是否会得出相同的结论，还需要我们做进一步的分析。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM75

【参考文献】

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本文编号：2617682