带线电杆的风荷载有限元分析.pdf
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1、设 计 与 研 究11带线电杆的风荷载有限元分析杨素珍1,2(1.漳州职业技术学院 智能制造学院,漳州 363000;2.福建省特种智能装备安全与测控重点实验室,福州 350003)摘要:采用谐波合成法模拟脉动风,构建一类带线锥形钢筋混凝土电杆的 ANSYS 有限元模型,分析电杆在脉动风载荷作用下的有限元模态和动力学瞬态变化。结果表明:12 级强脉动风不会与该类电杆发生共振;电杆在埋深1/3处应力最大;风载荷作用使得电杆发生扰动,而带线会加大电杆扰动量;通过电杆末端最大扰动量,可有效判断电杆在不同风力等级下的结构稳定性。关键词:电线杆;谐波合成法;风载荷;有限元分析Finite Element
2、 Analysis of Wire Electric Poles with Wind LoadYANG Suzhen1,2(1.School of Intelligent Manufactuing,Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou 363000;2.Fujian Key Laboratory of Special Intelligent Equipment Safety Measurement and Control,Fuzhou 350003)Abstract:Using the harmonic synthesis method to
3、simulate pulsating wind,an ANSYS finite element model of a type of tapered reinforced concrete pole with lines is constructed to analyze the finite element mode and dynamic transient changes of the pole under pulsating wind loads.The results show that strong pulsating wind at level 12 will not reson
4、ate with this type of pole.The pole has the highest stress at 1/3 of the buried depth,and the wind load causes disturbance to the pole.The strip line will increase the disturbance of the pole.The maximum disturbance at the end of the pole can effectively determine the structural stability of the pol
5、e at different wind speeds.Keywords:electric poles;harmonic synthesis method;wind load;finite element analysis电杆是电力输送系统的重要组成部分,可实现电力线路的支撑架空和结构化布局。我国是台风多发地区,受台风脉动载荷影响,每年因台风引起的电杆倾倒问题十分突出1,导致电力中断和短路起火,带来了严重的经济损失和人员伤亡。由于受台风破坏的电杆现场实测成本高、耗时长2,目前又缺乏抗风稳定性模拟分析的方法,无法根据所在地区的实际情况进行结构抗风设计,导致电杆安装后并未达到实际抗风等级要求,是电杆
6、风致倾倒的主要原因。文章提出一种基于脉动风模拟和 ANSYS 有限元分析的带线电杆抗风稳定性分析方法,通过多点脉动风谐波合成法模拟自然产生的随机风载荷,利用整体法模拟钢筋混凝土电杆的特性,运用瞬态运动学对带线电杆在风荷载作用下的末端扰度进行分析,实现对电杆稳定性的准确判断。1脉动风速时程模拟空间任意一点的风速为平均风和脉动风的叠加。平均风的周期一般在十几分钟以上,对结构的影响可以通过静力分析得到。平均风速度V的计算公式为1010khVv=(1)式中:v10为 10 m 高度处的平均风速度;h为风点的高度;k为地面粗糙度系数。脉动风的周期一般为几秒钟,需要依据随机理论对结构进行动力学分析才能得到
7、动力响应。风荷载的模拟是对脉动风而言的。目前,脉动风速时程模拟的主要方法有谐波合成法和线性滤波法,文章使用模拟精度更高的谐波合成法3。谐波合成法使用随机过程来模拟脉动风,风速样本uj(t)的表达式为 1 1()2()cos()jNjjmmlmljmmlmlmu tHt=+(2)mlnmln=(3)Im()arctanRe()jmmljmjmmlHH=(4)式中:t为时间;j为空间风点的序号;N为频率域内的数据采集数目;m=1,2,3,n;l=1,2,3,N;n为模拟空间风点的个数;1l,2l,ml为相互独立的0,2 上均匀分布的随机相位角序列;=u/N;u为截断频率;Hjm(ml)为n阶风速样
8、本功率谱密度矩阵基金项目:福建省中青年教师教育科研项目(JAT201276)。现 代 制 造 技 术 与 装 备122023 年第 9 期总第 322 期S()经过 Cholesky 方法分解后的下三角矩阵H()的矩阵元素。S()=H()H*()T(5)11212212()00()()0()()()()nnnnHHHHHH=H?(6)式中:为频率。一般情况下,结构抗风设计主要考虑顺向风的风振效应。文章使用不随高度变化的水平脉动风速功率谱 Davenport 作为风速谱4,并考虑风速时程的空间相关性,则S()矩阵元素Sij(w)的计算式为()()()()22210224,e,mlijijzzij
9、VVijjjkU xijSSSij+=(7)式中:x=1 200/U10;U10为 10 m 高度处的平均风速;i为空间风点的序号;j为空间风点的序号;zi、zj分别为i点风和j点风的高度值;Vi、Vj分别为i点风和j点风的平均风值。在 MATLAB 环境下模拟电杆顺风向均分分布的20 个空间点脉动风速时程,平均风速采用 12 级风的最高风速 37 m s-1,地面粗糙度选用 B 类地形,即k为 0.004 64,时间步长为 0.1 s。风速时程如图 1 所示,功率谱和目标谱的对比如图 2 所示,可见模拟谱与风速谱十分吻合。20 15 10 5 0-5-10-15-20020406080100
10、时间/s速度/(m s-1)120140160180200图 1空间第 20 点脉动风速时程2有限元模型建模与模态分析选择锥形钢筋混凝土电杆为研究对象,采用整体式钢筋混凝土有限元模型,将钢筋以配筋率的形式添加到 ANSYS/Solid65 单元的实常数中。假定钢筋混凝土具有一定的刚性,即不会出现断裂,则单元间呈现线性行为。103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-2 10-1 100 101时间/s目标普 功率谱 功率图 2功率谱和目标谱对比图钢筋混钢筋混凝土的单元应力与应变关系的总刚度D的表达式为 111rrNNRcRriiiiiVV=+DDD(8)式中:Nr为加固
11、材料的数目;ViR为加固物的体积率;Dc为混凝土的刚度矩阵;Dir为第i根钢筋的刚度矩阵。带线电杆的受力主要包括带导线的横担重力、电杆基础土壤作用力和风载荷。导线和电杆本体受到水平风荷载时,对电杆的稳定性危害最大。文章仅考虑导线和电杆本体在受到垂直方向水平风荷载作用下末端的变形扰度大小。由土力学原理可知,所有土壤作用力中被动土压力最大。假设电杆基础为沙性土,其朗肯被动土压力合力Ep计算公式为Ep=KpH2/2(9)式中:H为埋深;合力作用在距电杆底部H/3 处;Kp=tan2(/4,/2)为朗肯被动土压力系数;为内摩擦角;为土的重力。电杆结构参数配置:高度为9 m,电杆埋深为1.5 m,梢部直
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