输电塔-线体系连续倒塌的分析方法与流程

本发明属于角钢塔设计
技术领域：
，具体是一种输电塔-线体系连续倒塌的分析方法。
背景技术：
：随着近几年我国经济的迅速发展，社会对电力能源的需求持续增长，超高压甚至特高压输电线路得到广泛应用。在超(特)高压输电线路中，一旦输电塔单塔倒塌后很容易造成相邻的输电塔连续倒塌，因此急需分析出输电塔连续倒塌的过程，为输电塔的设计提供参考。技术实现要素：为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种输电塔-线体系连续倒塌的分析方法。该分析方法能够分析出被破坏后会导致输电塔发生连续倒塌的杆件，在工程设计时应该适当提高该杆件的设计要求，为输电塔的设计提供了参考。本发明采用的技术方案是：一种输电塔-线体系连续倒塌的分析方法，包括以下步骤：s1、分析得到输电塔-线体系有限元模型中待拆除构件的静内力及待拆除构件拆除后输电塔-线体系的自振周期及自振频率；s2、计算出各输电线断裂的时间，编写命令流；s3、杀死待拆除构件生死单元，并在该待拆除构件与剩余结构相连的节点处施加等效静内力；s4、对剩余结构进行瞬态动力分析。作为优选，所述步骤s3中，等效静内力在失效时间内线性减小到0。作为优选，所述步骤s1的分析过程中，在导线张力到达拉断力的时刻依次杀死导线单元。作为优选，所述步骤s1之前还包括步骤：建立输电塔-线体系有限元模型。作为优选，所述步骤s1中输电塔-线体系有限元模型为软件ansys建立。本发明的有益效果如下：本发明能够分析出被破坏后会导致输电塔发生连续倒塌的杆件，在工程设计时应该适当提高该杆件的设计要求，为输电塔的设计提供了参考。附图说明图1为实施例1中建立的有限元模型的结构示意图；图2为实施例1中导线、地线和塔脚编号示意图；图3为实施例1中测点编号示意图；图4为输电塔各竖杆构件编号示意图；图5为输电塔各横杆构件编号示意图。附图标记：1、1号主杆；2、2号主杆；3、3号主杆；4、4号主杆；5、5号主杆；6、6号主杆；7、7号主杆；8、8号主杆；9、9号主杆；10、10号主杆；11、11号主杆；12、12号主杆；13、13号主杆；14、14号主杆；15、15号主杆；16、16号主杆；17、17号主杆；18、18号主杆；19、19号主杆；20、20号主杆；21、21号主杆；22、22号主杆；23、23号主杆；24、24号主杆；25、25号主杆。具体实施方式下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。实施例1：一种输电塔-线体系连续倒塌的分析方法，包括以下步骤：s1、采用ansys软件建立输电塔-线体系有限元模型；建立包含6座特高压直线塔的某特高压输电线路，该有限元模型如图1所示，导线采用四分裂钢芯铝绞线lgj-400/35，地线采用铝包钢绞线jlb40-150，导线、地线设计参数如表1所示，link10单元来模拟导线、地线；导线、地线编号如图2所示；测点、塔脚编号如图3所示，测点1和测点3为塔头顶层横担两边缘处节点；测点2为塔头顶层中点。有限元模型中导线、地线的档距l＝500m，相邻塔体之间的高差h＝0，有限元模型中采用盘形悬式玻璃绝缘子fc160p/155，一个绝缘子串上共有13片绝缘子，总质量为114.4kg。考虑到绝缘子与直线塔之间为铰接连接，在外荷载作用下可能发生摆动，有一定的悬垂效应，因此在建模时采用link10单元对绝缘子串进行模拟，将绝缘子串简化为长度2m、同等质量均匀分布的柔索；表1参数导线(lgj-400/35)地线(jlb40-150)计算面积(mm2)425.24152.81计算外径(mm)26.8216.0计算质量(kg/km)1349696.7弹性模量(mpa)65000105000线膨胀系数(×10-6/℃)20.511.5拉断力(kn)103.978.11分别对输电塔中不同的构件进行编号，编号如图4-5所示。s2、采用悬链线法对架空输电线进行找形分析，架空输电线受到沿索弧长均匀分布荷载q(自重)，其初始状态的解为：索变形曲线：索跨中垂度与导线、地线张力关系式：索长：索最大张力：t＝h×chα；其中h为水平张力，l为档距，h为相邻塔体之间的高差；sh表示双曲正弦，ch表示的是双曲余弦。求解出导线水平张力h1＝323.18kn，地线水平张力h2＝39.73kn。进行输电塔-线体系连续倒塌分析时选择拆除的构件分别为直线塔1的16号主杆，选择塔头顶层中点测点2位移达到1/50输电塔高度为输电塔失效限值；积分时间步长仍取0.02s；待拆除构件的失效时间仍取构件拆除后剩余结构第一自振自振周期的1/10；动力分析的阻尼选择rayleigh阻尼，其对应的输电塔-线体系的质量阻尼系数和刚度阻尼系数如表2所示。表2s3、对输电塔-线体系进行连续倒塌数值模拟分析之前，先用试算法确定所有输电线断裂的时间，考虑到输电线的断线过程十分短暂，将各导线、地线的断线时间取为0.001s，即在导线、地线张力达到拉断力的时刻用ekill命令杀死断线处生死单元，δt＝0.001s时断线求解完毕。使用拆除构件法的流程拆除直线塔1上塔腿16号主杆，对整个体系进行时间历程分析，可以发现第一档内导线、地线张力增大明显最先拉断，同时第一档内每根导线、地线端部单元的轴力略微大于中间单元的轴力，因此选择断线位置为每档导线、地线端部。断线位置选择第一档导线、地线靠近直线塔1的端部。s4、对输电塔-线体系施加重力荷载后，t＝1.000s时静力求解完成；t＝1.020s时，用ekill命令杀死直线塔1上16号主杆单元，在16号杆件两端节点上施加等效静内力，使得剩余结构与原结构静力等效，然后逐渐卸载静内力，当t＝1.520s时，静内力卸载到0，杆件的失效时间为0.500s。导线、地线的断线顺序和断线时刻如表3所示：t＝1.421s时，导线1断裂；t＝1.561s时，导线3断裂；t＝1.721s时，导线5断裂；t＝1.821s时，地线1断裂；t＝2.221s时，导线2断裂；t＝2.361s时，导线4断裂；t＝2.481s时，导线6断裂；t＝2.561s时，地线2断裂。表3断线顺序断线编号断线时刻1导线11.421s2导线31.561s3导线51.721s7地线11.821s5导线22.221s6导线42.361s7导线62.481s8地线22.561s通过试算法计算拆除直线塔1的16号主杆后档距1内导线、地线达到拉断力的时间可以发现，拆除16号主杆后，与16号主杆所在塔腿较远侧最上层横担上的导线1最先达到拉断力，然后同一侧中间层横担上导线3断裂，同一侧最下层横担上导线5断裂，最后位于该侧最上层横担的地线1断裂，t＝1.821s时这一侧的横担上的导线、地线全部断裂。t＝2.221s时另一侧横担的导线、地线也开始断裂，断裂顺序同样是该侧最上层横担上的导线2最先断裂，然后中间层横担导线4断裂，最下层横担导线6断裂，最后最上层横担上的地线2断裂。拆除塔腿16号主杆后，直线塔的塔头向16号主杆所在的塔腿4方向倾斜，与塔腿4相距较远侧横担上的导线、地线应力迅速增大，导线、地线所在横担越高，横担位移越大，由此造成的导线、地线应力增加也越大，由于地线初始应力远远小于导线，因此较远一侧的导线全部由上至下破坏后该侧地线才破坏。与塔腿4相距较远一侧横担上导线、地线的全部断裂使直线塔1的破坏加剧；随后与塔腿4相距较近一侧横担上导线、地线也按照导线由上至下破坏然后地线破坏的顺序断裂，最后档距1内所有导线、地线断裂。拆除直线塔1上塔腿16号主杆后，直线塔1剩余结构内力重分布后发生连续破坏，直线塔1开始向直线塔2倾斜，在t＝2.180s时，直线塔1塔头测点2总位移超过1.882m，直线塔1位移过大失效并继续向直线塔2倾斜。直线塔1发生连续倒塌破坏在较短的时间内依次拉断档距1内8根导线、地线，导线、地线断裂后在直线塔两端造成的张力差又进一步加速了直线塔1的破坏，同时导线、地线不平衡张力沿着导线、地线传递到剩余直线塔上使剩余直线塔发生破坏，最终整个耐张段的输电塔均发生倒塌破坏。在整个耐张段输电塔的连续倒塌破坏过程中，直线塔1的破坏最大，t＝7.42s时，直线塔1的塔头坠落地面。在同一时刻，各直线塔的塔头测点2沿y轴的位移基本是按等比例分布，距离直线塔1越远，直线塔的塔头测点2位移越小。16号主材失效时(t＝1.020s)，塔线体系基本没有位移，直线塔1塔头测点2位移值几乎为0；直线塔1上塔腿16号主材失效后，随着直线塔1位移的增大，拉断一侧全部导线、地线，t＝2.000s时，直线塔1塔头测点2沿y轴位移为0.683m，直线塔2塔头测点2沿y轴位移为0.245m，其他直线塔的位移几乎为0；随着直线塔1向直线塔2倾斜倒塌，导线、地线不平衡张力向剩余直线塔传递，导致剩余直线塔也发生不同程度的破坏。输电塔-线体系静力求解完毕时(t＝1.000s)，整个塔线体系的应力都较小，最大压应力出现在直线塔4塔身主材处，最大拉应力出现在直线塔2塔头处；t＝2.000s时，直线塔1塔脚4的16号主材失效，整塔倾斜并拉断一侧导线、地线后，直线塔最大拉应力235kn和最大压应力239kn都出现在直线塔1上，直线塔1塔身大量杆件屈服，此时整个塔线体系的破坏主要集中在直线塔1上；t＝3.000s时，直线塔1严重倾斜，已经拉断档距1内所有导线、地线，纵向不平衡张力以及突然断线带来的冲击力均通过档距2内导线、地线传递到直线塔2上，塔线体系的最大压应力为293kn，出现在直线塔2的塔身主材上，最大拉应力为232kn，出现在直线塔1的塔腿1主材上。此时直线塔1沿y轴方向发生较大位移，塔腿1主材处于受拉屈服状态，直线塔2受到导线、地线不平衡张力及其冲击作用的影响开始发生破坏，向直线塔3倾斜；t＝4.000s时，直线塔1和直线塔2破坏严重，直线塔3直线塔4也出现了部分杆件屈服，塔线体系发生连续破坏；t＝5.000s时，塔线体系最大压应力出现在直线塔4塔身主材上并使之屈服失效，说明输电塔的破坏已经从直线塔1发展到直线塔4上；t＝6.000s时，塔线体系最大压应力出现在直线塔5塔身上，直线塔5的塔身主材也发生失效破坏。最终整个输电塔-线体系由于直线塔1塔腿16号主材的失效而发生连续倒塌破坏。实施例2-实施例24分拆除1号主杆-15号主杆、17号主杆-25号主杆进行分析。最终分析得到拆除16号主杆和12号主杆会使输电塔单塔发生连续倒塌破坏，因此在工程设计时应该适当提高16号主杆和12号主杆的设计要求。以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。当前第1页12