硕士学位论文-重冰区超高压输电塔线体系安全性研究.doc

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1、目录 重冰区超高压输电塔线体系安全性研究 重庆大学硕士学位论文 学生姓名： 指导教师： 专 业：固体力学 学科门类：工学 重庆大学资源及环境科学学院 二 O 一一年四月 Study on Safety of EHV Transmission Tower-line System in Heavy Icing Area A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of Engineering By Haoyue Cheng

2、Supervised by Prof. Bo Yan Major: Solid Mechanics College of Resource& Environment Science of Chongqing University, Chongqing, China April, 2011 目录 摘 要 500kV 超高压输电技术已广泛应用于电力传输系统。超高压输电塔线体系具 有塔体结构高和跨度大的特点，其对覆冰及风荷载作用的响应十分敏感，严重时 会发生断线和倒塔事故，影响输电线路的安全运行。因此对重冰区超高压塔线体 系的安全性研究具有重要的工程实用价值。 本论文以 500kV 重冰区超高压输电

3、线路为研究对象，采用数值方法对塔线体 系在重冰、脱冰、断线情况下的安全性进行较全面的研究。首先利用 ABAQUS 有限元软件建立包括输电杆塔、导地线、绝缘子、线夹和间隔棒在内的典型三档 两塔精细有限元模型，通过采用等效密度和等效加速度的方法模拟塔线体系的覆 冰荷载和导地线的脱冰荷载。数值计算得到塔线耦合体系在自重及典型重冰情况 下的应力分布；模拟得到在脱冰以及风和脱冰组合工况下的动力响应，得到杆塔、 导地线等的运动和应力时程，进而分析研究塔线体系的安全性。然后通过定义单 元的“死”与“活”，模拟输电导地线的断裂，进而模拟塔线体系在断线事故下的动 力响应，并塔线体系除断裂导地线外其余构件的安全性

4、进行研究。根据我国现行 输电线路杆塔设计规程及 IEC 标准，对杆塔的安全性进行分析，进而通过与数值 模拟结果的比较，指出现行设计规程中对断线工况的简化计算方法可能存在不足， 并建议引入冲击动力系数考虑断线对杆塔的冲击效应。最后，给出杆塔杆件的破 坏准则，模拟塔线体系在导地线断线时，塔线体系的破坏过程。 本论文研究工作及其结果对 500kV 超高压输电线路杆塔设计具有重要的参考 价值。 关键词：超高压输电线路，塔线耦合体系，数值模拟，安全性。 ABSTRACT 500kV Extra-high Voltage (EHV) transmission technology has been wid

5、ely used in power transmission system. Due to its characteristics of high tower and long span, the EHV transmission line is sensitive to ice and wind loads, which in extreme cases lead to breakage of conductor line and collapsing of tower. The Investigation on safety of transmission line in heavy ic

6、ing area is very important for the safe operation of power supply system. The dynamic responses of typical sections of 500 kV transmission tower-line system in heavy icing area after ice-shedding and wire-broken are numerically investigated comprehensively in this thesis. Firstly, the finite element

7、 models, including transmission towers, conductor lines, ground wires, insulators and spacers, of the transmission tower-line system are created in ABAQUS/CAE. The static load generated by the weight of the ice accreted on the transmission tower-line system and the dynamic loads induced by the ice-s

8、hedding from the electric lines are simulated by means of the modification of the density and the gravity acceleration of the lines. The safety of the transmission system is analyzed based on the dynamic response after ice-shedding. The wire-broken is simulated by setting the element to “death” in t

9、he finite element analysis. I addition, the numerically determined dynamic responses of the transmission tower are compared with those obtained using the Chinese transmission tower design code and the IEC code, and it is indicated that the load simplification in the case of wire-broken proposed in t

10、he Chinese and IEC code for transmission tower design may underestimate the dynamic effect and need to be investigated further. It is suggested that the dynamic effect of the load induced by wire-broken has to be taken into account. Finally, the dynamic process of transmission line system and the br

11、eakage of the tower after wires breaking are numerically simulated by introducing the failure criterion of structure components. The results obtained in this thesis may provide a technique reference for the design of power transmission lines. Keywords: EHV transmission line, Tower-line coupling syst

12、em, Numerical simulation, Safety 目录 目 录 摘摘 要要 III ABSTRACT.IV 目目 录录.V 1 绪绪 论论1 1.1 工程背景及意义1 1.2 国内外研究现状 .2 1.3 本论文主要研究内容 .4 2 超高压输电塔线体系有限元模型超高压输电塔线体系有限元模型.5 2.1 ABAQUS 有限元软件简介.5 2.2 塔线体系结构特征及物理参数6 2.2.1 导地线型号及物理参数6 2.2.2 绝缘子串和间隔棒的型号及物理参数6 2.2.3 杆塔的几何特征及物理参数6 2.2.4 重冰区典型线路段8 2.3 载荷模拟.9 2.3.1 导地线的覆冰和风

13、载荷9 2.3.2 导地线的脱冰载荷11 2.3.3 杆塔的覆冰和风载荷13 2.4 塔线耦合体系有限元模型 .17 2.4.1 绝缘子串和间隔棒有限元模型17 2.4.2 杆塔杆梁空间混合模型17 2.4.3 导线初始构形的确定方法20 2.4.4 塔线耦合体系有限元模型23 2.5 本章小结.24 3 塔线耦合体系在重冰及脱冰工况下的安全性塔线耦合体系在重冰及脱冰工况下的安全性25 3.1 典型线路段的覆冰及脱冰工况25 3.1.1 重冰区覆冰载荷25 3.1.2 重冰区脱冰工况25 3.2 塔线体系自重平衡状态的确定25 3.3 重冰载荷下塔线体系的安全性29 3.4 塔线体系脱冰动力响

14、应及安全性34 3.4.1导地线动力响应及其安全性.35 3.4.2 杆塔动力响应及其安全性37 3.5 塔线体系在风和脱冰组合工况下的动力响应及其安全性41 3.5.1导地线动力响应及其安全性.41 3.5.2 杆塔动力响应及其安全性44 3.6 本章小结.47 4 覆冰塔线耦合体系在断线工况下的安全性覆冰塔线耦合体系在断线工况下的安全性49 4.1 塔线体系断线动力过程数值模拟及其安全性49 4.1.1 断线计算工况49 4.1.2断线过程数值模拟方法.50 4.1.3 断线过程数值模拟51 4.1.4 断线后杆塔的安全性56 4.1.5 断线后导地线的安全性59 4.2 按设计规程分析杆

15、塔断线工况下的安全性61 4.2.1 设计规程中断线载荷的规定61 4.2.2按设计规程计算时杆塔断线工况下的安全性.61 4.3 现行设计规范中对断线载荷取值的不足63 4.4 本章小结.65 5 断线后杆塔破坏过程数值模拟断线后杆塔破坏过程数值模拟 68 5.1 杆塔和导地线破坏准则及数值模拟68 5.2 断线后塔线体系破坏过程数值模拟69 5.2.1 塔线体系有限元模型及计算工况69 5.2.2 断线后塔线体系破坏过程的数值模拟70 5.3 本章小结.81 6 总结与结论总结与结论 82 参考文献参考文献84 附附 录录 .86 1 绪 论 1 绪 论 1.1 工程背景及意义 高压输电模

16、式自 1952 年在瑞典问世以来，已经历了半个多世纪的发展。随 着现代工业的迅速发展，高压输电模式已从早期的 1kV 线路发展到现在的 110kV、500kV 甚至电压等级更高的输电网络。目前我国 500kV 超高压输电技术 已广泛应用于工程实践中，据有关统计资料，目前我国已经建成并投入运营的 500kV 以上高压输电线路的总里程已经达到 6000 多公里。而由于我国电力资源、 电力市场分布不均，超高压输电线路往往蜿蜒上千公里，穿越多个气象条件区， 对强风、重覆冰区域也无法完全避让。 超高压大跨越输电塔线体系是重要的生命线工程，与一般的架空输电线路相 比，这类输电塔线体系具有塔体结构高度高、跨

17、度大、电压等级高、涉及面广等 特点。对这样的兼有高耸结构和大跨度结构共同特点的输电塔线体系，除地震荷 载外，覆冰与风荷载的作用响应也十分敏感，容易发生极端条件下的动态倒塌破 坏。由于目前对塔线体系抗灾理论研究的不完善，在覆冰与风荷载作用下倒塔事 故时有发生，对人民生活和国民经济造成的不良影响和危害十分巨大，如图 1.1-1.4 所示。特别是从 2008 年 1 月 10 日开始，我国华中、华东部分地区出现长时间持 续的大强度、大范围低温雨雪冰冻天气，导致湖南、江西、浙江、安徽、湖北等 地的电网发生倒塔、断线、舞动、覆冰闪络等多种灾害。受灾区域内 626 条 500kV 线路，累计停运 119

18、条，停运率 19.01。表 1.11为此次冰灾杆塔受损情 况统计表。由于输电塔线体系是一种复杂的空间耦联体系，在覆冰和风荷载作用 下的耦合效应试验模拟与理论分析困难。因此，采用数值模拟方法对塔线体系的 在冰、风载荷作用下进行系统的研究，建立成熟完善的研究理论与方法，改良杆 塔设计方法，提高结构设计质量确保电网安全可靠地运行已经迫在眉睫。 图 1.1 输电杆塔倒塌图 1.2 横担破坏 Fig.1.1 Collapsing of transmission tower Fig.1.2 Destroying ofcross arm 图 1.3 间隔棒的损毁图 1.4 绝缘子串的损毁 Fig. 1.3

19、Destroying of spacer Fig.1.4 Destroying of insulator string 表 1.1 2008 年冰灾杆塔受损情况统计表1 Table 1.1 Statistical results of the damaged transmission tower in 2008 ice disaster 电压等级倒杆塔数量受损杆塔数量受损率 500kV6782950.742% 220kV14325860.697% 110kV1788421- 35kV23051041- 10kV16637110503- 1.2 国内外研究现状 线路设计中必须保证输电塔线体系在覆

20、冰、脱冰过程中以及在冰、风载荷共 同作用下的结构安全性，同时也规定了在某些导线断裂情况下仍然要保证线路的 其他构件的安全性。因此，输电线路在冰、风载荷作用下发生的安全性问题在国 内外已引起广泛关注。 导线脱冰过程的研究主要分为实验研究和数值模拟研究，脱冰对塔线体系的 安全性影响由于塔线体系的复杂性，其研究主要是采用数值模拟方法。在试验研 究方面自 1950 年用静荷载模拟导线脱冰的报告发表以来，世界各国对输电线脱 冰过程进行了许多实验研究。Morgan 等人2对一个 132kV 的五档输电线路作了一 系列试验，通过在档中点释放固定载荷来模拟脱冰过程，并测出了各档的跳跃高 度。Stewart 3

21、通过实验来说明了覆冰对输电线路的影响，Jamaleddine 等人4在人 工气候实验室对一个两档的输电线路的缩小模型做了多种脱冰工况的模拟，通过 等效系数的换算可以将试验结果用到实际的输电线路中去，而且作者还对所使用 的试验模型进行了数值模拟，模拟结果和实验结果吻合。但是以上的研究都只考 1 绪 论 虑了导线的脱冰运动轨迹以及安全性，并没有考虑脱冰过程对杆塔的影响以及对 塔线体系安全性的危害。在数值模拟方面，Roshan Fekr 5、Kalman6等人都采用 有限元方法对多种工况下导线的脱冰过程运动轨迹及应力分布进行了研究，陈将 等7用 ABAQUS 有限元软件研究了三档耐张段线路的脱冰动力

22、响应问题，得到了 脱冰后导线位移与应力的变化过程。严波等8针对 500kV 四分裂导线数值模拟研 究了其脱冰动力响应问题。以上的数值模拟研究也仅仅是关注了导线在脱冰过程 中的响应，并没有考虑导线脱冰对塔线体系，特别是杆塔的安全性的影响。 McGlure 和 Lapointe9用数值方法模拟了输电线路中某一点突然脱冰等冲击载荷 下整个输电线路的动力响应。但是其仅采用了二维的杆塔模型，这与实际有较大 差异。李黎等10利用有限元软件 ANSYS 建立塔线耦合有限元模型，分析了晋 东南-南阳-荆门 1000kV 输电工程大跨越塔线耦合体系的脱冰振动，重点讨论塔线 体系脱冰后塔体的振动响应，但未对塔线体

23、系的安全性进行讨论。晏致涛等11以 向家坝-上海 800kV 特高压直流输电线路为对象，建立单塔两档有限元模型，但 是模型中将六分裂导线等效为一单导线，仅分析了脱冰工况下导地线跳跃高度、 最大水平张力、绝缘子内力和摆动位移、支座反力等变化规律，未对杆塔的响应 和塔线体系的安全性进行讨论。 关于输电线路断线产生的非平衡力和震荡问题的研究也已有报道。在早期的 研究中，Fleming12等用静力平衡法分析了线路断线不平衡张力, 并编写了相应的 计算程序。 Siddiqui13、Mozer14和Thomas15等先后分别研究了断线前后的静态 张力的变化和断线过程中的动态张力的变化。李黎16等人研究了输

24、电线断线的震 荡，指出了在发生断线过程中在离断线点较远的线路处会有动力放大效应。但是， 这些工作均没有考虑塔线体系的耦合作用。McGlure 和Lapointe在文8中也研究 了线路中某结构突然失效后对塔线体系的冲击效应，但是其采用的是二维模型， 与实际有差异。夏正春等人17通过建立三维杆塔模型，利用弹簧模拟导地线，研 究了断线后杆塔的动力响应，但没有考虑塔线之间的耦合作用。刘云等人18通过 建立鼓型塔线耦合模型，研究了绝缘子破坏情况下塔线的动力响应。但是没有对 其安全性进行分析讨论。沈国辉等人19研究了塔线耦合体系在不同根数子导线断 裂情况下，导地线和杆塔所受的冲击作用，但是其在模型中忽略了

25、分裂导线的间 隔棒对发生断裂的子导线的牵制作用，使其断线过程与实际还有一定的差异。至 今为止还未发现对三维塔线体系在断线情况下的动力响应及安全性进行系统的研 究。 综上所述，目前已有的关于覆冰输电线路在脱冰、断线情况下动力响应的数 值模拟研究相对较为简单，没有系统的考虑覆冰、脱冰、断线及风载荷对塔线体 系安全性的影响，也未对塔线体系的破坏准则进行研究。 1.3 本论文主要研究内容 本论文以典型 500kV 重冰区超高压输电线路为对象，建立包括杆塔、分裂导 线、地线、间隔棒和绝缘子串的塔线耦合体系精细有限元模型，数值模拟研究线 路在覆冰、脱冰和断线工况下的安全性。主要研究内容如下： 建立塔线体系

26、精细有限元模型，研究覆冰、脱冰和断线数值模拟方法。 数值模拟研究塔线耦合体系在覆冰、风载、脱冰以及风载荷联合作用工况下 的动力响应，研究塔线体系在这些工况下的安全性。 数值模拟研究塔线耦合体系在不同断线工况下的动力响应，通过与我国现行 设计规程和 IEC 标准中对断线情况下杆塔强度校核的对比，指出设计规程中 的不足。 给出杆塔和导地线的破坏准则，在此基础上数值模拟断线后塔线体系的破坏 过程。 2 超高压缩电塔线体系有限元模型 2 超高压输电塔线体系有限元模型 本章重点讨论利用 ABAQUS 软件建立输电塔线体系有限元模型的方法以及 500kV 输电塔线体系有限元模型的建立。 2.1 ABAQU

27、S 有限元软件简介 ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相 对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。它是一个协同、开放、集成的多物 理场仿真平台。 ABAQUS 为真实世界的模拟提供了开放的多物理场分析平台。ABAQUS 包 括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库， 可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、 钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模 拟工具， ABAQUS 除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工 程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电

28、耦合分析、声学分析、岩土力 学分析（流体渗透 / 应力耦合分析）及压电介质分析。 ABAQUS 为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。大量的复杂问 题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来。在大部分模拟中，甚至高度非 线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结构的几何形状、材料性质、边界条 件及载荷工况。在一个非线性分析中，ABAQUS 能自动选择相应载荷增量和收敛 限度。他不仅能够选择合适参数，而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效 地得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果。 ABAQUS 有两个主求解器模块： ABAQUS/Standard 和 ABAQUS

29、/Explicit。ABAQUS 还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人 机交互前后处理模块ABAQUS/CAE。ABAQUS 对某些特殊问题还提供了专用 模块来加以解决。ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复 杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非 线性问题。ABAQUS 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以 做系统级的分析和研究。ABAQUS 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来 说是独一无二的。由于 ABAQUS 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得 ABAQUS 被各国的工业和研究中所广泛的采用。ABA

30、QUS 产品在大量的高科技 产品研究中都发挥着巨大的作用。 2.2 塔线体系结构特征及物理参数 2.2.1 导地线型号及物理参数 研究的 500kV 超高压输电线路采用四分裂导线，分裂导线型号为 A3/S3A- 732/92，地线型号为 GJ-240。导地线的物理参数如表 2.1 所示。 表 2.1 导地线物理参数 Table 2.1 Parameters of conductor and ground wire 名称型号 弹性模量 （MPa） 截面积 （mm） 线重 （kg/m） 直径 （mm） 抗拉应力 （MPa） 导线A3/S3A-732/9267000824.72.7537.4424.

31、2 地线GJ-240181420238.761.9005201440.72 2.2.2 绝缘子串和间隔棒的型号及物理参数 典型耐张段的绝缘子串为 4X420kN 四联耐张绝缘子串，其全长 8145mm，总 重 2871kg。间隔棒型号为 FJZ-500/732，外型尺寸为 500mmX500mm，总重 13.5kg，如图 2.2 所示。 图 2.2 FJZ-500/732 型间隔棒 Fig 2.2 SpacerFJZ-500/732 2.2.3 杆塔的几何特征及物理参数 研究的典型 500kV 重冰区耐张段线路杆塔为 JB16G 型铁塔，塔全高 74m， 呼称高度 57m，其外型及主要尺寸分别

32、如图 2.3 所示。 JB16G 耐张塔由角钢组合而成。杆塔不同位置采用了不同的材料，包括 Q235、Q345 和 Q420 三种，其材料参数如表 2.2 中所列。该耐张塔的构件型号及 其截面积如表 2.3 中所列。 2 超高压缩电塔线体系有限元模型 表 2.2 杆塔材料物理力学性能 Table 2.2 Mechanical properties of materials in the tower 钢种厚度(mm) 抗拉、压、弯 曲强度(MPa) 弹性模量 （MPa） Poisson 比 密度 (Kg/m3) 16215 Q235 1640205 2.061050.37.8103 16310

33、Q345 1640295 2.061050.37.8103 16380 Q420 1640360 2.061050.37.8103 表 2.3 JB16G 杆塔构件型号及截面积 Table 2.3 Components of tower and their cross-sectional area 构件型号 截面积 （mm2） 构件型号 截面积 （mm2） 构件型号 截面积 （mm2） L40x3235.9L40x4308.6L45x4348.6 L50x4389.7L50x5480.3L56x4439.0 L56x5541.5L63x5614.3L63x6728.8 L70x5687.5L7

34、0x6816.0L75x5741.2 L75x6879.7L80x6939.7L80x71086.0 L90x71230.1L90x81394.4L100x81563.8 L100x101926.1L110x81723.8L125x81975.0 L125x102437.3L125x122891.2L140x102737.3 L140x123251.2L140x143756.7L160x123744.1 L160x144329.6L180x124224.1L180x 144889.6 L180x165546.7L200x166201.3L200x207650.5 L200x249066.1 图

35、 2.3 JB16G 型输电铁塔 Fig 2.3 Transmission tower JB16G 2.2.4 重冰区典型线路段 分析的 500kV 超高压输电典型线路段如图 2.4 所示。针对该模型，通过改变 档距和高差等，以研究这些结构因素对塔线体系在覆冰、脱冰和断线等工况下力 学响应的不同影响。在计算模拟中，塔 I 和塔 II 均为 JB16G 型铁塔。 （a）线路尺寸 （a）Size of transmission line section 74m 57m 21.26m21.26m 21.9m 200m200m200m 2 超高压缩电塔线体系有限元模型 （b）构件名称及编号 （b）Se

36、rial number and name of transmission line section 图 2.4 包含三档两塔的典型耐张线路段 Fig 2.4 Typical transmission line section 2.3 载荷模拟 2.3.1 导地线的覆冰和风载荷 导地线覆冰后承受冰荷载的作用，如果假设冰均匀覆盖在导地线上，由于覆 冰的强度可以忽略不计，故可以通过增加导地线的密度来模拟作用在导地线上的 覆冰静力荷载。值得注意的是，此时不改变导地线模型的截面积。因此，在计算 导地线覆冰后的平衡状态时，可以通过赋予模拟导地线的单元以等效密度来模拟 载荷。覆冰后导地线的等效密度可由下式计

37、算 （2.1） 21 21 A WW 式中 W1和 W2分别为单位长度导地线的自重和覆冰重量，A 为其截面积。 在计算导地线在覆冰载荷作用下的静力平衡状态时，有两种方法。其一是 计算得到导地线在自重力作用下的平衡状态，然后再施加覆冰载荷得到覆冰后 的静力平衡状态。另一种更简单的方法是计算得到导地线的原始长度，然后赋 予导地线以由（2.1）式计算得到的等效密度，直接计算其在覆冰作用下的静力 平衡状态。22后一种方法易于在 ABAQUS 软件系统中实现。 根据架空高压输电线路设计手册23，作用在电线上的风荷载按下式计算 （2.2） 2 322 sin 10sin)()2(625 . 0 cHH h

38、Hcscx lp vKldW 式中为电线风压不均匀系数，在检验电气间隙计算张力和风荷载情况下，其值 与基准高度的风速有关；是电线体型系数，其值根据电线外径和有无覆冰来 sc 档 I 档 II 档 III 塔 I 塔 II 地线 II 地线 I A 相导线 B 相导线 C 相导线 确定；为风荷载调整系数，其值与基准高度的风速有关；d 为电线直径；为 c 覆冰厚度；为水平档距；为电线平均高为 h 处的风速高度变化系数；v 为风 H l h K 速；为风向与导线轴向之间的夹角；为电线单位长度上的风载荷，其计算公 H p 式为 （2.3）N/m10)()2(625. 0 32 vKdp hscH 由式

39、（2.18）可知，电线承受的风压与覆冰厚度直接相关，针对不同的脱 冰率，脱冰后的覆冰厚度各不相同，故在模拟风荷载时，要根据不同的脱冰率 来确定电线脱冰后受到的风压大小。 若电线覆冰后承受的风压为，可以通过下式将其转换为水平方向的惯性 H p 力 （2.4） wH Vgp 式中 V 为单位长度电线的体积，其数值大小等于截面积 A。即可以对电线在水平 方向施加惯性加速度 （2.5） 21 WW p A p g HH w 以反映风荷载的作用。对于脱冰档电线，脱冰后由于覆盖在其上的冰厚减小，作 用在导线上的风压也将减小。若脱冰率为，则有如下关系 （2.6）)2( 4 1 )1 ( 22 2 ddVW

40、iii 求解此方程可以得到不同脱冰率脱冰后剩余覆冰的厚度，将其代入式（2.4） 可得新的风压 （2.7）N/m10)()2(625 . 0 32 vKdp hscH 如前所述，脱冰档电线的等效密度取，因此，该档脱冰前用于等效风荷载的惯 性加速度为 （2.8） )1 ( 21 WW p A p g HH w 脱冰后惯性加速度则为 （2.9） )1 ( 21 WW p A p g HH w 根据电力工程高压送电线路设计手册中对相关系数的规定，利用（2.8） 至（2.9）式，可以计算得到脱冰档电线不同脱冰率对应的风压和等效惯性加速度。 针对导线和地线的计算结果分别列于表 2.4 和 2.5 中。 2

41、 超高压缩电塔线体系有限元模型 表 2.4 导线 A3/S3A-732/92 脱冰前后的等效惯性加速度（风速 15m/s） Table 2.4 Equivalent acceleration of conductor (wind speed=15m/s) (m/s2) w g (m/s2) w g （% ） =20mm=40mm=60mm=20mm=40mm=60mm 1003.5625.4037.2441.7211.7211.721 752.7513.0092.8961.7931.7181.565 502.2412.0851.8101.7591.5471.315 251.8901.5961.

42、3161.6991.4051.150 01.6341.2921.0341.6341.2921.034 表 2.5 地线 GJ-240 脱冰后前后的等效惯性加速度（风速 15m/s，覆冰 40mm） Table 2.5 Equivalent acceleration of ground wire (wind speed=15m/s, ice thickness=40mm) （%）（mm）(N/m) H p (m/s2) w g (m/s2) w g 10002.5316.6591.332 7516.4526.6963.5191.862 5026.0479.1242.3921.724 2533.5

43、8911.0311.8111.579 04012.6531.4581.458 2.3.2 导地线的脱冰载荷 利用 ABAQUS 有限元软件，不便于直接给用于模拟导地线的索单元施加均 布载荷，一种简单的方法是将作用在其上的覆冰均布载荷视为体积力，通过改变 惯性加速度来等效均布力的大小。 如覆盖在单位长度导地线上的冰重为 W2，其作用在单位长度导地线上的力为 ，这里 g 为重力加速度。如果由式（2.1）得到导地线的等效密度为，为gW 2 了确保由于赋予导地线等效密度后，导地线在运动过程中惯性力不变，其惯性加 速度仍然等于 g，这是因为 g （2.10） VgVgVggV)( 2121 上式中 V

44、是单位长度导地线的体积，此时其等于截面积 A。由式（2.1）和 （2.10）容易得到 gg 因此，对于覆冰导地线，若在其运动过程中覆冰不脱落，只需给导地线赋予由 （2.1）式确定的等效密度即可，无须改变其惯性加速度。 下面讨论脱冰载荷的模拟方法。若某档导地线脱冰，其脱冰率为，则脱冰 后保留在单位长度导地线上的覆冰重量为，此时导地线的等效密度为)1 ( 2 W （2.11） A WW)1 ( 21 另一方面，导地线在脱冰前的等效密度可以分为两部份，即 （2.12） A W A WW A WW 22121 )1 ( 式中为脱去的部份冰引起的等效密度。脱冰前导地线运动时的惯性力也可分为 两部份，即

45、（2.13） ggg 如果取导地线的等效密度为，须保证脱冰前导地线的惯性力不变，即 （2.14） ggg 由此可得 （2.15） g WW WW gg )1 ( )1 ( 21 21 在此称为等效惯性加速度。即可以通过将要脱冰档导地线的惯性加速度改为， g g 使得将导地线的等效密度改为后，保证其惯性力不变。这样一来，脱冰后只需 将脱冰档导地线的再改为 g 即可模拟由于脱冰引起的冲击载荷。 g 对于不同脱冰率，可由式（2.11）和（2.15）分别计算得到覆冰厚度为 40mm 时，导地线脱冰档的等效密度和等效惯性加速度，计算结果列于表 g 2.6 中。为讨论覆冰厚度的影响，研究过程中考虑了导线不

46、同的覆冰厚度，同理 当覆冰厚度为 20mm、40mm 和 60mm 时，A3/S3A-732/92 型导线脱冰档的等效 密度和等效惯性加速度列于表 2.7 中。 g 表 2.6 不同脱冰率对应的导地线等效密度和等效惯性加速度 (覆冰 40mm) Table 2.6 Equivalent density and acceleration of conductor and ground wire (ice thickness=40mm) 等效密度（） 3 kg/m等效惯性加速度（） g 2 m/s 脱冰率 （%） A3/S3A-732/92GJ-240A3/S3A-732/92GJ-240 100

47、3334.5457959.87640.97844.774 755986.72215061.57022.82423.662 508638.89922163.26015.81716.080 2511291.08029264.95012.10212.178 013943.25036366.6409.8009.800 2 超高压缩电塔线体系有限元模型 因此，在数值模拟线路脱冰振动过程时，对于不脱冰档，只需给导地线赋以 由式（2.16）确定的等效密度，并给定惯性加速度 g 即可。对于脱冰档，则对 导地线赋予由（2.11）确定的等效密度，且在脱冰前赋予由式（2.15）确定的 等效惯性加速度，脱冰后将其改为

48、 g 即可。 g 表 2.7 不同脱冰率下导线 A3/S3A-732/92 的等效密度和等效惯性加速度 Table 2.7 Equivalent density and acceleration of conductor 等效密度（） 3 kg/m等效惯性加速度（） g 2 m/s 脱冰率 （%） =20mm=40mm=60mm=20mm=40mm=60mm 1003334.5453334.5453334.54521.36040.97868.653 754317.9345986.7228340.91216.49622.82427.446 505301.3228638.89913347.28013.43615.81717.152 256284.71011291.08018353.64011.33312.10212.473 07268.09713943.25023360.0109.8009.8009.800 2.3.3 杆塔的覆冰和风载荷 根据高耸结构设计规范 （GB50135-2006）24，非圆截面构件单位表面积 上的覆冰载荷可按下式计算 (2.16) =