双柱悬索拉线塔稳定性研究

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双柱悬索拉线塔是由塔柱、拉索、悬索、绝缘子以及导地线组成的张拉整体结构体系,其高柔的结构特性使得风荷载成为其主要的控制荷载。在风荷载作用下,迎风侧拉索的拉力将增大,从而导致相应塔柱轴力的增大,但当拉索的拉力达到某一临界值之后,塔柱静力失稳的临界荷载并不会随之提高。虽然背风侧拉索拉力的减小会使得相应塔柱轴力的减小,但塔柱沿线路方向的抗侧刚度也随之降低,从而使其静力失稳的临界荷载也降低。塔线体系的设计是以静力荷载作为依据,但在实际中它通常受到动力风荷载的作用,塔柱在其轴向方向将承受较大的动力荷载,当该动力荷载的频率接近塔柱侧向振动一阶频率的2倍时,塔柱将发生参数共振。由于双柱悬索拉线塔的占地面积较大,因此该类塔线体系一般用于荒漠或戈壁,在该类地区的风速可能远大于设计风速,即塔线体系存在倒塌的可能性。本文针对双柱悬索拉线塔的静动力稳定性展开研究,主要研究工作如下:(1)根据应变能相等得到格构式塔柱的等效截面属性,并从静力响应以及模态来验证这种等效方法得到的截面属性能用于格构式塔柱的静力或动力的简化分析。(2)根据塔柱的受力特点得到其静力稳定性分析的简化模型,即上端简化为弹性支座、下端简化为铰接的等截面压杆。为了得到弹性支座的刚度值,先基于广义变分原理推导斜拉索等效弹性模量的计算公式,该公式考虑了斜拉索在其自重作用下的垂度引起的几何非线性,再根据刚度的定义得到静力简化分析模型中弹性支座的刚度计算公式,并结合塔线体系在等效静力风荷载作用下的有限元分析结果计算出其刚度值。然后基于压杆稳定理论推导出塔柱静力计算长度系数的计算公式,并研究了斜拉索初始预拉力以及风速对其的影响。最后,采用ANSYS提供的特征值屈曲分析功能来验证这种理论研究的正确性。(3)塔柱参数共振研究的简化模型除弹性支座的刚度取值方法不同之外,其余均与其静力简化分析模型保持一致。为了得到弹性支座的动力刚度值,先用Oskoei提出的新方法得到斜拉索的等效动力刚度,再根据刚度的定义得到弹性支座动力刚度的计算公式,并结合塔线体系在动力风荷载作用下的有限元分析结果计算出其刚度值。然后基于Hamilton原理建立塔柱动力简化分析模型的偏微分运动方程,并通过Galerkin方法将其离散为常微分方程。最后根据鲍洛金提出的方法建立临界频率方程,从而得到塔柱的动力稳定域与不稳定域。(4)基于谐波合成法合成塔线体系中风速模拟点的风速时程,并将其转换风荷载施加到塔线体系上。在ANSYS中建立塔线体系的有限元分析模型并完成找形分析及静力求解,再借助ANSYS/LS_DYNA提供的隐式到显式序列求解功能完成塔线体系的应力初始化以及动力分析。在此基础上,运用B-R运动准则对塔线体系的非线性动力稳定性问题进行了研究,并选取了拉索的初始预拉力、风向角以及档距进行参数分析,主要目的是考察这些参数对塔线体系的非线性动力稳定性临界荷载的影响。最后,在本文的总结工作中提出了有关双柱悬索拉线塔静动力稳定性进一步研究工作的展望。
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