第 1 章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.1.1 课题背景
随着社会的不断发展，人们对自然灾害的研究也在不断深入，热带气旋作为自然界中最为严重的灾害之一，因其破坏力巨大，每次发生都会给人类社会带来巨大的经济损失。由于地处环太平洋区域，我国东南沿海地区每年都会遭受数十次的强台风侵袭，给当地的经济发展和人民生活带来了极大的经济损失。
近年来，伴随着生活水平的不断提高和经济社会的发展，人们对电力的需求也在不断的变大，由此使得电力行业得到快速的进步和发展。但是台风对在我国东南沿海地区电网带来破坏的现象经常出现。例如 2003 年在广东登陆的台风“杜鹃”和 2004 年在浙江登陆的台风“云娜”造成了大面积的风致倒塔和停电事故，倒塔数量达到数百基，损坏输电线路绵延上百公里[1]。2014 年在广东湛江登陆的超强台风“威马逊”，造成 18 基输电线路发生倒塔，其中雷闻甲乙线上有 13 基发生连续倒塔事故。2015 年的超强台风“彩虹”在广东湛江登陆，给沿海地区的电网带来了极大的损失，多条输电线路发现连续上百基的倒塔，造成附近城市电网的大面积停电事故[2]。事实上，架空输电线路中铁塔的主要受力构件一般是利用等边角钢或多拼角钢，长时间使用之后，受大气腐蚀、材料损伤或变化以及长期过荷载使用等外界因素的影响，使得使用中的输电塔构件难免会出现一些影响正常使用的缺陷或损伤，其稳定性和承载能力可能已经达不到设计使用的要求，更有甚者有可能会发生倒塔事故。
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1.2 课题研究现状
1.2.1 台风风场特性研究现状
平均风速剖面、脉动风速谱、阵风因子和湍流强度等是目前对于台风风场性质研究的主要内容。通过实测的资料分析发现，良态风风场和台风风场是有着非常显著的区别的，其主要表现为台风的平均风速、湍流强度、变异性等方面都较良态风更为显著。由于受台风风场的复杂性和特殊性所限制，目前国内外学者对台风风场的研究主要是通过对台风关键特性的分析来入手的，其中最主要的性质是对台风的强度和脉动风谱的研究。台风的实测研究表明，台风和常态风有着比较明显的区别，主要表现为强度大，湍流度高，变异性显著等。关于在台风危险性方面的研究已有很多定量的分析成果。
（1）台风风场平均风特性
Powell 等对台风实测数据的研究分析，通过对台风的平均风速在距离地面一百米的高度范围之内的变化规律的拟合，得出的结果如式（1-1）所示[3]：
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第 2 章 输电塔线体系动力响应分析
2.1 引言
我国是全球遭受台风灾害最严重的国家之一，每年输电线路因风致倒塔事故经常发生，特别是广东、浙江等东南沿海地区尤为严重，因此为了减少风致倒塔事故的发生，有必要对输电塔在台风荷载作用下的受力性能和加固技术做进一步的研究。
本章以广东省湛江市某实际输电线路为背景，基于 ANSYS 有限元软件建立输电塔线体系有限元模型，对输电线路在台风荷载作用下进行受力分析，找出输电塔在台风荷载作用下的薄弱位置，以为后面章节中输电塔的加固提供依据。
该输电线路中的铁塔所用的角钢材料有两种，分别是 Q235 钢和 Q345 钢。导地线分别采用的是钢芯铝绞线和复合地线，线路正常运行时导线和地线的设计弧垂分别是 6.3米和 8.8 米。该输电塔的水平档距为 390 米，垂直档距为零，导线和地线的自重分被为1.143kg/m 和 0.39kg/m。导地线共分四层上下排列，采用的是两分裂导线，导线的直径、弹性模量和设计张力分别为 23.85mm、72.9kN/mm2 和 31.8kN；地线的直径、弹性模量和设计张力分别为 11.6mm、12.5kN/mm2 和 16.3kN；在进行有限元建模分析是，为了简化问题的需要，将每一层的二分裂导线都等效为一根导线，等效的方法是采用等截面面积的方法。
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2.2 输电塔线体系有限元模型的建立
2.2.1 工程背景
该塔位于广东湛江霞迈甲乙线，该条输电线路施工与上个世纪九十年代，铁塔全高为 43 米，下横担距离基础的高度为 27 米，塔身的总重量为 16.5 吨。从南方电网给出的我国东南沿海区域的基本设计风速来看，该条输电线路所在地 30 年和 50 年的设计基准期内的基本设计风速分别是 37m/s 和 39m/s。
该输电线路中所用的绝缘子为伞形绝缘子，绝缘子的型号是 CA-864EY，每串绝缘子共有 27 片组成，全串的总质量为 371kg。本文利用南方电网设计院提供的该条输电线路的图纸和技术资料，利用有限元软件进行建模分析。
2.2.2 有限元模型的建立
利用有限元软件对结构体系进行建模分析，建模的形式主要包括刚架、桁架以及两者混合建模等三种方式，这三种建模的方式都有其独特的适用情况，因此在建模时应区分它们之间的差别，以便采用最优的建模方式。对于输电塔结构而言，由于其连接节点多采用刚性连接，所以整个结构体系的整体刚度会比较大，如果采用桁架的方式建模，可能会导致有限元模型的刚度比实际的偏小，而且在后续进行风荷载作用下的受力分析时，也可能会由于平面节点的问题导致出现计算偏差，所以本文在建模时采用刚架和桁架相结合的方式来建立输电塔的有限元模型。
本文应用有限元软件 ANSYS15.0 的前处理模块，采用桁梁混合模型，建立输电塔线体系结构三维分析模型。其中，对于输电塔的全部主材和部分关键部位的斜材采用梁单元来进行模拟，其余的普通斜材和辅材采用杆单元。该有限元软件中提供了大量的梁和杆单元的适用模型，文中对于梁单元和杆单元分别采用 Beam188 和 link180 来模拟，导线和地线作为一种刚度很小的柔性构件，其只能承受沿轴线的拉力，和软件中 Link10单元的单元属性相一致。由于导地线在实际运行中已有一定了形状，所以在建模时需要对其进行找形分析，导线和地线的材料属性见上节所述。
.............................. 第 3 章 输电塔加固分析..................................253.1 引言................................... 25
3.2 栓接槽钢的最优连接方式及截面选取................................. 25
3.3 栓接槽钢加固技术与现有常用加固技术的对比分析......................... 27
第 4 章 输电塔架可靠性分析........................34
4.1 引言................................ 34
4.2 特征值屈曲分析及屈曲因子..................................34
4.3 铁塔稳定性分析..............................35
第 4 章 输电塔架可靠性分析
4.1 引言
可靠性是指结构在预定的条件下，实现特定目标能力的而不发生失效的可靠程度，这是一个比较复杂的概念，牵扯到多门学科的知识内容，因此结构的可靠性分析一直以来都是非常复杂的课题。虽然长久以来，逐渐的产生了许多结构可靠性的分析方法，但传统的可靠性分析方法大多限于应用条件而存在各种实际应用上的困难之处。
然而，随着计算机技术的不断发展和进步，对于可靠性理论的研究也在逐步的深入，由此也衍生出来了许多新的可靠性分析方法和理论，比如应用较为广泛的蒙特卡洛法和响应面法。这些新的可靠性分析方法克服了传统分析方法的一些缺点，具有较好的适用性，特别是蒙特卡洛法由于其原理和计算方法简单可靠，因此得到了广泛的应用，本文正是基于这种方法，计算分析了输电铁塔加固前后在不同等级的台风荷载作用下的可靠度。
结论
为了研究栓接槽钢加固技术在输电线路抗台风中的应用，本文根据南方电网实际输电线路建立塔线耦联体系有限元模型，对有限元模型进行模态分析验证了模型的适用性；模拟生成台风荷载，通过对模型进行台风荷载作用下的动力响应分析，找出荷载作用下杆塔的薄弱部位；分析了栓接槽钢加固技术并利用该技术对输电塔薄弱部位进行加固，对加固后的铁塔的进行稳定性和可靠性分析，以研究此加固技术的加固效果和应用前景。研究主要得出以下结论：
（1）根据南方电网实际输电线路建立塔线耦联体系有限元模型，对输电塔有限元模型进行模态分析，采用桁梁混合模型建立的输电塔有限元模型的计算自振周期与电力本门和建筑荷载规范给出的自振周期基本一致，说明采用桁梁混合形式建立的输电塔有限元模型的刚度分布更能符合结构的实际情况。
（2）通过对输电塔线体系进行不同风向角下的动力响应分析得出，当风向角为?90时，输电塔架的应力比为最大值，即此档距下?90 风向角为最不利风向角，后续章节中的加固分析中均采用?90 风向角计算风荷载。通过分析在台风荷载作用下输电塔应力比沿塔高的分布规律得出，在强台风作用下，整个铁塔的薄弱部位将出现在塔身及塔腿部位，应对此区段的铁塔主材进行抗风加固设计。
（3）通过对内接式、外切式和外离式三种连接方式的加固效果得出，外切式连接形式无论是从经济性上还是适用性上都要优于另外两种连接形式，所以栓接槽钢加固技术的最优连接方式为外切式连接。采用栓接槽钢加固技术对铁塔薄弱部位的主材进行加固，能有效的降低加固部位主材的应力比，降幅可以达到 50%，同时，加固后铁塔的整体刚度得到提升，顶点的顺风向位移显著降低，峰值位移降幅超过 50%，未加固区段的主材应力也略有降低。