1000KV特高壓輸電鋼管塔疲勞壽命時(shí)域分析

鄧培文（華北電力大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，新疆，830000）

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1000KV特高壓輸電鋼管塔疲勞壽命時(shí)域分析

鄧培文
（華北電力大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，新疆，830000）

依照國(guó)內(nèi)某些地區(qū)風(fēng)荷載的分布規(guī)律，在輸電塔塔線空間有限元模型的前提下，獲取各個(gè)方向及風(fēng)速的累積時(shí)長(zhǎng)，并且模擬出了風(fēng)壓脈動(dòng)時(shí)程曲線。據(jù)此，本文研究了特高壓輸電鋼管塔在風(fēng)荷載作用下的表現(xiàn)；借助雨流計(jì)數(shù)法，可以獲知各杠件和連接應(yīng)力的循環(huán)頻率及應(yīng)力幅；參照miner線性累積損傷原則，計(jì)算出重要節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命，從而來(lái)估算出輸電塔的疲勞壽命。本文為電力系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)提供支持作用。

特高壓；輸電鋼管塔；時(shí)域分析；疲勞壽命

引言

眾所周知，輸電塔是輸電線路中非常關(guān)鍵的構(gòu)成部分，它是具有重要意義的生命線電力工程設(shè)施。國(guó)內(nèi)目前使用的是架空送電線路，該設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定在輸電線路的構(gòu)想時(shí)，需要對(duì)輸電塔和輸電線分別測(cè)算，在桿塔構(gòu)建中把輸電線當(dāng)做等效靜力荷載施加到桿塔中。在日常運(yùn)作過(guò)程中，輸電塔若長(zhǎng)期處于風(fēng)振的狀況中，將很可能出現(xiàn)由于構(gòu)建疲勞損傷導(dǎo)致輸電塔的倒塌破壞。所以說(shuō)，疲勞破壞問題在輸電塔運(yùn)作期間是不得不重視的。今后，我國(guó)在充分考慮未來(lái)特高壓輸電塔普遍使用的前提下，借助數(shù)值模擬的方式剖析了1000V特高壓輸電塔的疲勞壽命［1］。

1　風(fēng)荷載模擬

一般來(lái)講，風(fēng)作用通常分為平均風(fēng)及脈動(dòng)風(fēng)兩個(gè)方面，而風(fēng)模擬通常情況下是就脈動(dòng)風(fēng)來(lái)講的。現(xiàn)階段，隨機(jī)過(guò)程中的模擬形式一般包括線性濾波器法以及基于三角級(jí)數(shù)疊加的諧波合成法兩種。主要選取線性濾波法當(dāng)中的自回歸模型和Davenport譜來(lái)完成風(fēng)荷載的基本模擬過(guò)程［2］。

所謂線性濾波法，指的是把隨機(jī)過(guò)程抽象成符合特定條件的白噪聲，緊接著依照特定的某種方法變換擬合出這一環(huán)節(jié)時(shí)域模型的手段。因?yàn)榫€性濾波法當(dāng)中的自回歸模型具有計(jì)算量較小、速率高等特點(diǎn)，而被廣泛地引用于隨機(jī)振動(dòng)的時(shí)間序列分析當(dāng)中。

以AR模擬與N個(gè)點(diǎn)空間有關(guān)的脈動(dòng)風(fēng)速過(guò)程，這一過(guò)程變量設(shè)置為M（X，Y，Z，t）列向量的基本模型具體體現(xiàn)為如下公式：

V（ X，Y，Z，t） = －∑ψk =1ψkV（ X，Y，Z，t－kΔt）+ N（ t）

式中:

X =［x1，x2，…，xM］T

Y =［y1，y2，…，yM］T

Z=［z1，z2，…，zM］T

變量P是該模型的階數(shù)，Δt則為時(shí)間步長(zhǎng)，ψk為自回歸系數(shù)矩陣，N（t）則是獨(dú)立過(guò)程中的隨機(jī)向量。

N（ t） = L·n（ t），其中n（ ）=［n1（ t），n2（t），…，nM（t）］為均值是零、方差是一同時(shí)各自獨(dú)立的正態(tài)分布的隨機(jī)過(guò)程。L是M階下的三角矩陣，借助協(xié)方差矩陣的Cholesky分解確認(rèn)。這一模擬過(guò)程充分考慮了伴隨著高度變化的風(fēng)譜以及每個(gè)點(diǎn)間的空間相關(guān)性。

2　疲勞損傷估算法

通常所說(shuō)的疲勞壽命估算方法是疲勞分析當(dāng)中最基本的手段，因?yàn)樵诙坎僮髁鸭y萌生時(shí)期以及裂紋發(fā)展時(shí)期方面的差異，疲勞計(jì)算形式可被分成總壽命法以及斷裂力學(xué)兩種。該作筆者所選取的主要是總壽命法來(lái)計(jì)算輸電塔焊縫的疲勞壽命。

所謂疲勞總壽命，可以歸結(jié)為萌生疲勞裂紋的循環(huán)數(shù)同裂紋亞臨界蔓延至某一特定尺寸的循環(huán)數(shù)之和。S-N曲線是疲勞壽命問題最為普遍的反映形式，此曲線體現(xiàn)出了疲勞壽命和循環(huán)應(yīng)力幅值之間的基本聯(lián)系。最為普遍的疲勞失效模型如下所示：NSm=C。在這一公式當(dāng)中，S作為應(yīng)力幅值或者應(yīng)力范圍，而m和C則為材料的疲勞實(shí)驗(yàn)常數(shù)。以上式子是在應(yīng)力值為零的前提下確定的，對(duì)于應(yīng)力不是零的時(shí)候，就并非如此了，我們通常按照Goodman換算公式進(jìn)行等效操作［3］。

通常，最常見的累積損傷原則為Palmgren-Miner線性累積損傷原則。此構(gòu)架構(gòu)件的累積損傷指數(shù)隨著應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)，我們可以利用以下公式來(lái)反映等幅應(yīng)力循環(huán)的基本情況：D=n/N。在n為0的時(shí)候，那么D=0，說(shuō)明結(jié)構(gòu)構(gòu)件完好無(wú)損；若是出現(xiàn)n=N的情況，則D=1，說(shuō)明構(gòu)件出現(xiàn)疲勞損傷的現(xiàn)象［3］。在日常的工程施工過(guò)程中，構(gòu)件所承受的疲勞荷載中，循環(huán)應(yīng)力、平均應(yīng)力以及頻率等都是多變、不穩(wěn)定的。

因?yàn)镸iner準(zhǔn)則沒有重視加載次序的作用，所以說(shuō)很可能對(duì)變幅疲勞現(xiàn)象做出不準(zhǔn)確的判斷，比如說(shuō)試驗(yàn)早已證明過(guò)的過(guò)載阻滯效應(yīng)及低載運(yùn)動(dòng)［4］。然而，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)來(lái)講，依照Miner準(zhǔn)則計(jì)算疲勞壽命基本可以保障其安全性；與此同時(shí)，因?yàn)樗^為簡(jiǎn)便易用，尤其是非常符合工程的要求，所以目前這一準(zhǔn)則依舊是工程項(xiàng)目中估算變幅疲勞壽命的關(guān)鍵手段之一。

變幅疲勞的預(yù)測(cè)中還應(yīng)處理一個(gè)問題，那就是怎樣確定各種應(yīng)力幅所對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，現(xiàn)階段有不少計(jì)算形式，在這種方法中最普遍利用的就是雨流法。這種方法的根本思路是把已知的應(yīng)力作為屋頂，當(dāng)雨水滴落到屋頂上時(shí)，借助雨水流動(dòng)的方向來(lái)準(zhǔn)確的判斷循環(huán)次數(shù)及應(yīng)力幅值。

3　輸電塔塔線體系計(jì)算案例分析

本文以目前尚處于建設(shè)當(dāng)中的淮南——上海1000KV特高壓線路當(dāng)中的一基雙回路直線塔為例進(jìn)行剖析，來(lái)闡述計(jì)算特高壓輸電塔疲勞壽命的方法［5］。這一塔高超過(guò)一百米，呼高也超過(guò)七十米，塔身的平面形狀為正方形，建筑形式為格構(gòu)式鋼管塔，鋼管及相關(guān)零件是其最主要的構(gòu)成材料，地線支架以及導(dǎo)線橫擔(dān)桿件則選取角鋼作為主要材質(zhì)。構(gòu)筑的一塔兩線三維有限元模型如圖1所示。

圖1　szt2塔線體系模型

依照輸電塔所在地的有關(guān)氣象數(shù)據(jù)顯示，近一年來(lái)使用期間各個(gè)方向出現(xiàn)風(fēng)的百分比數(shù)。在各種不同的方向上各風(fēng)速出現(xiàn)的可能性可以借助Weibull分布進(jìn)行解釋，其概率密度函數(shù)由兩個(gè)可變參數(shù)共同決定，它的具體概率密度分布圖如圖2所示。

圖2　各方向風(fēng)速出現(xiàn)概率

因?yàn)槲覈?guó)目前的輸電塔的相關(guān)準(zhǔn)則規(guī)定了各個(gè)角度風(fēng)吹時(shí)風(fēng)荷載的分配狀況，要想更有效的進(jìn)行數(shù)值模擬，就必須把各個(gè)風(fēng)向及風(fēng)速產(chǎn)生的可能性轉(zhuǎn)化為表1所示的風(fēng)向、風(fēng)速及具體時(shí)間分布。

借助AR法形成的塔線體系的節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載，依據(jù)目前準(zhǔn)則當(dāng)中規(guī)定的比重疊加得出輸電塔塔線體系某一特定風(fēng)向下的荷載過(guò)程。在構(gòu)筑有限元模型判斷出輸電塔體系的內(nèi)力之后，緊接著構(gòu)建局部節(jié)點(diǎn)的有限元模型提取應(yīng)力集中系數(shù)，從而測(cè)算出危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程。與此同時(shí)，借助雨流法獲取特定時(shí)間內(nèi)各應(yīng)力幅值發(fā)生的次數(shù)，再借助Miner準(zhǔn)則及有關(guān)的規(guī)定所得到的S-N曲線判定出該點(diǎn)的疲勞損傷程度［6］。此外，把不同風(fēng)向、不同風(fēng)速下關(guān)鍵點(diǎn)的疲勞損傷疊加得出此點(diǎn)最近一年之內(nèi)的累積損傷，如若考慮初始損傷，則能夠計(jì)算出關(guān)鍵點(diǎn)的總疲勞壽命，下表當(dāng)中所列示出的就是關(guān)鍵點(diǎn)在最近一年以內(nèi)的累積損傷和估測(cè)出來(lái)的疲勞壽命。輸電塔的疲勞壽命值取的是一切結(jié)構(gòu)構(gòu)件中疲勞壽命的最小值，因此，整個(gè)輸電塔的總疲勞壽命為一百三十二年。

4　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)上述分析，可以總結(jié)出以下結(jié)論：輸電塔塔線體系風(fēng)振疲勞的時(shí)域分析能夠經(jīng)由“風(fēng)荷載模擬——結(jié)構(gòu)有限元分析——關(guān)鍵點(diǎn)的疲勞損傷累積——整塔的疲勞壽命預(yù)測(cè)”這一過(guò)程來(lái)開展；其次，因較大風(fēng)速發(fā)生的可能性較低，小風(fēng)速出現(xiàn)的應(yīng)力幅值不高，關(guān)鍵部位疲勞累積損傷一般出現(xiàn)于6～14m/s的風(fēng)速區(qū)間內(nèi)。風(fēng)向及塔線的相對(duì)位置對(duì)于構(gòu)件和關(guān)鍵點(diǎn)的疲勞壽命具有嚴(yán)重的影響，某些桿件的強(qiáng)化可以提升整塔的疲勞壽命；還有，該文筆者僅僅分析了脈動(dòng)風(fēng)荷載對(duì)輸電塔的疲勞作用，從而忽略了其他一些因素的影響，所以說(shuō)，還需要做出更加深入、全面的研究。

［1］瞿偉廉，王錦文，譚亞偉等.基于疲勞累積損傷的輸電塔結(jié)構(gòu)剩余壽命估算［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（1） :149-152.

［2］鄧洪洲，司瑞娟.特高壓大跨越輸電塔動(dòng)力特性和風(fēng)振響應(yīng)分析［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，25（4）.

［3］黃健.桅桿結(jié)構(gòu)隨機(jī)風(fēng)振疲勞及控制研究［D］.上海: 同濟(jì)大學(xué)，2004.

［4］帥群鄧洪洲，李琳等.高壓輸電鋼管塔主材次應(yīng)力分析［J］建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012，33（8）:109-116.

［5］楊靖波，韓軍科，李茂華等.特高壓輸電線路鋼管塔計(jì)算模型的選擇［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，34（1）:1-5.

［6］孔偉，李華，杜啟收.大跨越輸電塔極限承載力的雙重非線性分析［J］.山西電力，2009（6）:5-7.

鄧培文（1991-），男，華北電力大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，國(guó)家電網(wǎng)公司培訓(xùn)學(xué)院西安分院。研究方向：特高壓交流輸電線路的現(xiàn)狀與發(fā)展。

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Time Domain Analysis of Fatigue Life on 1000KV Extra-high Voltage Steel tube Tower

Peiwen Deng
（North China Electric Power University， School of Continuing Education， Xinjiang， 830000， China）

According to the distribution of wind load in some parts of the country， under the premise of the space finite element model of transmission tower line， the cumulative time of each direction and wind speed is obtained， and the time history curve of wind pressure fluctuation is simulated. Accordingly. In this paper， we study the UHV transmission steel tubular tower under wind load performance； by means of rain flow counting method can be informed of the bar and should be connected to the force in the cyclic frequency and stress amplitude； reference Miner linear cumulative damage theory to calculate the fatigue life of the important nodes， in order to estimate the fatigue life of transmission tower. This paper provides support for the safety operation of power system.

Extra-high Voltage； Transmission Steel Tube Tower； Time Domain Analysis； Fatigue Life

TM7

A

2095-8412 （2016） 03-435-04