电线架结构设计及动力学分析
电线架是国家电网最常用来支撑电网线路的空间结构，铁塔的稳定性直接影响着输电线路的安全。近些年来，随着我国经济的高速发展，社会用电量需求不断增加，所以政府在电网、电站方面的投资也日益增多。随着我国电网大容量装机、高压和超高压、电线塔架向着高度、大跨度和超高压方向不断地前进。因而，铁塔需要更高的稳定性和经济适用性，得到电线塔架在不同载荷下的受力情况是进行结构研究的必要前提条件。但是，电线架是一种空间高耸超静定结构，导线、地线和绝缘件等其他的部件一起作用形成了复杂的受力情况，想获得电线架的力学相应的难度是很大的。本文简单的介绍一下电线塔架的结构特点和其他自然条件下的载荷对电线塔架受力的情况，列举了这几年来发生的塔架倒塌事故，了解这些事故的发生原因，了解目前常见的电线塔架结构设计和分析的研究方法，国内外研究现状和遇到的问题。同时在学习并分析前人工作的基础上，采用一个110kV自立式电线塔架为例子，研究了电线塔架结构的有限元分析方法，参考资料采用合理的有限元建模对电线塔架进行有限元结构分析，获得模态和静载是的变形图和应力图。最后又进行了简单的地震研究，以来研究电线架的结构是否合理。关键字：电线架结构 有限元分析 模态分析 静力加载 地震目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3本文研究内容 5
第二章 电线架结构简介 6
2.1自立电线架结构简介 6
2.2电线塔架结构设计方法 9
第三章 有限元法及ANSYS 10
3.1有限元法简介 10
3.1.1有限元法发展综述 10
3.1.2有限元法的基本思想 11
3.1.3有限元法特点 12
3.2 ANSYS软件介绍 12
3.2.1 ANSYS软件的发展 12
第四章 有限元模型的的建立 13
4.1引言 13
4.2塔架建模 13
4.3建模实例 14
4.4边界条件处理 20
4.4.1约束处理 20
4.4.2载荷处理 20
4.5有限元计算结果分析（静力加载） 20
介绍 12
3.2.1 ANSYS软件的发展 12
第四章 有限元模型的的建立 13
4.1引言 13
4.2塔架建模 13
4.3建模实例 14
4.4边界条件处理 20
4.4.1约束处理 20
4.4.2载荷处理 20
4.5有限元计算结果分析（静力加载） 20
4.6静力分析 24
第五章 电线塔架的模态分析 25
5.1 模态理论 25
5.1.1 模态分析理论 25
5.1.2 ANSYS模态分析过程 26
5.2分析结果(模态分析) 27
第六章 地震分析 34
6.1地震的概括 34
6.2地震对电线塔架的影响 34
6.3地震波的载入 35
结语 42
致谢 43
参考文献 44
第一章 绪论
1.1研究背景与意义
这几年来，国家在电力基础设施上投入了很多资金，因此获得了长足的进步，电网的电压变得越来越高，已经建成了主干电网基本上都是500kV级的。为了实现国家发展国民建设、能源的分配和保护生态环境的要求，像“西电东输，西气东输”这类为代表的能源项目早就投入国家的重大建设之中。随着电网电压的提级，电线架的高度也越来越高，结构也更加的合理，在结构设计和生产制造等多方面的进步都是很大的。因此电线架的稳定性、可靠性对整个输电线路很重要。
电线塔架是高压输电线路的重要组成部分，主要用来支撑导线，地线和其余的配件。按照电线架的用途，电线架可以分为直线塔、耐张塔、转角塔、换位塔、跨越塔和终端塔。依据其结构形式，自立式电线塔架有门型、上字型、鸡骨型、干字型、猫头型、酒杯型、六角型等不同的结构。电线架是一种高耸结构，作为一种重要的能源电力传输设备，电线塔直接影响电网的安全可靠性，影响着国家经济的发展，人们的日常成活和生命财产安全。高压电线塔架（高压输电塔），尤其是大跨越线路塔，塔的高度、距离、灵活性高，在地震、风、冰雪和其他巨大的环境负荷的作用下，电线架经过多年的运营和使用后，电线塔可能会在一些地方，出现疲劳和损伤，在冰雪等恶劣的自然环境下，面对可能的极端情况时，发生坍塌。随着这些年来国家电网容量和电压的不断的提高，电线塔架向着高度、大跨度及特高压方向飞快发展。对电线塔架的稳定性、经济适用性提出更高的要求和标准。
近些年来，由于气候环境变化的因素，狂风、冰雪、地震等造成电线架倒塌事故时有发生。2005年6月14日，“西电东送”和“北电南送”两大电网的重要主线路500kV主线在大风的影响下发生倒塌事故，10座电塔一起倒塌了，造成电网的瘫痪。2008年一月，我国大部分地区遭遇五十年一次的冰雪灾害，严酷的冬季天气导致在中国东部和南部，共54个500kV级输电线路停电，电线架倒塌和损坏数百，给社会经济和人民的日常生活造成了严重的损失。2008年的汶川地震，地震这种强烈而恶性的地质灾害，对很多输电线路造成很多严重的破坏，对电线架的结构造成强制并且不可回弹的破坏，给地震后的救援和灾民造成了很大的影响。因此，对电线塔架承载力和稳定性的研究越来越有意义，其研究成果对电线塔架结构优化设计、施工、维护检测，预防和避免电线架带他事故的发生，保障电网供电可靠性具有重要的现实意义。
1.2国内外研究现状
电线架在我国主要经历了三次大的发展：
第一次是以木材作为电线架，结构简单，但易损坏。
第二次是以钢筋水泥为主的电线架。钢筋水泥，从字面上就可以看出来是各种不同材料的组合名称，钢筋混凝土综合了两种材料的各方面的性能，钢筋混凝土的耐腐蚀性好，运输安装方便，节约金属，在我国东部和交通便利的地区应用比较广泛。
第三次是以钢材作为电线架的主要材料。电线塔架主要使用钢结构件组成和安装的，铁塔所使用的材料强度高，所以塔架结构牢靠稳定，因为使用钢铁材料，可大批量生产制造。目前国内外生产的热轧等边角钢和螺栓连接来装配空间桁架结构。同时，钢管塔的动态性能，截面的力学性能和承载能力优于铁塔，但过程是复杂的，缺点是费用比较昂贵。
上面只是简单的提一下电线塔架的材料，每年全国的电线塔架都会因为各种自然灾害而造成损失，例如：台风、地震、暴雨、暴雪等都会对电线塔架产生破坏，电线架的破坏、倒塌会对生产生活造成严重的影响。例如2008的冰雪灾害对全国造成了严重的影响，西南山区的电线架因冰雪覆盖在电线上而导致电线架倒塌，那时全国的供电都比较困难，所以电线架结构的强度、稳定性比较重要。因此研究电线架的结构是目前国内外研究的重点。早期的电线架设计，因受计算机和能力的限制，电线架所受的力大多数采用各种简化方法。最初大多数是把塔架划分为很多的桁架来计算，这种方法是很简陋。简单的结构的上字型、干字型或双回路造成的误差小，可以满足工程要求，但由于忽视塔每个塔面偏转角度和杆件的变形协调关系，以及隔膜的影响，所以计算结果有一定的误差，不规则的或酒杯型、猫头鹰型的计算结果误差更大。前者简化变形协调关系解决铁塔内力，从而静不定系统简化为一个简单的静态系统，利用静力平衡条件可以计算一个可见内力；后者假定在水平位移和角位移保持塔的横截面是一个平面，定周长，但忽略了塔层的变形协调关系。根据变形协调和力学平衡条件，求解的方程。随着计算机的普遍应用，早期设计的结构，空间桁架有限元，该方法和结构分析的方法更准确，所以成为塔结构分析的第一选择的方法
国内外的电线架结构设计分析程序大部分都是依靠有限元方法开发出来的，为了考虑导线和杆塔，由于偏心接头结构的重量，连接刚度和弯矩二阶应力的影响，澳大利亚F.G.A.ALS.Kitipomchai等人，把电线塔作为梁单元分析，并考虑连接效果的灵活性，可以更好地进行塔承载力的计算与分析。国内的电力研究者应用有限元原理，开发了不少有限元铁架结构分析软件，比如东北电力设计院就在1985年开发了《多塔高
第一章 绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3本文研究内容 5
第二章 电线架结构简介 6
2.1自立电线架结构简介 6
2.2电线塔架结构设计方法 9
第三章 有限元法及ANSYS 10
3.1有限元法简介 10
3.1.1有限元法发展综述 10
3.1.2有限元法的基本思想 11
3.1.3有限元法特点 12
3.2 ANSYS软件介绍 12
3.2.1 ANSYS软件的发展 12
第四章 有限元模型的的建立 13
4.1引言 13
4.2塔架建模 13
4.3建模实例 14
4.4边界条件处理 20
4.4.1约束处理 20
4.4.2载荷处理 20
4.5有限元计算结果分析（静力加载） 20
介绍 12
3.2.1 ANSYS软件的发展 12
第四章 有限元模型的的建立 13
4.1引言 13
4.2塔架建模 13
4.3建模实例 14
4.4边界条件处理 20
4.4.1约束处理 20
4.4.2载荷处理 20
4.5有限元计算结果分析（静力加载） 20
4.6静力分析 24
第五章 电线塔架的模态分析 25
5.1 模态理论 25
5.1.1 模态分析理论 25
5.1.2 ANSYS模态分析过程 26
5.2分析结果(模态分析) 27
第六章 地震分析 34
6.1地震的概括 34
6.2地震对电线塔架的影响 34
6.3地震波的载入 35
结语 42
致谢 43
参考文献 44
第一章 绪论
1.1研究背景与意义
这几年来，国家在电力基础设施上投入了很多资金，因此获得了长足的进步，电网的电压变得越来越高，已经建成了主干电网基本上都是500kV级的。为了实现国家发展国民建设、能源的分配和保护生态环境的要求，像“西电东输，西气东输”这类为代表的能源项目早就投入国家的重大建设之中。随着电网电压的提级，电线架的高度也越来越高，结构也更加的合理，在结构设计和生产制造等多方面的进步都是很大的。因此电线架的稳定性、可靠性对整个输电线路很重要。
电线塔架是高压输电线路的重要组成部分，主要用来支撑导线，地线和其余的配件。按照电线架的用途，电线架可以分为直线塔、耐张塔、转角塔、换位塔、跨越塔和终端塔。依据其结构形式，自立式电线塔架有门型、上字型、鸡骨型、干字型、猫头型、酒杯型、六角型等不同的结构。电线架是一种高耸结构，作为一种重要的能源电力传输设备，电线塔直接影响电网的安全可靠性，影响着国家经济的发展，人们的日常成活和生命财产安全。高压电线塔架（高压输电塔），尤其是大跨越线路塔，塔的高度、距离、灵活性高，在地震、风、冰雪和其他巨大的环境负荷的作用下，电线架经过多年的运营和使用后，电线塔可能会在一些地方，出现疲劳和损伤，在冰雪等恶劣的自然环境下，面对可能的极端情况时，发生坍塌。随着这些年来国家电网容量和电压的不断的提高，电线塔架向着高度、大跨度及特高压方向飞快发展。对电线塔架的稳定性、经济适用性提出更高的要求和标准。
近些年来，由于气候环境变化的因素，狂风、冰雪、地震等造成电线架倒塌事故时有发生。2005年6月14日，“西电东送”和“北电南送”两大电网的重要主线路500kV主线在大风的影响下发生倒塌事故，10座电塔一起倒塌了，造成电网的瘫痪。2008年一月，我国大部分地区遭遇五十年一次的冰雪灾害，严酷的冬季天气导致在中国东部和南部，共54个500kV级输电线路停电，电线架倒塌和损坏数百，给社会经济和人民的日常生活造成了严重的损失。2008年的汶川地震，地震这种强烈而恶性的地质灾害，对很多输电线路造成很多严重的破坏，对电线架的结构造成强制并且不可回弹的破坏，给地震后的救援和灾民造成了很大的影响。因此，对电线塔架承载力和稳定性的研究越来越有意义，其研究成果对电线塔架结构优化设计、施工、维护检测，预防和避免电线架带他事故的发生，保障电网供电可靠性具有重要的现实意义。
1.2国内外研究现状
电线架在我国主要经历了三次大的发展：
第一次是以木材作为电线架，结构简单，但易损坏。
第二次是以钢筋水泥为主的电线架。钢筋水泥，从字面上就可以看出来是各种不同材料的组合名称，钢筋混凝土综合了两种材料的各方面的性能，钢筋混凝土的耐腐蚀性好，运输安装方便，节约金属，在我国东部和交通便利的地区应用比较广泛。
第三次是以钢材作为电线架的主要材料。电线塔架主要使用钢结构件组成和安装的，铁塔所使用的材料强度高，所以塔架结构牢靠稳定，因为使用钢铁材料，可大批量生产制造。目前国内外生产的热轧等边角钢和螺栓连接来装配空间桁架结构。同时，钢管塔的动态性能，截面的力学性能和承载能力优于铁塔，但过程是复杂的，缺点是费用比较昂贵。
上面只是简单的提一下电线塔架的材料，每年全国的电线塔架都会因为各种自然灾害而造成损失，例如：台风、地震、暴雨、暴雪等都会对电线塔架产生破坏，电线架的破坏、倒塌会对生产生活造成严重的影响。例如2008的冰雪灾害对全国造成了严重的影响，西南山区的电线架因冰雪覆盖在电线上而导致电线架倒塌，那时全国的供电都比较困难，所以电线架结构的强度、稳定性比较重要。因此研究电线架的结构是目前国内外研究的重点。早期的电线架设计，因受计算机和能力的限制，电线架所受的力大多数采用各种简化方法。最初大多数是把塔架划分为很多的桁架来计算，这种方法是很简陋。简单的结构的上字型、干字型或双回路造成的误差小，可以满足工程要求，但由于忽视塔每个塔面偏转角度和杆件的变形协调关系，以及隔膜的影响，所以计算结果有一定的误差，不规则的或酒杯型、猫头鹰型的计算结果误差更大。前者简化变形协调关系解决铁塔内力，从而静不定系统简化为一个简单的静态系统，利用静力平衡条件可以计算一个可见内力；后者假定在水平位移和角位移保持塔的横截面是一个平面，定周长，但忽略了塔层的变形协调关系。根据变形协调和力学平衡条件，求解的方程。随着计算机的普遍应用，早期设计的结构，空间桁架有限元，该方法和结构分析的方法更准确，所以成为塔结构分析的第一选择的方法
国内外的电线架结构设计分析程序大部分都是依靠有限元方法开发出来的，为了考虑导线和杆塔，由于偏心接头结构的重量，连接刚度和弯矩二阶应力的影响，澳大利亚F.G.A.ALS.Kitipomchai等人，把电线塔作为梁单元分析，并考虑连接效果的灵活性，可以更好地进行塔承载力的计算与分析。国内的电力研究者应用有限元原理，开发了不少有限元铁架结构分析软件，比如东北电力设计院就在1985年开发了《多塔高
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