输电塔线体系在极强地震作用下的连续倒塌外文翻译资料

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输电塔线体系在极强地震作用下的连续倒塌

摘要：

本文对输电线路杆塔系统在强地震作用下的连续倒塌进行了仿真研究。三维有限元模型以实际项目为背景，建立了三塔四跨线耦合系统。运用ABAQUS下的子程序VUMAT来模拟输电塔从建立到连续倒坍的全过程。对输电塔线体系在单组分或多分量地震作用下的连续倒塌进行了数值模拟。研究了输电塔的倒塌路径、断裂位置和抗倒塌能力。结果表明，输电塔的连续倒塌模拟时，由于多组分激励不同于单分量激励，应考虑多分量地震作用的影响。此外，增量动态分析（IDA）进一步验证本文所取得的结论。目前的研究结果应该对输电塔抗震设计有参考价值。

关键词：全程模拟技术；强烈地震；增量动态分析；连续倒塌；输电塔线体系。

1介绍

随着经济的发展，人们对于输电塔的需求急剧增加。输电塔是十分重要的生命线设施，他包括塔架以及输电线。在中国大部分的输电塔都穿过强震区，输电塔线系统的故障会导致电网瘫痪，造成巨大的经济损失和次生灾害。在过去的地震中，有许多输电塔和输电线路损坏的例子。例如，在1992兰德斯地震中洛杉矶市100条传输线和几个输电塔在受损。在1995阪神地震中，有3条输电线路被破坏，20座输电塔因地基沉降而倾斜。1999集集地震造成大范围的电力系统破坏。共有69条输电线路被毁，15座塔楼倒塌，26座塔倾斜。在2008汶川大地震中，有超过20座塔倒塌，以及在茂县的一条220千伏的输电线路被摧毁。图1显示了汶川地震造成的输电塔损坏。显然，应提高输电塔的抗倒塌能力，以次来提高输电塔线系统在地震作用下的安全运行。近年来，研究人员对地震作用下输电塔线系统进行了分析。李等人基于弹性波理论计算地震动转动部分，并对大跨越输电塔线体系在平动和旋转地面运动下的地震反应进行行了研究。李用ANSYS建立的有限元模型为两塔三线。他们还得出二维和三维地震荷载模型下地震反应的差异。结果表明：垂直地震动的影响显著。田等人分析了多分量多点激励下电力跨越塔线系统的响应。结果表明，输电塔线体系在多维激励下的地震响应显著明显高于单组分激励的响应，并且该系统受制于地面运动的纵向分量。

近年来，研究人员对地震激波下的输电塔线系统进行了分析。李等人根据弹性波理论计算了地面运动的旋转分量，并对平移和旋转地面运动下大跨度输电塔系统的地震反应进行了研究。李建立了一个元素模型包括使用ANSYS的两塔三线。他们还总结了二维和三维地震荷载模型的地震反应差异。他们的结果表明，垂直地面运动的影响是显着的。 田等人分析了多组分多支持激励下电力传输塔线系统的响应。结果表明，多分量激发下输电塔系统的地震反应明显高于单组分激发，系统的响应受地面运动的纵向分量控制。 王等人研究了图的崩溃过程。沿纵向和横向的输电塔线系统采用断裂应变，重点放在材料的极限应变和应变率对崩塌模式和容量的影响。张等人提出了单塔和输电塔线系统的有限元模型，以通过诞生元素技术模拟风诱发的逐渐崩溃。姚等人利用非线性元素法分析了输电塔线系统中交叉臂的故障。他们也研究了薄板在传输塔全尺寸测试期间观察到的钢角截面的屈曲失效。 Alminhana等人通过使用明确的动态分析方案来了解导体断裂载荷下的公有和独立传输线塔的响应。他们的结果表明，峰值动态载荷的发生可能显着增加系统部件的内力。

地震的理论研究认为地面运动是一个复杂的多维运动，涉及三个平移运动分量和三个旋转分量。 多组分地面运动下的地震反应与单组分地面运动下的地震反应不一致。复杂的结构如长跨度结构应考虑多维地面运动的影响。 然而，在多组分地面运动下，传输塔线系统逐渐崩溃的研究很少。

因此，使用ABAQUS中的诞生元素法进行了多分量地震激发的传输塔线系统的逐渐崩溃模拟。 建立了实用的传输塔线系统的元素模型。 为了与多组分地震激励下传输塔的崩溃过程进行比较，传输塔的倒塌模拟受到纵向，

进行横向或垂直地震激励。 通过增量动态分析（IDA）研究塔的抗倒塌能力。 这里得到的结果应证明对于传输塔的抗震设计是有用的。

2.渐进式折叠模拟方法

2.1。 有限元法

有限元方法现已广泛应用于大规模结构问题的解决。 基于每个增量步骤中新值是否与其他新值相关的事实，有限元方法可以分为显式和隐式元素方法。 与隐式元素法相比，显式的有限元法可以很容易地用于解决低CPU成本的复杂接触问题。 因此，在逐步崩溃分析中使用显式元素法是合理的。

2.2。 提出的方法

多分量地震激励下的结构运动方程可以表示为

其中M（t）和K(t)分别是系统质量矩阵，阻尼矩阵和结构矩阵; , 分别是结构的相对加速度，相对速度和相对位移; , 和分别是沿着X，Y和Z方向的地面运动的加速度矢量。

在地震激发下传输塔线系统逐渐崩溃，采用全程模拟技术。 一旦元件失去承载能力，该元素将被视为失败元素，并根据诞生到死亡规则从模型中移除。 沿着地震波激发的方向，越来越多的元素失去承载能力，导致整个结构逐渐崩溃。 折叠模拟程序通过材料用户子程序VUMAT进行编码，可与ABAQUS一起使用。 使用该子程序，每个元素的状态由材料状态控制。 材料的故障模型如图1所示。 2，这是基于理想的弹性塑料材料模型创建的。

对于单轴拉伸载荷，应力 - 应变关系如下：

图 2.使用材料的故障模型。

其中和分别是应变和应力，是弹性模量， 和分别是屈服应变，屈服应力和断裂应变。 如果拉伸应变超过，这是其值的20倍，由于强度故障，相关元件将失去其承载能力。

对于单轴压缩载荷，应力,应变关系由

其中和分别是对应于元件在轴向力下的屈曲的临界应变和临界应力。 如果压应力超过，则相关元件由于不稳定而失去承载能力并失效。临界应力值与压缩元件的细长比有关，可表示为

其中I是横截面的惯性矩，A是横截面积，l是元件的长度。 所有元素的长度和部分被分类并分组在一起，计算每组元素的细长比。 实际上，所有主要构件和大多数次要构件的细长比小于临界细长比，因此临界应力设定

等于屈服应力。 本文不考虑结构构件的后屈曲行为。

3.结构模型

基于东北工程项目的实际工程背景，创建了三维有限元模型。 如图所示。 3，每个塔架由钢制角钢制成，底座高度为53.9米，基础面积为9.36times;9.36米，如图1所示。 塔的主要部件由具有345MPa屈服应力的Q345钢制成，二次构件由Q235钢制成，屈服应力为235MPa。

如图所示。 5，输电塔线系统由三部分组成 。塔（1号，2号和3号）和四个跨距线。 传输塔被建模 通过B31梁元件，传输线和绝缘子由模型化T3D2桁架元件 上部8根电缆为接地线，下部为24根电缆四束导线。 导线和地线属性列在表1.相邻塔之间的距离为400米。 每个的基本节点传输塔在地面和传输之间的连接塔和线铰接。 线的侧跨铰接在相同的高度的中间塔。 模型的X，Y和Z方向表示为分别为纵向，横向和垂直方向。

地震波的选择传输塔线系统假定位于中间土壤中。 在为了获得传动塔塌陷过程的准确模拟，选择三种典型的自然地震加速度记录，如表2所示。 图。 5.输电塔线耦合系统的有限元模型。

表1.导体线和接地线属性

表2.地震激励记录

表示水平地震波的较大加速度的分量按水平方向1，另一部分按水平方向2。

基于田和李的研究，纵向地震激发起着重要的作用。在三维地震激发中的作用。 对于崩溃模拟的，单组分地震激励结构，水平1，水平2沿纵向施加地震波的垂直分量，模型的横向和垂直方向。 对于崩溃模拟 多组分地震激发下结构的结合，三个组合沿纵向，横向和垂直方向施加地震波同时模型的方向，具有峰值地面加速度（PGA）的三个组件以相同的方式成比例。

数值模拟与讨论传输塔线系统逐渐崩溃的模拟纵向，横向，垂直激励或多个分量进行地震激发。 由于下垂的几何非线性，考虑传输线路的接线。 阻尼比塔和线假设分别为0.02和0.01。 显式元素基于所提出的方法选择方法进行分析模拟。

5.1。 模拟系统的渐进崩溃

纵向地震激励

选择系统的第二塔作为调查逐渐崩溃行为的研究对象。 沿传输塔线系统的纵向施加水平1个地震波。 图。 El Centro地震下沿第二塔沿纵向收缩的过程。 时间

（a）2.20秒，（b）2.30秒，（c）2.32秒和（d）2.35秒。

为了获得塔的崩溃过程，PGA考虑了三个值：18,16和25 m / s，El Centro，Taft和Northridge地震下输电塔线系统的倒塌过程如图1和图2所示。 6.8。为了更清楚地显示崩溃过程，传输塔的要素，当超过承载能力就会退出工作。

图6显示了传输塔下的纵向塌陷过程El Centro地震波。 在2.20秒的输电塔线系统运行良好，所有元素都保持弹性。 在25.4米的对角线

身高达到死亡规则，并在2.21秒被退出工作。 一个主要腿的元素22.875米的高度在2.22秒时失去了承载能力。 以下几个要素随后取下30米高的高度。 在2.34秒，垂直载荷传递路径的塔被完全毁灭，结构进入快速的阶段坍方。 图7 塔夫脱地震下第二塔沿纵向收缩的过程。 时间（一）

9.10秒，（b）9.20秒，（c）9.25秒和（d）9.30秒。 图8 在北岭地震下沿第二塔沿纵向收缩的过程。 时间

（a）16.00 s，（b）17.10 s，（c）17.15 s和（d）1

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