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论文题目：极端裹冰荷载下输电钢塔的受力性能及倒塔机理研究
一、课题来源、选题依据、课题研究目的、工程应用价值
据我国电力规划部门预测，21 世纪我国对电力设施需求量的增长趋势强劲，2020 年以前年需求量将以 5%以上的增长速度递增。由于我国能源分布和电力需求的区域性不平衡，需要大规模建设超高压甚至是特高压输电线路，不断推进“西电东送”以及全国联网工程，输电钢塔的应用将更加频繁。然而，2008 年的冰灾造成南方电网大面积停电和倒塔灾害，因此，对于极端裹冰状态下输电钢塔受力性能以及防倒塔设计研究具有重要的工程和社会意义。
本文以典型的500kV单回路线路酒杯塔为例，分析线塔体系在极端裹冰荷载下的受力性能，研究倒塔的影响因素与指标，为进一步研究防倒塔设计、提高输电线路设计可靠性提供参考。
本文对输电钢塔在极端裹冰荷载下的受力性能进行分析，揭示倒塔的特点与机理，将为输电线路防倒塔设计提供理论参考，避免采用比设计规范更保守的设计思路造成输电线路建设成本的增加;其次，可以为电力部门对灾害天气条件下输电线路状况有科学的、全局的掌握提供依据，具有一定的工程应用价值。
二、中外文献与资料阅读清单(要求30篇以上)
篇数 31 其中外文文献与资料篇数 2
三、文献综述：国内外研究现状、发展动态
目前，国内外专家对输电线塔体系的受力性能的分析研究比较多，但对极端裹冰荷载下的性能分析和倒塔机理研究相对较少。
在国内，同济大学王肇民和欧阳可庆等学者对塔架的静力和动力性能进行了大量研究工作，考虑了杆件初始缺陷及几何材料非线性，取得许多成果。针对输电塔~线体系的耦合作用，李宏男教授等通过分析输电线的竖向、侧向和纵向特性，推导出三个方向的刚度方程，并针对三个方向的地震，分别提出了不同的多质点计算模型，然后在不同的方向分别与输电塔架结构耦合，进行简化计算。还有一些学者也应用有限元原理开发了一些输电塔结构分析软件，如东北电力设计院在1985 年开发了《多塔高、多接腿送电塔满应力设计软件》。原电力部的电力建设研究院等单位对输电塔架进行了诸多真型实验研究，得到了宝贵的数据资料
2008 年冰灾过后，国内专家学者对输电塔覆冰方面的研究取得一些进展，湖南省电力实验研究院的陆佳政，刘纯等选取湖南电网复沙Ⅰ线倒塔段，应用大型通用有限元程序 ANSYS 建立输电铁塔、导线、地线、光缆和绝缘子的整体模型，计算在 20.6 mm 的覆冰情况下各塔承受的不平衡张力及倒塌情况，提出加固输电塔的措施。东南大学钢结构课题组的刘杰也曾就风荷载下连续倒塔问题进行了研究，并发表了论文。
英国电力研究所(EPRI)经过大量的输电塔架真型试验后，也认为空间桁架有限元法在大多数情况下可以满足工程设计的要求。澳大利亚的 F.G..A AL-bermani 和S.Kitipornchai 等人考虑了由于节点偏心、连接刚度和弦杆连续化产生的输电塔杆件弯矩二阶应力的影响，把输电塔架中的杆件作为梁单元分析，能更好的分析塔架的极限承载力。
加拿大、俄罗斯、德国、瑞典、日本和英国等暴风雪发生较多的国家对冰雪灾害的防治工作做得比较完善。日本的输电线路采用较高的抗冰设计标准，杆塔档距设置也较小，1972 年 12 月，日本北海道普降暴风雪，裹雪后的导线直径最大达18 cm，但只有 56 基输电塔倒塌，这说明线路的抗冰效果良好。国际上 Pierre Van Dyke 等人曾在 Varennes 地区建立了三跨三相的试验线路，采用相间间隔棒和取消间隔棒，D 型人工覆冰。加拿大的埃德华兹等人于 1953 年至 1954 年曾在加拿大安大略省先后进行了导线舞动的观测，同时，他们还在 Credit 港建成了与实际尺寸相同的 7 档试验线路，采用 D 字型人工覆冰。
四、研究基础
1、国内外专家已经对输电铁塔的受力性能以及线塔体系相互影响下的整体受力性能有大量的研究，尤其在利用大型有限元应用软件技术进行线塔体系的研究方面有一定的基础;
2、通过2008年冰灾输电铁塔倒塔实例，对输电钢塔在裹冰荷载下的静力和动力受力分析有一定的实际数据基础;现场的倒塔状态也为本文进行倒塔机理研究提供了现实依据。
五、主要内容及关键技术
本文以空间梁结构有限元方法为理论依据，采用相应的杆塔有限元结构分析软件 ANSYS，以典型的自立式酒杯型高压输电塔作为应用实例，分析输电塔架结构在裹冰荷载、风荷载、自重荷载及导线张力共同作用下的承载力。本文的主要研究内容有：
1、以典型的500kV酒杯塔为研究对象，采用空间梁结构有限元理论，推导空间梁单元刚度矩阵，建立有限元平衡方程;搜集借鉴真塔破坏试验数据，验证有限元模型。
2、对极端裹冰荷载下线塔体系进行静力分析。
3、根据线塔有限元分析，针对在极端覆冰荷载导致断线情况下，对输电钢塔进行动力性能分析。
4、分析输电钢塔在极端裹冰荷载下的极限承载力，研究影响倒塔的因素以及关键构件;动态模拟倒塔，并提出防倒塔设计方案，评价现行规范的安全可靠性。
六、研究方向、实施方案及可行性分析
研究方向：通过理论分析和ANSYS有限元数值模拟，分析500kV单回路酒杯塔在极端裹冰荷载下的受力性能，研究倒塔机理及关键构件，为防倒塔设计提供参考。
实施方案：首先以在裹冰荷载下受灾最严重的500kV酒杯塔为研究对象;然后，通过弹塑性力学理论以及ANSYS有限元分析方法，对输电线塔体系进行静力分析，对输电钢塔进行断线冲击下的动力分析;最后研究输电钢塔倒塔机理，动态模拟倒塔状态，分析关键构件，提出防倒塔设计方案。
可行性分析：国内外对输电线塔体系的有限元分析有大量的研究，为进一步研究对极端裹冰状态下线塔体系的受力性能提供了基础，通过受力性能分析，又可以进一步进行倒塔机理的分析，研究关键构件对倒塔的影响，从而提出防倒塔措施。
七、论文工作进度与安排
12/12~13/1 论文前期准备 ，搜集资料，理论准备，熟悉有限元软件应用知识。
13/1~13/4 对输电线塔体系进行静力分析和动力分析。
13/5~13/8 研究线塔体系在裹冰荷载下的受力性能和倒塔机理，论文写作。
13/9~13/10 论文修改和完善。
