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高压输电铁塔结构优化设计方法研究与应用

帅慧明  
【摘要】:随着第十二个五年计划规划年的到来,我国社会、经济必将继续迎来一个快速、持续、全面的发展阶段。电力行业历来就是一个国家经济发展的重要支柱产业,其中输电线路的建设是电力建设的重要组成部分。为了节约材料、降低建设成本,针对输电铁塔结构的优化设计这些年来被很多科研单位、学者所关注。 目前国内外输电塔优化主要通过设计经验总结、试验数据和理论分析相结合的方法来实现。针对输电铁塔结构优化设计,前人做了很多相关工作并取得不少成果,它们具有很强的理论指导意义。但是在实际工程特别是大型高压输电铁塔结构优化设计方面,优化方法的运用还比较滞后,操作起来还不是很方便。 在输电铁塔结构设计荷载方面,本文严格按照《建筑结构荷载规范》(GB50011-2001)和《110~750kV架空送电线路设计规范》(GB 50545-2010)的要求,给出了输电铁塔相关设计荷载的计算方法,并将结构各设计荷载按照正常运行、事故断线、安装和不均匀覆冰张力等情况进行荷载工况组合,运用Matlab编制了输电铁塔结构设计荷载计算程序。 本文还介绍了输电铁塔空间桁架结构有限元内力分析方法,同时运用Matlab语言编制了空间桁架结构有限元内力分析程序,分析塔架结构在以上各荷载工况下的内力以及位移。并通过一算例分析,与通用有限元分析软件Ansys的分析结果进行对比验证,证明本文所编制的有限元分析程序的正确性。 最后,基于传统的满应力设计和满位移设计思想,本文提出了一种适用于大型高压输电铁塔结构优化设计的方法——离散变量二维直接搜索法,建立了输电铁塔结构截面尺寸优化设计的数学模型,并编制了优化设计程序。用该程序对某铁塔结构进行优化设计,通过结构优化结果的对比分析,证明了本程序的可行性和高效性。在此基础上,利用离散二维直接搜索法对某220千伏7812型输电铁塔结构进行尺寸优化设计,并与原设计方案进行对比分析。使结构在满足了杆件强度约束、稳定约束、刚度约束以及结构位移约束等约束条件下,塔架结构重量最轻,耗钢量最少,降低输电铁塔结构工程造价。在此基础上,本文通过改变根开和塔身坡度得到不同的铁塔设计方案,综合考虑塔重和基础作用力等因素,进行了根开变化对输电铁塔结构优化设计的影响分析。


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