本文是一篇土木工程论文，本文通过ANSYS WORKBENCH对110ZG301-21、110SGJ1-18两种型号钢管杆及杆线体系进行了有限元分析，根据分析结果得到了上述型号钢管杆的薄弱部位，并针对薄弱位置设计了相应加固方案。对于完成加固的钢管杆再次进行建模与有限元分析，最终根据可以承担的风压情况判断加固方案是否有效。
第1章绪论
1.1课题来源及研究的背景和意义
1.1.1课题来源与线路概况
本课题来源于实际工程项目。项目为110kV华下Ⅰ、Ⅱ线钢管杆防风加固改造，线路位于沿海城市海岸线附近。彼时钢管杆原设计基本风速与现在所处风区实际设计基本风速差距较大。此外，线路在风荷载计算标准上与现行标准也存在差距，在这两方面影响下经重新评估后发现该输电线路存在抗风能力不足的隐患。为尽量减少停电影响，同时尽可能提高线路防风能力，运行单位决定对该线路进行防风加固改造。鉴于钢管杆鲜有加固改造的先例，项目缺少可参考的案例，故本课题针对直线杆和钢管杆分别设计一套加固构件，用于提升钢管杆抗风能力，满足当下钢管杆抗风设计要求。
110kV华下Ⅰ、Ⅱ线位于广东沿海地区，距离海岸线不足10公里。该线路投产于2009年，至今已运行14年。该110kV输电线路全长5.686km，为电缆与架空混合双回线路，两回线同杆同沟，其中架空段长2.113 km，电缆段长3.573km。全线共15基钢管杆，其中耐张杆4基，直线杆11基。该线路原设计风速为离地15m高35米/秒（折算离地10m高的设计风速为32.8米/秒，无法抵抗12级台风正面登陆影响，按要求该线路应能抵抗13级台风正面登陆影响），全年无覆冰。线路投产于2009年，曾进行过导线增容改造。该线路为保底电网线路，重要等级高于其他普通110kV输电线路。若该线路存在抗风能力不足安全隐患，从经济性角度看，由于线路经济残值较高，不具备拆除重建的条件，所以进行杆塔防风加固改造成为提高该线路钢管杆抗风能力的最优方案。
1.2国内外关于该课题的研究现状及分析
近几十年来，电力行业随着中国经济的腾飞得到了快速发展，国内高压输电网日渐壮大，各式各样的输电塔以其坚强的脊梁撑起了中国能源输送的命脉，然而由于极端天气的影响，输电塔被风摧毁的现象时有发生，为人们的生产生活带来极大的影响。作为输电线路的骨架——输电杆塔、塔线体系的抗风能力在输电线路安全稳定中起着至关重要的作用，因此平衡好输电杆塔的抗风能力与经济性一直是电力行业中的热点研究课题。为此，国内外对杆塔抗风能力展开了大量研究[8-9]。
1.2.1输电塔—线体系风振响应研究现状
国内外学者从不同角度对输电塔—线体系的风振（静、动力）响应进行了大量的研究，研究发现，在动力分析中加入导地线影响因素后，输电塔-线体系整体的风振作用响应比单独对输电杆塔在风振作用下的响应分析困难很多。而静力分析主要研究的是杆塔稳定性问题。由于导线振动是大位移小变形的非线性振动的结构体系，且该体系是由多种构件构成的具有高柔、大跨等特点的空间耦合体系，造成其动力响应分析难度较大[10]。
国外对输电杆塔风振响应的研究较早。
1974年，Irvine H.M.通过对两端固定缆索的连续模型进行推导计算，提出了输电杆塔—线体系风振的静动力分析方法，在国内的输电杆塔风振研究与计算中应用较广[11]。1988-1992年，S.O zona等基于多次试验的对塔式结构及其动力特性进行分析，并将输电塔—线耦合体系的动力特性进行了划分，区分为高、低两个频段，并以此建立模型，并在后来提出塔—线耦合对振动特性影响[12]。在随后几年中S.O zona又与Maeda等人从导线的质量、杆塔跨数与跨比等因素着手，讨论与研究了各种影响因素对塔-线体系动力特性的影响[13]。1994年，A.Mercillsi等在输电塔-线体系上安装加速度传感器，随后通过对该体系进行大量的风洞试验与理论模拟，最终通过分析实验获得大量经验数据分析得到在脉动风影响下塔-线体系的风振响应[14]。1999年，H.Y asui对塔—线体系风振响应的分析方法进行了研究，使用梁单元与索单元分别完成对杆塔和导地线的模拟，在模型上分别使用时域分析法与频域分析法进行分析，比较了两种分析方法所得的不同结果[15]。2005-2008年，Shehata与Damatty研究发现，在普通脉动风作用下塔-线体系所受风振响应和在下击暴流作用下塔-线体系所受的影响差别较大。此外还考虑了绝缘子对风振响应的影响，得出了可以通过改变绝缘子的外形尺寸来改变输电塔的风振响应情况，进而提高输电塔抗风性能[16-17]。
第2章钢管杆及杆线体系模型建立
2.1引言
有限元分析在结构、电磁场、流体、热力、声学等方面的应用十分广泛，在有限元分析软件中，ANSYS是最常用大型有限元分析软件之一，广泛应用于土木工程、交通、能源等行业，在输电线路、杆塔有限元分析中也十分常用。目前，应用ANSYS常用的建模方法有三种，包括参数化建模法、命令流法以及直接建模法。
参数化建模法，即将绘制好的图形、结构等导入ANSYS软件中，并赋予图形中各个部件物理特性、自由度状态、部件间连接关系与各种约束条件等，该方法可以完成复杂结构的有限元分析。目前Design Modeler是ANSYS WORKBENCH软件中最成熟的建模方法之一。虽然在个别软件绘制的几何模型导入Design Modeler软件的过程中可能会发生信息丢失、变化等不兼容的情况，且各种复杂特征树及其相关的复杂的约束和连接关系偶尔导致模型出现错误，但不影响Design Modeler建模仍是当下主流建模方法之一。
应用ANSYS经典模式的命令流法，即完全通过编写一条条命令从而形成命令组合的方式完成模型的构建。该方法需要掌握编写结构模型的各个命令，对于初学者来说难以短时间上手，建模过程相对枯燥，且命令流法难以完成大型复杂结构的准确建模。
直接建模法，在以往的应用中ANSYS直接建模法经常用于建立结构简单的模型本，但在ANSYS公司于2014年收购SpaceClaim之后，直接建模法适用范围越来越广。随着软件版本不断更新，SpaceClaim以其强大的建模功能和相对简单的建模操作得到越来越普遍的应用，特别是对于复杂的大型结构以及跨行业的设计人员。SpaceClaim建模具有很好的应用前景，但在现阶段SpaceClaim建模发展时间较短，也存在着一些命令冲突、视觉定位不准、不兼容等情况。综上比选，为保证模型稳定性，本文采用ANSYS WORKBENCH中Design Modeler参数化建模方法对钢管杆及杆线体系进行建模。
2.2建立单杆模型
本文依据实际输电线路防风加固工程，以一条线路上110ZG301-21、110SGJ1-18两种型号钢管杆为研究对象。如下图2-1所示，两种杆型杆身及横担主材均由钢管（Q345钢）构成，组成杆身的3段钢管之间通过法兰盘连接，杆身与横担之间通过单列螺栓连接。
第3章杆线体系静力响应分析.............................-19
3.1引言.....................-19
3.2平均风模拟....................................-19
第4章钢管杆及杆线体系动力响应分析..............................-31
4.1引言..............................-31
4.2钢管杆及杆线体系模态分析.................................-31
第5章钢管杆抗台风加固设计..............................-42
5.1引言..........................................-42
5.2直线钢管杆抗台风加固设计............................-42
第6章钢管杆加固效果分析
6.2建立加固后杆线体系模型
在现有模型的基础上，对上述加固设计方案继续进行建模，获得如下图示模型。
根据完成的模型显示，110ZG301-21型号钢管杆加固后共包含节点170179个，比加固前增加22056个，单元138221个，比加固前增加25351个；110SGJ1-18型号钢管杆共包含节点219750个，比加固前增加53169个，单元172318个，比加固前增加51691个。
第7章结论与展望
7.1结论
本文通过ANSYS WORKBENCH对110ZG301-21、110SGJ1-18两种型号钢管杆及杆线体系进行了有限元分析，根据分析结果得到了上述型号钢管杆的薄弱部位，并针对薄弱位置设计了相应加固方案。对于完成加固的钢管杆再次进行建模与有限元分析，最终根据可以承担的风压情况判断加固方案是否有效。在完成本篇论文过程中得到如下结论：
（1）在导地线找型过程中，本文提出了与常规找型不同的方法——等效降温法，该方法主要依据导地线的实际弧垂或者张力其中一个进行找形，利用导地线热胀冷缩特性模拟升降温度使导地线到达目标应力或目标弧垂。该方法为应用DesignModeler建模找型提供了一种新颖的方式。相对于其他的找形方法，等效降温法，不需要复杂的编写命令流以及反复迭代带来的大量运算。等效降温法找型可以满足导地线找型的精度要求，但也会存在一些误差，本文在找型过程中分析了主要误差来源，以及通过更新导地线线长和更新导地线等效密度两种方式消减误差。在数据方面结合了实际运行过程中的弧垂数据，使找型结果更贴合该线路的实际情况。
（2）本文介绍了风荷载对钢管杆杆线体系产生风压的计算原理。在平均风速静力响应分析中可以得出，在风速较小的阶段各个角度的平均风速与
