Tính toán dao động riêng tháp truyền tải điện có kể tới phi tuyến hình học (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI - HỒNG MINH TUẤN TÍNH TỐN DAO ĐỘNG RIÊNG THÁP TRUYỀN TẢI ĐIỆN CÓ KỂ TỚI PHI TUYẾN HÌNH HỌC LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG & CƠNG NGHIỆP Hà Nội 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI - HỒNG MINH TUẤN KHĨA: 2016 – 2018 LỚP CAO HỌC CH2016X1 TÍNH TỐN DAO ĐỘNG RIÊNG THÁP TRUYỀN TẢI ĐIỆN CÓ KỂ TỚI PHI TUYẾN HÌNH HỌC Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG & CƠNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRÌNH TỰ LỰC TS LÊ HỮU THANH Hà Nội 2018 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, thầy cô Khoa sau đại học với thầy giáo, cô giáo Khoa, môn giảng dạy tạo điều kiện để em hồn thành khóa học 2015 - 2017 Đặc biệt em cảm ơn thầy TS Trình Tự Lực TS Lê Hữu Thanh người trực tiếp hướng dẫn khoa học luận văn tạo điều kiện, dành nhiều thời gian, nhiệt tình giúp đỡ đầu tư tài liệu để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Cảm ơn thầy giáo, cô giáo Bộ môn Sức bền – Kết cấu Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, thầy cô tiểu ban bảo vệ đề cương, thầy cô tiểu ban kiểm tra tiến độ luận văn, có ý kiến góp ý q báu cho nội dung luận văn Vì thời gian thực luận văn có hạn nên khơng tránh khỏi hạn chế, thiếu sót Nhưng em xin hứa đầu tư nghiên cứu thêm vấn đề hạn chế, thiếu sót để hồn thiện thêm kiến thức em trình làm việc sau Hà Nội, ngày , tháng 03 năm 2018 Học viên Hồng Minh Tuấn LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập Các số liệu khoa học, kết nghiên cứu Luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng TÁC GIẢ LUẬN VĂN Hoàng Minh Tuấn MỤC LỤC Lời cám ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viêt tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ đồ thị MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài Phạm vi đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn đề tài NỘI DUNG CHƯƠNG 1: THÁP TRUYỀN TẢI ĐIỆN VÀ THÁP TRUYỀN TẢI ĐIỆN CÓ CHIỀU CAO LỚN 1.1 Khái niệm tháp truyền tải điện 1.2 Đặc điểm tháp truyền tải điện có chiều cao lớn 12 1.2.1 Cấu tạo chi tiết tháp truyền tải điện 12 1.2.2 Tải trọng tác dụng 13 1.3 Động lực học cơng trình tháp truyền tải điện 15 1.4 Biến dạng tuyến tính phi tuyến kết cấu tháp truyền tải điện 16 1.4.1 Biến dạng tuyến tính 18 1.4.2 Biến dạng Logarit 19 1.4.3 Biến dạng Green-Lagrange 19 1.4.4 Nội lực 20 1.5 Phân động lực học tháp có kể tới biến dạng phi tuyến 22 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH PHI TUYẾN ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH KẾT CẤU THÁP TRUYỀN TẢI ĐIỆN CÓ CHIỀU CAO LỚN 26 2.1 Động lực học cơng trình 26 2.1.1 cản Dao động hệ bậc tự không xét đến ảnh hưởng lực 27 2.1.2 Dao động tự hệ bậc tự có xét đến ảnh hưởng lực cản 33 2.2 Phân tích phi tuyến động lực học cơng trình tháp truyền tải 39 2.2.1 Mơ hình phần tử dầm cột 39 2.2.2 Phần tử tác động hiệu ứng P -  40 2.2.3 Các mơ hình trễ vật liệu 42 2.3 Tính tốn kết cấu tháp phương pháp PTHH 43 2.3.1 Phần tử chịu kéo (nén) 43 2.3.2 Phần tử dàn phẳng 46 2.3.3 Phần tử dàn không gian 50 2.4 Dao động tự cơng trình theo Vector Ritz Vector trị riêng 53 CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TỐN 55 3.1 Tính tốn dao động tháp truyền tải điện 55 3.1.1 Dữ liệu tính tốn 55 3.1.2 Dao động tự tháp truyền tải theo mơ hình vector trị riêng58 3.1.3 Dao động tự tháp truyền tải theo mơ hình Ritz vector 61 3.1.4 Dao động tự theo mơ hình Ritz kể tới biến dạng phi tuyến P Delta 64 3.2 Phân tích đánh giá kết tính toán 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên đầy đủ STT Chữ viết tắt A Diện tích mặt cắt ngang c Hệ số cản nhớt ( damping cofficient) E Module đàn hồi ( Young,s modulus) f Tần số dao động tự g Gia tốc trọng trường G Mô đun đàn hồi trượt k Độ cứng lo xo m Khối lượng p(t) 10 PTHH Phần tử hữu hạn 11 T Chu kỳ dao động 12 TMD 13 u Chuyển vị theo phương ngang (trục X) 14 v Chuyển vị theo phương đứng (trục Y) 15 ε Biến dạng 16 λ Độ dài sóng 17 ν Hệ số poisson 18 ω Tần số góc ( dao động tự do) 19 Φ độ lệch pha Tải trọng theo thời gian Tuned Mass Damper DANH MỤC CÁC BẢNG Số thứ tự bảng Nội dung bảng Bảng Danh sách 10 tháp truyền tải điện cao giới Bảng Tọa độ nút dàn tháp truyền tải điệnDanh sách 10 tháp truyền tải điện cao giới Bảng Đặc trưng hình học mặt cắt ngang dàn Bảng Thông số đầu vào vật liệu Bảng Bảng Bảng Tần số chu kỳ dao động cơng trình phân tích theo mơ hình Vector trị riêng – Mơ hình thơng thường Tần số chu kỳ dao động công trình phân tích theo mơ hình Ritz Vector Tần số chu kỳ dao động cơng trình phân tích theo mơ hình Ritz Vector có kể tới biến dạng phi tuyến DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số thứ tự Hình 1.1 Hình 1.2 Nội dung hình vẽ Tháp truyền tải mạng lưới điện 220 kV Chèm – Vân Trì Lắp dựng kết cấu tháp truyền tải điện ngồi trường Hình 1.3 Tháp truyền tải điện mạng đường dây 110 kV Hình 1.4 Đỉnh tháp truyền tải điện Hình 1.5 Kết cấu tháp truyền tải điện có sử dụng neo Hình 1.6 Tháp truyền tải điện sử dụng thép ống (Đức) – Wikipedia Hình 1.7 Cấu tạo đốt tháp mặt cắt ngang điển hình Hình 1.8 Hệ điều chỉnh dao động Stockbridge – Dạng hệ TMD, lắp đặt hệ thống truyền dẫn điện (Wikipedia) Hình 1.9 Cấu tạo chi tiết hệ điều chỉnh dao động Stockbridge Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 1.14 Hình 1.15 Mơ hình tính tốn động lực học kết cấu tháp truyền tải điện Mối liên hệ Biến dạng tỉ đối biến dạng dài tương đối phân tích đàn hồi tuyến tính biến dạng phi tuyến Biến dạng chịu tác dụng tải trọng Cân Nội lực – Ngoại lực có biến dạng phi tuyến Các biến số phần tử phương pháp PTHH Sơ đồ khối thực phân tích tốn theo phương pháp PTHH phần mềm máy tính Hình Hệ có bậc tự Hình 2 Mơ hình dao động hệ có bậc tự Hình Dao động tuần hồn Hình Biên độ dao động tuần hồn Hình Dao động tắt dần Hình Dao động hệ lực cản lớn Hình Mơ hình phần tử xét tới phi tuyến hình học vật liệu đàn dẻo Hình Mơ hình trễ đàn hồi vật liệu thép Hình Mơ hình trễ động học vật liệu thép Hình 10 Mơ hình trễ Takeda vật liệu thép Hình 11 Đường cong ứng suất biến dạng vật liệu thép SAP 2000 Hình 2.12 Thanh chịu kéo nén tâm Hình 2.13 Thanh chịu kéo (nén) dàn phẳng Hình 2.14 Chuyển trục tọa độ phần tử dàn phẳng Hình 2.15 Thanh dàn khơng gian Hình Mơ hình tháp truyền tải điện Hình Mặt cắt ngang biên dàn Hình 3 Mặt cắt ngang xiên dàn Hình Khai báo phân tích dao động riêng theo mơ hình vector trị riêng phần mềm SAP 2000 Hình Mode dao động – Mơ hình vector trị riêng Hình Mode dao động – Mơ hình vector trị riêng Hình Mode dao động – Mơ hình vector trị riêng Hình Khai báo phân tích dao động riêng theo mơ hình Ritz vector Hình Mode dao động – Mơ hình Ritz vector Hình 10 Mode dao động – Mơ hình Ritz vector Hình 11 Mode dao động – Mơ hình Ritz vector Hình 12 Hình 13 Hình 14 Hình 15 Hình 16 Khai báo xét ảnh hưởng biến dạng phi tuyến P Delta Khai báo xét phân tích dao động tự có kể tới ảnh hưởng biến dạng phi tuyến P – Delta theo mơ hình Ritz vector Mode dao động – Mơ hình Ritz vector có kể tới biến dạng phi tuyến Mode dao động – Mơ hình Ritz vector có kể tới biến dạng phi tuyến Mode dao động – Mơ hình Ritz vector có kể tới biến dạng phi tuyến MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cột truyền tải điện thiết kế xây dựng cơng trình hạ tầng cấp truyền tải điện hệ thống lưới điện quốc gia Cột có chức đỡ hệ thống dây cáp điện Theo vật liệu cột truyền tải điện chế tạo từ bê tơng, thép bê tông cốt thép Như ta biết, điều kiện địa hình Việt Nam nên hệ thống truyền tải điện Do vậy, cột truyền tải điện chế tạo đảm bảo yêu cầu đơn giản, dễ vận chuyển lắp dựng Đối với trường hợp đường dây cần vượt chướng ngại cao rộng đường dây điện khác, đường dây thông tin, sông rộng vượt qua địa hình đồi núi (mạng truyền tải điện 500 kV)…khi cột thường thay tháp truyền tải điện Tháp thường cấu tạo hệ giàn không gian với giằng chéo, đặt hệ móng (bè, đơn cọc) bê tông cốt thép Tháp chế tạo từ thép hình cán nóng nguội sử dụng cho hệ lưới điện cao Tháp truyền tải điện phân tích tính tốn hệ giàn không gian 3D, giàn xem chịu kéo nén, nén có xét tới điều kiện ổn định Bằng việc khảo sát thêm giằng cứng vị trí nhịp [5], tác giả rằng: loại giằng, kiểu nút liên kết giằng với giàn ảnh hưởng tới làm việc tháp Các nghiên cứu khác rằng, với cách cấu tạo số lượng chân tháp (3 chân) ảnh hưởng đáng kể tới nội lực phân bố giàn tháp có chiều cao loại giàn [9] Tại Việt Nam, với nhu cầu sử dụng điện phát triển kinh tế, việc cung cấp truyền tải điện từ nhà máy tới đô thị, khu công nghiệp hay miền đất nước ngày nhu cầu cấp bách Do nay, mạng truyền tải điện đầu tư xây dựng mạnh mẽ Như biết, điều kiện địa hình nước ta tương đối phức tạp, nhiều trường hợp hệ thống truyền tải điện xây dựng để vượt qua địa hình hiểm trở đồi núi hay bắc qua lòng sơng có chiều rộng lớn Do vậy, hầu hết mạng truyền tải điện cao nước ta bắt buộc phải sử dụng tháp truyền tải điện chế tạo thép Trong thực tế phân tích thiết kế nay, tháp truyền tải điện tính tốn việt nam giống giới, tháp xem kết cấu giàn không gian 3D, giàn đồng quy nút (thanh chịu kéo nén) phân tích tính tốn hệ giàn [1,2] Tháp phân tích kết cấu dựa vào phần mềm tính tốn SAP 2000, Staad Pro hay Tower – phần mềm phát triển nước Việc phân tích kết cấu tháp truyền tải điện nước ta xem xét tới trạng thái làm việc tuyến tính (vật liệu đàn hồi tuyến tính biến dạng hệ bé) Nhưng thực tế, tháp truyền tải điện chấp nhận có biến dạng lớn chịu tải trọng kéo dây, gió bão… đồng thời tháp chế tạo từ vật liệu thép - vật liệu có miền chảy lớn Do vậy, với việc phân tích kết cấu tháp giai đoạn đàn hồi tuyến tính chưa khai thác hết khả chịu lực công làm việc tối đa tháp Xuất phát từ thực tế trên, luận văn lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Tính tốn dao động riêng tháp truyền tải điện có kể tới phi tuyến hình học” nhằm khai thác tận dụng tối đa khả chịu lực kết cấu tháp lường trước tác động xấu tới kết cấu tháp tháp làm việc trạng thái miền tuyến tính 3 Mục đích nghiên cứu đề tài Với việc “Tính tốn dao động riêng tháp truyền tải điện có kể tới phi tuyến hình học” đề tài nhằm thực số mục tiêu sau: - Đánh giá, so sánh hai phương pháp phân tích kết cấu phương pháp tuyến tính phi tuyến Từ có lựa chọn hợp lý kết cấu hiệu kinh tế cho cơng trình - Kết nghiên cứu đạt phục vụ cho công việc học viên, ngồi dùng để ứng dụng công việc thiết kế kết cấu thép học viên tương lai Phạm vi đối tượng nghiên cứu Do giới hạn thời gian chương trình đào tạo, đề tài thực nghiên cứu giới hạn phạm vi với số nội dung sau: - Phân tích kết cấu cho tháp truyền tải điện thép có chiều cao lớn 50 - 60 m loại tháp thường sử dụng hệ thống lưới truyền tải điện nước ta nay; - Xét tới toán phi tuyến hình học tháp Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phân tích tính tốn phần mềm tính tốn kết cấu SAP 2000 Trong đó: - Xây dựng lý thuyết tính tốn phi tuyến hình học cho kết cấu tháp truyền tải điện; - Khảo sát ví dụ tính tốn phần mềm phân tích kết cấu SAP 2000; - Từ kết so sánh rút kết luận kiến nghị cho đề tài để áp dụng vào thực tiễn 4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Với kết nghiên cứu đề xuất giải pháp phân tích tính tốn kết cấu tháp truyền tải điện, sở lựa chọn loại kết cấu thiết kế kết cấu tháp hệ thống truyền tải điện - Với mục tiêu nhằm phát huy hết khả làm việc kết cấu, kết nghiên cứu góp phần hồn chỉnh giải pháp thiết kế kết cấu làm tăng hiệu kinh tế, tiết kiệm tránh gây lãng phí thiết kế cơng trình Cấu trúc luận văn đề tài Đề tài cấu trúc chia thành chương sau: Chương mở đầu: Trình bày lý lựa chọn, cần thiết phạm vi nghiên cứu đề tài ý nghĩa thực tiễn khoa học đề tài Chương 1: Tổng quan tháp truyền tải điện có chiều cao lớn (đặc điểm, cấu tạo …), phương pháp phân tích kết cấu cho loại cơng trình Chương 2: Xây dựng sở lý thuyết phân tích phi tuyến hình học cho kết cấu cột truyền tải điện có chiều cao lớn Chương 3: Ví dụ tính tốn, áp dụng lý thuyết xây dựng tính tốn cho tốn cụ thể So sánh kết tính tốn giải tích với kết khảo sát phần mềm số Phân tích đánh giá kết toán Kết luận kiến nghị: Từ kết đề tài, tác giả đề xuất kết luận kiến nghị rút từ nghiên cứu luận văn THÔNG BÁO Để xem phần văn tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thơng tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội Email: digilib.hau@gmail.com TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1) Kết luận Đề tài nghiên cứu tính tốn động lực học tháp truyền tải điện phương pháp phần tử hữu hạn theo mơ hình tính tốn thơng thường mơ hình có kể tới biến dạng phi tuyến với trợ giúp phần mềm SAP 2000 Với nội dung trình bày luận văn thực với mục tiêu đạt sau: 1) Thiết lập sở lý thuyết cho tốn tính tốn dao động tự kết cấu tháp thép truyền tải điện phương pháp phần tử hữu hạn 2) Phân tích dao động tự tháp truyền tải điện với mô hình phân tích thơng thường mơ hình có kể tới biến dạng lớn 3) Kết tính tốn luận văn cho ta thấy rằng, có khác đáng kể giá trị dạng biến dạng dao động tự tháp truyền tải điện phân tích theo mơ hình thơng thường mơ hình có kể tới biến dạng lớn Với kết đạt được, nội dung nghiên cứu luận văn tài liệu áp dụng cơng tác học tập nghiên cứu thiết kế tác giả 71 2) Kiến nghị Việc tăng hay giảm giá trị tần số chu kỳ dao động chưa phản ánh hết đặc điểm làm việc cơng trình chịu tải trọng động Do vậy, cơng trình cần phân tích đồng thời giá trị dao động tự với tác dụng đồng thời tải trọng động Trong thực tế tháp truyền tải điện tác động đáng kể tác nhân động như: gió động Do vậy, tháp truyền tải điện cần nghiên cứu ảnh hưởng biến dạng phi tuyến tới dao động tự chịu tác dụng nguyên nhân tải trọng TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Phạm Huy Chính (2011), Tính Tốn Và Thiết Kế Kết Cấu Thép, NXB Xây Dựng, Hà Nội Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tư, Đoạn Ngọc Tranh Hồng Văn Quang, Kết Cấu Thép – Cơng Trình Dân Dụng Cơng Nghiệp – 1, 2, Nhà xuất Khao học Kỹ Thuật, Hà Nội, 1996 Đặng Thị Phương Uyên, Lê Thanh Cường Ngô Hữu Cường (2015), “Phân tích phi tuyến khung dàn thép phẳng sử dụng phương pháp dầm cột”, Tạp chí khoa học – Trường ĐH Mở TP Hồ Chí Minh, số (41) Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam, TCVN 5575:2012 Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế, Nhà xuất Xây dựng Tiếng Anh Albermani F, Mahendran M, Kitipornchai S, “Upgrading Of Transmission Towers Using Of Diaphragm Bracing System”, International Journal of Civil And Structural Engineering, Volume2, No2, 2008 Clough R W, Penzien J, Dynamics of Structures, New York: Computer and Structure, Inc, US, 2003 Chopra A K, “Dynamics of Structures, New Jew Jersey, Pentice – Hall, 1995 Computer and Structures Inc, “Analysis Reference Manual”, e-publish, 2016 Ghugal Y M and Salunkhe U S, “Analysis and Design of Three and Four Legged 400KV Steel Transmission Line Towers”, International Journal of Earth Sciences and Engineering, Volume 04, No 06 SPL, October 2011, pp 691-694 10 Seung-Eock Kim, Moon-Ho Park, Se-Hyu Choi (2001), “Direct design of three-dimensional drames using prctical advanced analysis” Journal of Constructional Steel Research, Vol.57, p.907-923  ... tính Hình Hệ có bậc tự Hình 2 Mơ hình dao động hệ có bậc tự Hình Dao động tuần hồn Hình Biên độ dao động tuần hồn Hình Dao động tắt dần Hình Dao động hệ lực cản lớn Hình Mơ hình phần tử xét tới. .. dạng phi tuyến P – Delta theo mơ hình Ritz vector Mode dao động – Mơ hình Ritz vector có kể tới biến dạng phi tuyến Mode dao động – Mô hình Ritz vector có kể tới biến dạng phi tuyến Mode dao động. .. ngồi trường Hình 1.3 Tháp truyền tải điện mạng đường dây 110 kV Hình 1.4 Đỉnh tháp truyền tải điện Hình 1.5 Kết cấu tháp truyền tải điện có sử dụng neo Hình 1.6 Tháp truyền tải điện sử dụng thép