以離心模型試驗探討輸電鐵塔於不同地盤條件下之動態反應

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張睿庭(Rui-Ting Chang) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

以離心模型試驗探討輸電鐵塔於不同地盤條件下之動態反應
(Dynamic response of electrical transmission tower with different soil stratum by centrifuge modelling)

相關論文

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摘要(中)

發電廠傳輸電力至住宅或工商業區之過程，需透過輸電鐵塔進行電力傳輸，臺灣地貌變化大，輸電鐵塔常需建造於丘陵或山坡地區；以數值模擬分析結構穩定度時，通常以陣風作用於鐵塔上部結構的作用力為主要參數進行分析，針對地震力設計的規範則參考日本「送電用鐵塔基礎設計，第十三章，耐震設計」(2002) 進行基礎結構設計，基礎穩定性對於輸電鐵塔相當重要。
本研究進行一系列離心模型動態試驗，利用二階段離心模型縮尺律模擬輸電鐵塔A、B兩座重量分布不同但上部結構皆為60 m之輸電鐵塔，鐵塔坐落於土層相對密度85%的乾砂、軟岩及飽和地盤，其中包含水平及傾斜地盤，在40 g的穩定離心加速度場分別輸入1.8、0.4及0.2 Hz之主要振動事件，探討輸電鐵塔於不同地盤條件下受振動事件之動態反應。
試驗結果顯示，在乾砂地盤中鐵塔承受振動事件作用時，加速度放大反應較大；由於軟岩地盤能具有較高的圍束力，基礎穩定的狀況下不易產生加速度突波值，若振動事件沒有造成結構物共振，於乾砂地盤中的加速度放大倍率約為軟岩地盤的2倍，若振動事件造成結構物共振，於乾砂地盤及軟岩地盤之加速度放大倍率幾乎一致；在飽和地盤試驗中，若振動事件引致鐵塔共振時，於振動前期加速度放大反應較小，振動後期逐漸增大，後期約比前期反應大2倍；加速度相位差與振動事件頻率相關，在低頻與高頻振動事件中，輸電鐵塔A相對於基礎版A的相位差差異分別為55度和350度，輸電鐵塔B相對於基礎版B的相位差差異分別為12度和182度，由此可知振動事件頻率較高使上部結構的加速度相位差增加；於軟岩地盤中記錄到的彎矩值比乾砂地盤及飽和地盤小，因軟岩地盤提供基樁較大的圍束力，而上部結構之振動貢獻大部分的樁身彎矩值。

摘要(英)

Electricity conveyance beginning from the power plant to residential and industrial areas through the electrical transmission tower. Taiwan is covered by 70% of mountain area; therefore, the towers are usually built on slope. When analyzing the structure stability by numerical simulation, wind load is the primary parameter and not ground motion. Hence, the stability of whole structure subjected several ground motions will be studied.
In this study, series of dynamic centrifuge modelling tests were conducted to simulate two different electricity transmission tower models that have 60 m of height and different weights, which scaled by generalized scaling law. The superstructure models were placed on relative density of 85% sandy, saturated and soft rock stratum that is modeled by mixing silica sand and cement with 0% and 20% slope. Thickness of the center of soil deposit are 24 m and 40 m in prototype under 40 g-level for flat and slope ground, respectively.
From the results can be summarized that: (1) During shaking, the towers have obvious acceleration amplification reaction on dry sand stratum. There is no peak acceleration value recorded during shaking event, due to higher confining pressure from the soft rock stratum let the pile stable. If the shaking event cause the structure to resonate, the acceleration amplification factor in dry sandy stratum is two times soft rock stratum, in contrast, the difference of acceleration amplification factor is almost the same. If the shaking event causes the superstructure on the saturated sandy stratum to resonate, the acceleration amplification reaction is gradually increased. (2) The acceleration phase difference is related to the frequency of input motion. In S2 and S6 events, the phase difference of tower A is 350 degrees and 55 degrees, respectively, and tower B is 182 degrees and 12 degrees, respectively. It indicates that higher input motion frequency causes higher phase difference. (3) The pile bending moment in soft rock stratum is smaller than dry sand and saturation stratum, due to the higher confining pressure of soft rock stratum. Vibration from superstructure contributes the most of pile bending moment.

關鍵字(中)

★ 離心模型試驗
★ 輸電鐵塔
★ 加速度放大倍率
★ 傾倒角
★ 樁身彎矩值

關鍵字(英)

★ centrifuge modelling test
★ electrical transmission tower
★ acceleration amplification factor
★ tilting angle
★ bending moment

論文目次

摘要 i
Abstract ii
致謝 iv
目錄 v
圖目錄 ix
表目錄 xvi
符號說明 xviii
一、緒論 1
1-1 研究動機與目的 1
1-2 研究方法 1
1-3 論文架構 2
二、文獻回顧 3
2-1 離心模型原理 3
2-1-1 二階段縮尺律 (Generalized scaling law) 3
2-1-2 二階段縮尺律對離心模型之影響 5
2-1-3 科氏加速度對離心模型試驗之影響 11
2-2 輸電鐵塔基礎設計及安全性評估 12
2-2-1 致災地形區環境評估 12
2-2-2 輸電鐵塔建設之環境地質評估 13
2-2-3 輸電鐵塔基礎形式及應用之場合 13
2-2-4 架空輸電線路設計準則 15
三、試驗設備與步驟 16
3-1 試驗儀器與設備 16
3-1-1 地工離心機 16
3-1-2 單軸向振動台 17
3-1-3 資料擷取系統 19
3-1-4 固壁式蜂巢試驗箱 (Rigid container) 19
3-1-5 各式感測器 20
3-1-6 移動式霣降儀 24
3-2 試驗材料 25
3-2-1 石英細砂 25
3-2-2 水泥混石英細砂 27
3-2-3 羧丙基甲基纖維素 30
3-3 二階段縮尺之離心模型 31
3-3-1 以二階段縮尺進行模型設計 31
3-3-2 輸電鐵塔模型 32
3-3-3 輸電鐵塔基礎版模型 35
3-3-4 沉箱式基樁模型 37
3-3-5 模型重量比例 39
3-4 試體準備 41
3-4-1 黏貼應變規 41
3-4-2 樁模型校正 42
3-4-3 試驗箱之準備 47
3-4-4 試體製作 47
3-4-5 架設鐵塔模型 52
3-4-6 試體飽和 53
3-4-7 離心模型試驗前準備工作 56
四、試驗規劃與結果討論 58
4-1 試驗規劃 58
4-2 試驗數據分析方法 66
4-2-1 評斷振動事件的標準 66
4-2-2 微振動探測 69
4-2-3 顯著頻率 (Predominant frequency) 70
4-2-4 轉換函數 (Transfer function, TR) 71
4-2-5 振動期間之加速度歷時 72
4-2-6 加速度放大因子 (Acceleration amplification factor) 73
4-2-7 輸電鐵塔加速度相位差 (Acceleration phase difference) 74
4-2-8 輸電鐵塔阻尼比 (Damping ratio) 76
4-2-9 基礎版之旋轉角與傾倒角 (Rotation angle and tilting angle) 77
4-2-10 樁身彎矩歷時 (Bending moment history) 79
4-2-11 各振動事件中的最大樁身彎矩值 80
4-2-12 評斷土壤液化之標準 82
4-2-13 位移歷時 83
4-3 試驗結果 84
4-3-1 乾砂傾斜地盤試驗結果 (DI) 84
4-3-2 軟岩水平地盤試驗結果 (CSF) 99
4-3-3 軟岩傾斜地盤試驗結果 (CSI) 114
4-3-4 飽和水平地盤試驗結果 (SF) 129
4-4 綜合討論 151
4-4-1 加速度放大倍率 151
4-4-2 轉換函數 155
4-4-3 阻尼比 164
4-4-4 加速度相位差 165
4-4-5 位移歷時 169
4-4-6 旋轉角與傾倒角 171
4-4-7 樁身彎矩歷時 175
五、結論與建議 181
5-1 結論 181
5-2 建議 183
參考文獻 184
附錄 187

參考文獻

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指導教授

洪汶宜(Wen-Yi Hung)

審核日期

2020-8-20

推文