長塔臂輸電塔的三維風(fēng)荷載特性及抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法研究

隨著輸電線路規(guī)模的增大，長橫擔(dān)輸電塔越來越廣泛地得到應(yīng)用。由于在長橫擔(dān)上存在很大的質(zhì)量和擋風(fēng)面積的突變，導(dǎo)致長橫擔(dān)輸電塔的風(fēng)荷載特性與傳統(tǒng)的輸電塔有較大差異，同時(shí)其橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向的風(fēng)荷載效應(yīng)顯著，非常有必要進(jìn)行長橫擔(dān)輸電塔三維風(fēng)荷載特征和抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法研究。本課題主要研究內(nèi)容有：（1）采用氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)獲得輸電塔在順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向的風(fēng)振特征；（2）采用高頻動(dòng)態(tài)天平風(fēng)洞試驗(yàn)研究圓截面鋼管塔的體型系數(shù)，分析風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)雷諾數(shù)效應(yīng)的修正方法；（3）采用大比例尺剛性測壓風(fēng)洞試驗(yàn)獲得角鋼塔各桿件的局部風(fēng)壓分布，分析節(jié)段模型的整體體型系數(shù)和力譜特征；（4）基于高頻天平動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出考慮順風(fēng)、橫風(fēng)和扭轉(zhuǎn)向三維作用的輸電塔等效風(fēng)荷載計(jì)算方法；（5）分析輸電塔風(fēng)致響應(yīng)的各種時(shí)頻域計(jì)算方法，對比各結(jié)果以探討各種方法的適用性；（6）研發(fā)用于輸電塔加速度測試的輕便現(xiàn)場實(shí)測裝置和進(jìn)行應(yīng)用，研究輸電塔的半剛性連接對輸電塔自振特性和風(fēng)致響應(yīng)的影響；（7）基于向量式有限元方法進(jìn)行輸電塔風(fēng)振響應(yīng)和風(fēng)致倒塌計(jì)算。 研究結(jié)果表明：（1）在各風(fēng)向角下輸電塔的橫風(fēng)向加速度與順風(fēng)向加速度接近，橫風(fēng)向效應(yīng)在設(shè)計(jì)中必須考慮；（2）圓鋼塔的天平測力風(fēng)洞試驗(yàn)中，高湍流風(fēng)場下測試獲得的體型系數(shù)可不進(jìn)行修正，均勻流下體型系數(shù)需要考慮修正系數(shù)；（3）圓鋼塔架體型系數(shù)在15°風(fēng)向上達(dá)到最大值，正迎風(fēng)的體型系數(shù)與美國規(guī)范接近，比中國規(guī)范大；(4)典型角鋼塔節(jié)段模型的順風(fēng)向體型系數(shù)為2.99，比中國規(guī)范大，規(guī)范數(shù)據(jù)偏危險(xiǎn)；（5）典型角鋼塔節(jié)段模型在順風(fēng)向與橫風(fēng)向基底剪力的相干性、順風(fēng)向基底剪力與扭矩間的相干性均較小，橫風(fēng)向基底剪力與扭矩間的相干性較大；（6）時(shí)頻和頻域的兩種方法（CQC法和背景加共振）得到的結(jié)果非常接近，在頻域分析中模態(tài)交叉項(xiàng)的貢獻(xiàn)不可忽略，對于長塔臂輸電塔需要考慮至少6階模態(tài)的參與；（7）基于C 編制了輸電塔基于向量式有限元的風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算程序，與傳統(tǒng)有限元的風(fēng)致響應(yīng)結(jié)果一致，演算獲得輸電塔的風(fēng)致倒塌過程；（8）提出了輸電塔的三維抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，能同時(shí)考慮三個(gè)方向的風(fēng)荷載作用，已在玉環(huán)電廠二期送出線路等工程中得到應(yīng)用。 2100433B

超高壓和特高壓線路是現(xiàn)代輸電線路的主要建造方向，長塔臂是這些輸電塔的典型特征。長塔臂輸電塔在橫擔(dān)上有很大的質(zhì)量和擋風(fēng)面積的突變，其動(dòng)力特性和傳統(tǒng)的輸電塔有較大差異，橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載效應(yīng)顯著。輸電塔設(shè)計(jì)規(guī)范沒有考慮橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)的風(fēng)荷載，同時(shí)提供的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法很難適用于長塔臂輸電塔。國內(nèi)外相關(guān)研究主要針對順風(fēng)向，很少涉及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)以及考慮三維作用的風(fēng)效應(yīng)，同時(shí)以往基于懸臂梁模型的風(fēng)荷載研究方法和相關(guān)理論在長塔臂輸電塔也存在適用性問題。本課題針對典型長塔臂輸電塔，采用現(xiàn)場實(shí)測、高頻動(dòng)態(tài)天平風(fēng)洞試驗(yàn)、氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)、典型節(jié)間測壓風(fēng)洞試驗(yàn)和時(shí)頻域計(jì)算方法，分析輸電塔三維風(fēng)荷載的時(shí)頻域特征和產(chǎn)生機(jī)理，研究分布力和節(jié)點(diǎn)力的風(fēng)荷載作用模式對桿件受力的影響，給出考慮三個(gè)方向作用的輸電塔風(fēng)荷載的研究方法、響應(yīng)特征和等效風(fēng)荷載。發(fā)展輸電塔的相關(guān)風(fēng)振理論，并為相關(guān)規(guī)范條文的修訂提供一定的依據(jù)。

本文將典型高壓輸電塔分為塔頭、塔身和塔腿三部分，應(yīng)用高頻天平測力風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)，分別研究了塔頭、塔身結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性及作用機(jī)理。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的解析模型，計(jì)算了輸電塔的風(fēng)致響應(yīng)，分析了結(jié)構(gòu)阻尼比、模態(tài)數(shù)目等參數(shù)對響應(yīng)的影響。采用廣義陣風(fēng)因子法給出了輸電塔等效靜力風(fēng)荷載計(jì)算方法，對比了不同規(guī)范給出的等效靜力風(fēng)荷載，所得結(jié)論對完善我國輸電塔風(fēng)荷載規(guī)范條文有參考價(jià)值。

雷暴沖擊風(fēng)的最大風(fēng)速出現(xiàn)在近地面附近，對輸電線塔具有極強(qiáng)的破壞性。當(dāng)前針對雷暴沖擊風(fēng)下輸電塔風(fēng)荷載和風(fēng)振性能的研究較少，導(dǎo)致輸電塔的風(fēng)毀事故時(shí)有發(fā)生。包括我國在內(nèi)的大多數(shù)國家的荷載規(guī)范基本上仍采用常態(tài)大氣邊界層剖面風(fēng)荷載作為設(shè)計(jì)荷載，并未體現(xiàn)雷暴沖擊風(fēng)的作用。本項(xiàng)目采用自主開發(fā)的雷暴沖擊風(fēng)模擬裝置，在常規(guī)邊界層風(fēng)洞中實(shí)現(xiàn)了雷暴沖擊風(fēng)的模擬?；谳旊娝鈴椖Ｐ惋L(fēng)洞試驗(yàn)，采用非接觸位移測試技術(shù)對輸電線塔在沖擊風(fēng)場下的風(fēng)振特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。總結(jié)了不同類型的輸電塔在不同尺度沖擊風(fēng)作用下的風(fēng)振響應(yīng)規(guī)律，并對比分析了常規(guī)風(fēng)場和沖擊風(fēng)場下塔頭、塔高等因素對輸電塔風(fēng)振響應(yīng)的影響?；谳旊娝鈴椖Ｐ臀灰祈憫?yīng)的測量結(jié)果，研究輸電塔氣動(dòng)荷載的分布特征，類比于荷載響應(yīng)相關(guān)法，建立了輸電塔結(jié)構(gòu)三維靜力等效風(fēng)荷載的新的試驗(yàn)分析方法。研究結(jié)果表明，沖擊風(fēng)下的輸電塔風(fēng)振響應(yīng)與常規(guī)風(fēng)場下的響應(yīng)并未有明顯區(qū)別，均以一階模態(tài)振動(dòng)為主。不過，由于沖擊風(fēng)的低湍流度特征導(dǎo)致脈動(dòng)響應(yīng)偏小。輸電塔風(fēng)振響應(yīng)隨高度和風(fēng)速的增大而增大，同時(shí)隨風(fēng)向角變化呈現(xiàn)規(guī)律性的特征，最大風(fēng)振響應(yīng)基本發(fā)生在15o～30o。風(fēng)場和塔高相近的條件下，干字型塔樓的平均和脈動(dòng)響應(yīng)均高于貓頭型輸電塔。輸電塔的等效靜風(fēng)荷載成分組成說明，對于鏤空的輸電塔結(jié)構(gòu)，其平均荷載占有絕對優(yōu)勢，背景響應(yīng)和共振響應(yīng)占次要地位。 2100433B

雷暴沖擊風(fēng)是短時(shí)間內(nèi)沖向地面并沿雷暴中心向外圍迅速擴(kuò)散的高強(qiáng)氣流，其最大風(fēng)速出現(xiàn)在近地面附近，對輸電線塔具有極強(qiáng)的破壞性。目前針對雷暴沖擊風(fēng)下輸電塔風(fēng)荷載和風(fēng)振性能的研究較少，包括我國在內(nèi)的大多數(shù)國家的荷載規(guī)范基本上仍采用常態(tài)大氣邊界層剖面風(fēng)荷載作為設(shè)計(jì)荷載，并未體現(xiàn)雷暴沖擊風(fēng)的作用。本項(xiàng)目通過輸電塔氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)，在邊界層風(fēng)洞中模擬雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場，采用新的位移測試技術(shù)對輸電線塔雷暴沖擊風(fēng)作用下的風(fēng)振特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究，分析不同類型的輸電塔在沖擊風(fēng)作用下的風(fēng)振響應(yīng)規(guī)律?；谳旊娝鈴椖Ｐ驼w位移響應(yīng)的測量結(jié)果，進(jìn)行氣動(dòng)阻尼參數(shù)和作用于結(jié)構(gòu)上的氣動(dòng)荷載識別，研究輸電塔結(jié)構(gòu)氣動(dòng)阻尼隨風(fēng)速的變化規(guī)律和氣動(dòng)荷載的分布特征與作用機(jī)理，建立輸電塔結(jié)構(gòu)三維靜力等效風(fēng)荷載的新的試驗(yàn)分析方法，為輸電塔抗沖擊風(fēng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。