雷暴沖擊風(fēng)下輸電塔風(fēng)荷載特性與風(fēng)振響應(yīng)研究結(jié)題摘要

雷暴沖擊風(fēng)的最大風(fēng)速出現(xiàn)在近地面附近，對(duì)輸電線塔具有極強(qiáng)的破壞性。當(dāng)前針對(duì)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(guó)在內(nèi)的大多數(shù)國(guó)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(kāi)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(cè)試技術(shù)對(duì)輸電線塔在沖擊風(fēng)場(chǎng)下的風(fēng)振特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究?？偨Y(jié)了不同類(lèi)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(duì)比分析了常規(guī)風(fēng)場(chǎng)和沖擊風(fēng)場(chǎng)下塔頭、塔高等因素對(duì)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(cè)量結(jié)果，研究輸電塔氣動(dòng)荷載的分布特征，類(lèi)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(chǎng)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(guò)，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(chǎng)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(shuō)明，對(duì)于鏤空的輸電塔結(jié)構(gòu)，其平均荷載占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，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(duì)輸電線塔具有極強(qiáng)的破壞性。目前針對(duì)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(guó)在內(nèi)的大多數(shù)國(guó)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(guò)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(chǎng)，采用新的位移測(cè)試技術(shù)對(duì)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(lèi)型的輸電塔在沖擊風(fēng)作用下的風(fēng)振響應(yīng)規(guī)律。基于輸電塔氣彈模型整體位移響應(yīng)的測(cè)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(shí)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)。

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(cè)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(duì)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(duì)比了不同規(guī)范給出的等效靜力風(fēng)荷載，所得結(jié)論對(duì)完善我國(guó)輸電塔風(fēng)荷載規(guī)范條文有參考價(jià)值。

前言

第1章 緒論

1.1 輸電塔線體系風(fēng)振響應(yīng)研究綜述

1.1.1 研究意義

1.1.2 輸電塔線體系風(fēng)振響應(yīng)研究進(jìn)展

1.2 國(guó)內(nèi)外輸電線系統(tǒng)風(fēng)荷載規(guī)范概述

1.2.1 國(guó)際電工委員會(huì)輸電線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[IEC60826(2003)]

1.2.2 歐洲(英國(guó))規(guī)范(BSEN1993—3—1：2006，BSEN1991—1—4：2005)

1.2.3 ASCE標(biāo)準(zhǔn)(No.74，2009)

1.2.4 中國(guó)規(guī)范(GB50545—2010)

1.3 存在的問(wèn)題和不足

1.4 研究?jī)?nèi)容

第2章 格構(gòu)式輸電塔片段剛性模型測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1 引言

2.2 片段剛性模型高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)概要

2.2.1 高頻動(dòng)態(tài)天平試驗(yàn)原理簡(jiǎn)介

2.2.2 風(fēng)洞簡(jiǎn)介

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3 輸電塔頭、塔身風(fēng)力特征

2.3.1 風(fēng)力系數(shù)

2.3.2 基底剪力、扭矩功率譜密度

2.3.3 基底剪力、扭矩的相干性

2.3.4 風(fēng)荷載作用機(jī)理試分析

2.3.5 靜動(dòng)力折算高度

2.4 本章小結(jié)

第3章 格構(gòu)式輸電塔外加風(fēng)荷載簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型

3.1 引言

3.2 最小二乘法基本原理

3.3 風(fēng)力系數(shù)擬合

3.3.1 多項(xiàng)式階次的選取

3.3.2 平均風(fēng)力系數(shù)擬合公式

3.3.3 脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)擬合公式

3.4 功率譜擬合

3.4.1 順風(fēng)向基底剪力功率譜密度

3.4.2 橫風(fēng)向基底剪力和基底扭矩功率譜密度

3.4.3 功率譜曲線擬合誤差 3.5 本章小結(jié)

第4章 輸電塔風(fēng)致響應(yīng)及參數(shù)分析

4.1 引言

4.2 格構(gòu)式輸電塔風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算方法

4.2.1 氣動(dòng)力的確定 4.2.2 時(shí)程分析方法

4.2.3 平穩(wěn)激勵(lì)下線性系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)的模態(tài)疊加法

4.2.4 格構(gòu)式輸電塔風(fēng)致響應(yīng)分析計(jì)算流程圖

4.3 輸電塔風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算

4.3.1 結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算參數(shù)的選取

4.3.2 有限元模型的建立荷載輸入點(diǎn)的選取

4.3.3 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

4.3.4 風(fēng)振響應(yīng)時(shí)、頻域結(jié)果比較

4.3.5 輸電塔響應(yīng)隨風(fēng)向變化

4.3.6 結(jié)構(gòu)響應(yīng)的功率譜特性

4.4 輸電塔風(fēng)振響應(yīng)的參數(shù)分析

4.4.1 結(jié)構(gòu)阻尼比

4.4.2 參振模態(tài)的數(shù)目

4.4.3 模態(tài)交叉項(xiàng) 4.5 酒杯型塔與鼓型塔響應(yīng)比較

4.6 輸電塔簡(jiǎn)化計(jì)算模型

4.6.1 簡(jiǎn)化模型的建立

4.6.2 響應(yīng)比較

4.6.3 誤差及簡(jiǎn)化方法適用范圍分析

4.6.4 氣動(dòng)阻尼

4.7 本章小結(jié)

第5章 輸電塔等效靜力風(fēng)荷載及規(guī)范比較

5.1 引言

5.2 等效靜力風(fēng)荷載簡(jiǎn)介

5.3 結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)及等效靜力風(fēng)荷載

5.3.1 風(fēng)致響應(yīng)

5.3.2 等效靜力風(fēng)荷載

5.4 輸電塔風(fēng)荷載規(guī)范及試驗(yàn)比較

5.4.1 基本風(fēng)速

5.4.2 風(fēng)力系數(shù)(focecoefficient)

5.4.3 陣風(fēng)荷載因子

5.4.4 荷載因子(荷載系數(shù) )

5.4.5 等效靜力風(fēng)荷載計(jì)算流程

5.4.6 500kV典型輸電塔等效風(fēng)荷載及風(fēng)振響應(yīng)比較

5.5 本章小結(jié)

第6章 結(jié)論與展望

6.1 研究總結(jié)

6.1.1 格構(gòu)式輸電塔風(fēng)荷載特性

6.1.2 典型輸電塔風(fēng)致響應(yīng)

6.1.3 風(fēng)荷載模型及響應(yīng)規(guī)范比較

6.2 研究展望參考文獻(xiàn) 2100433B

大型風(fēng)筒式冷卻塔是常用的水冷卻設(shè)備，體量巨大，壁厚極薄，風(fēng)荷載是設(shè)計(jì)的控制荷載。冷卻塔內(nèi)外表面均受到風(fēng)荷載作用，風(fēng)壓分布非常復(fù)雜；塔筒為旋轉(zhuǎn)殼體結(jié)構(gòu)，振動(dòng)模態(tài)密集，風(fēng)振問(wèn)題突出；現(xiàn)有的研究不多，設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)容不全，缺乏有效的風(fēng)荷載理論用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。本課題以CFD數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)和時(shí)頻域動(dòng)力計(jì)算為手段，對(duì)大型冷卻塔的表面風(fēng)壓、干擾效應(yīng)、風(fēng)致響應(yīng)和靜力等效風(fēng)荷載進(jìn)行系統(tǒng)的研究。為使較低雷諾數(shù)下進(jìn)行的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果能應(yīng)用于較高雷諾數(shù)的原型，采用提高模型表面粗糙度的方法，合理的粗糙度通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)合CFD數(shù)值模擬來(lái)獲取。對(duì)雙塔和塔群干擾進(jìn)行系統(tǒng)分析，提供量化結(jié)果。采用時(shí)頻域方法進(jìn)行冷卻塔的風(fēng)振動(dòng)力計(jì)算，得到用于設(shè)計(jì)的等效風(fēng)荷載。發(fā)展冷卻塔的風(fēng)振理論，為相關(guān)規(guī)范條文的修訂提供依據(jù)。 2100433B