雷暴沖擊風下輸電塔風荷載特性與風振響應研究項目摘要

雷暴沖擊風是短時間內(nèi)沖向地面并沿雷暴中心向外圍迅速擴散的高強氣流，其最大風速出現(xiàn)在近地面附近，對輸電線塔具有極強的破壞性。目前針對雷暴沖擊風下輸電塔風荷載和風振性能的研究較少，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)大氣邊界層剖面風荷載作為設計荷載，并未體現(xiàn)雷暴沖擊風的作用。本項目通過輸電塔氣彈模型風洞試驗，在邊界層風洞中模擬雷暴沖擊風風場，采用新的位移測試技術對輸電線塔雷暴沖擊風作用下的風振特性進行系統(tǒng)的研究，分析不同類型的輸電塔在沖擊風作用下的風振響應規(guī)律。基于輸電塔氣彈模型整體位移響應的測量結果，進行氣動阻尼參數(shù)和作用于結構上的氣動荷載識別，研究輸電塔結構氣動阻尼隨風速的變化規(guī)律和氣動荷載的分布特征與作用機理，建立輸電塔結構三維靜力等效風荷載的新的試驗分析方法，為輸電塔抗沖擊風設計提供理論依據(jù)和設計指導。

雷暴沖擊風的最大風速出現(xiàn)在近地面附近，對輸電線塔具有極強的破壞性。當前針對雷暴沖擊風下輸電塔風荷載和風振性能的研究較少，導致輸電塔的風毀事故時有發(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)大氣邊界層剖面風荷載作為設計荷載，并未體現(xiàn)雷暴沖擊風的作用。本項目采用自主開發(fā)的雷暴沖擊風模擬裝置，在常規(guī)邊界層風洞中實現(xiàn)了雷暴沖擊風的模擬?；谳旊娝鈴椖Ｐ惋L洞試驗，采用非接觸位移測試技術對輸電線塔在沖擊風場下的風振特性進行了系統(tǒng)研究?？偨Y了不同類型的輸電塔在不同尺度沖擊風作用下的風振響應規(guī)律，并對比分析了常規(guī)風場和沖擊風場下塔頭、塔高等因素對輸電塔風振響應的影響?；谳旊娝鈴椖Ｐ臀灰祈憫臏y量結果，研究輸電塔氣動荷載的分布特征，類比于荷載響應相關法，建立了輸電塔結構三維靜力等效風荷載的新的試驗分析方法。研究結果表明，沖擊風下的輸電塔風振響應與常規(guī)風場下的響應并未有明顯區(qū)別，均以一階模態(tài)振動為主。不過，由于沖擊風的低湍流度特征導致脈動響應偏小。輸電塔風振響應隨高度和風速的增大而增大，同時隨風向角變化呈現(xiàn)規(guī)律性的特征，最大風振響應基本發(fā)生在15o～30o。風場和塔高相近的條件下，干字型塔樓的平均和脈動響應均高于貓頭型輸電塔。輸電塔的等效靜風荷載成分組成說明，對于鏤空的輸電塔結構，其平均荷載占有絕對優(yōu)勢，背景響應和共振響應占次要地位。 2100433B

本文將典型高壓輸電塔分為塔頭、塔身和塔腿三部分，應用高頻天平測力風洞試驗技術，分別研究了塔頭、塔身結構風荷載特性及作用機理。根據(jù)試驗結果建立了結構風荷載的解析模型，計算了輸電塔的風致響應，分析了結構阻尼比、模態(tài)數(shù)目等參數(shù)對響應的影響。采用廣義陣風因子法給出了輸電塔等效靜力風荷載計算方法，對比了不同規(guī)范給出的等效靜力風荷載，所得結論對完善我國輸電塔風荷載規(guī)范條文有參考價值。

前言

第1章 緒論

1.1 輸電塔線體系風振響應研究綜述

1.1.1 研究意義

1.1.2 輸電塔線體系風振響應研究進展

1.2 國內(nèi)外輸電線系統(tǒng)風荷載規(guī)范概述

1.2.1 國際電工委員會輸電線設計標準[IEC60826(2003)]

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

1.2.3 ASCE標準(No.74，2009)

1.2.4 中國規(guī)范(GB50545—2010)

1.3 存在的問題和不足

1.4 研究內(nèi)容

第2章 格構式輸電塔片段剛性模型測力風洞試驗

2.1 引言

2.2 片段剛性模型高頻動態(tài)天平測力風洞試驗概要

2.2.1 高頻動態(tài)天平試驗原理簡介

2.2.2 風洞簡介

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3 輸電塔頭、塔身風力特征

2.3.1 風力系數(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 風荷載作用機理試分析

2.3.5 靜動力折算高度

2.4 本章小結

第3章 格構式輸電塔外加風荷載簡化數(shù)學模型

3.1 引言

3.2 最小二乘法基本原理

3.3 風力系數(shù)擬合

3.3.1 多項式階次的選取

3.3.2 平均風力系數(shù)擬合公式

3.3.3 脈動風力系數(shù)擬合公式

3.4 功率譜擬合

3.4.1 順風向基底剪力功率譜密度

3.4.2 橫風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

第4章 輸電塔風致響應及參數(shù)分析

4.1 引言

4.2 格構式輸電塔風致響應計算方法

4.2.1 氣動力的確定 4.2.2 時程分析方法

4.2.3 平穩(wěn)激勵下線性系統(tǒng)隨機振動的模態(tài)疊加法

4.2.4 格構式輸電塔風致響應分析計算流程圖

4.3 輸電塔風振響應計算

4.3.1 結構風振響應計算參數(shù)的選取

4.3.2 有限元模型的建立荷載輸入點的選取

4.3.3 結構模態(tài)分析

4.3.4 風振響應時、頻域結果比較

4.3.5 輸電塔響應隨風向變化

4.3.6 結構響應的功率譜特性

4.4 輸電塔風振響應的參數(shù)分析

4.4.1 結構阻尼比

4.4.2 參振模態(tài)的數(shù)目

4.4.3 模態(tài)交叉項 4.5 酒杯型塔與鼓型塔響應比較

4.6 輸電塔簡化計算模型

4.6.1 簡化模型的建立

4.6.2 響應比較

4.6.3 誤差及簡化方法適用范圍分析

4.6.4 氣動阻尼

4.7 本章小結

第5章 輸電塔等效靜力風荷載及規(guī)范比較

5.1 引言

5.2 等效靜力風荷載簡介

5.3 結構風致響應及等效靜力風荷載

5.3.1 風致響應

5.3.2 等效靜力風荷載

5.4 輸電塔風荷載規(guī)范及試驗比較

5.4.1 基本風速

5.4.2 風力系數(shù)(focecoefficient)

5.4.3 陣風荷載因子

5.4.4 荷載因子(荷載系數(shù) )

5.4.5 等效靜力風荷載計算流程

5.4.6 500kV典型輸電塔等效風荷載及風振響應比較

5.5 本章小結

第6章 結論與展望

6.1 研究總結

6.1.1 格構式輸電塔風荷載特性

6.1.2 典型輸電塔風致響應

6.1.3 風荷載模型及響應規(guī)范比較

6.2 研究展望參考文獻 2100433B

大型風筒式冷卻塔是常用的水冷卻設備，體量巨大，壁厚極薄，風荷載是設計的控制荷載。冷卻塔內(nèi)外表面均受到風荷載作用，風壓分布非常復雜；塔筒為旋轉(zhuǎn)殼體結構，振動模態(tài)密集，風振問題突出；現(xiàn)有的研究不多，設計規(guī)范內(nèi)容不全，缺乏有效的風荷載理論用于指導設計。本課題以CFD數(shù)值模擬、風洞試驗和時頻域動力計算為手段，對大型冷卻塔的表面風壓、干擾效應、風致響應和靜力等效風荷載進行系統(tǒng)的研究。為使較低雷諾數(shù)下進行的風洞試驗結果能應用于較高雷諾數(shù)的原型，采用提高模型表面粗糙度的方法，合理的粗糙度通過風洞試驗結合CFD數(shù)值模擬來獲取。對雙塔和塔群干擾進行系統(tǒng)分析，提供量化結果。采用時頻域方法進行冷卻塔的風振動力計算，得到用于設計的等效風荷載。發(fā)展冷卻塔的風振理論，為相關規(guī)范條文的修訂提供依據(jù)。 2100433B