特高压长悬臂输电塔结构风振扭转响应

在分析±1 100 kV特高压长悬臂输电塔的风振扭转响应机制的基础上,通过有限元动力时程计算考察扭转效应对结构内力的影响。首先,计算特高压长悬臂输电塔结构横担部位的风振系数;其次,根据横担的位移时程结果明确输电塔结构的风振扭转效应;最后,定义等效扭转风振系数,计算脉动风作用下的附加扭转荷载,分析风向角和长悬臂输电塔横担总长度对结构扭转效应的影响。研究结果表明:在风荷载动力时程的作用下,长悬臂输电塔结构会产生约0.01 rad整体扭转,考虑附加扭转工况可以提高输电塔主材和斜材的设计可靠度,提高程度从高到低依次为塔身斜材、横担斜材、横担主材和塔身主材;应力包络程度从74.4%提升到93.6%,且对所有主材和斜材,考虑扭转荷载的静力计算结果对动力时程计算结果的包络程度均在90%以上;不同风向角时,输电塔结构的扭转效应和横担风荷载Y方向的分配系数呈正线性关系,其中0°风对应的等效扭转风振系数最大,达到0.75,而90°风对应的等效扭转风振系数为0。随着输电塔结构的横担总长度减小,结构的扭转效应也减小,0°风对应等效扭转风振系数先减小后稳定在0.55附近,且拐点与结构的扭转振型的阶次有关。当扭转阵型为低阶阵型时,长悬臂输电塔结构的风振扭转效应明显。     

输电塔线体系动力特性及风振响应分析

基于110 kV高压输电塔项目,建立了输电塔线体系有限元模型,并验证了输电线有限元模型的准确性.对单塔及塔线体系的动力特性进行分析,分析表明,塔线体系平面外振动耦合效应大于平面内.以谐波叠加法对输电塔线体系风载荷时程进行了数值模拟,对单塔和塔线体系的风振响应进行了时域分析.结果表明,输电塔和输电线风振响应均以一阶振型为主.塔线体系塔顶位移响应均方根值在0°风向角下是单塔的1. 73倍,而90°风向角情况下是单塔的4. 95倍.90°风向角情况下塔线体系塔顶位移背景响应分量增加较大,塔线耦合效应大于0°风向角情况.输电塔和输电线的平面内耦合效应通过输电线端部动张力差实现.输电塔塔身第2层主材所受应力大于其他各层,是倒塌破坏的危险位置.     

台风作用下输电线路风振系数及抗风性能研究

为研究良态风与台风作用下的输电线路风振系数,以广东省国古线一铁塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法模拟了台风风场,并开展了动力分析.首先,对比了5种国内外设计规范的风振系数计算方法,发现各规范均未单独考虑台风的强脉动特性;然后,基于惯性力法获取了铁塔风振系数并揭示了塔线耦联效应的影响.最后,利用生死单元法定量评估了两种风场下输电线路的抗风性能.结果表明:台风的高湍流特性导致顺风向风振系数大于良态风对应值;导线可增大铁塔横风向基频,并使铁塔振型由单塔的弯曲型变为塔线体系的弯剪型,塔线体系横担处风振系数大于单塔;湍流度从0.14提高至0.20,临界倒塌风荷载降低约11%.因此,台风多发地区的输电塔设计应适当提高湍流度取值,必要时还应考虑塔线耦联效应.     

特高压输电塔气弹模型风洞试验研究

为进一步了解特高压输电塔风振响应的特点,以正在建设的淮南-上海1000kV特高压线路中的一基双回路直线塔为原型,采用离散刚度法制作了输电塔气弹模型,进行了输电塔在紊流场中不同风速、不同风攻角下的气弹模型风洞试验.试验结果表明:输电塔模型的响应随风速的增大而增大;位移响应受风攻角的影响比较明显,在15°风时位移响应最大;各试验工况下,输电塔模型横风向的振动比较显著,X向和Y向的加速度响应处于同一量级且数值比较接近;Y向的加速度响应在0°风时最大,X向的加速度响应在90°风时最大,但任何工况下,输电塔X向的加速度响应均大于Y向的加速度响应.     

±1100 kV特高压输电塔风振响应频域分析

为研究扭转振型对长横担输电塔振动响应的影响,在考虑风速水平空间相关性的基础上,采用有限元频域方法分析准东—华东±1 100 kV输电工程角钢塔风振响应。首先,对比频域和时域方法得到的节点位移功率谱曲线及节点位移均方根,验证有限元频域方法的准确性;其次,分析弯曲振型、扭转振型及高阶弯曲振型对输电塔节点位移、节点加速度、杆件轴力和基底反力均方根的贡献;最后,在考虑扭转振型贡献的基础上,计算扭转向等效静力风荷载,并对比扭转静力风荷载、规范方法及频域方法得到的杆件轴力。研究结果表明:扭转振型对塔身下部及横担端部节点位移、横担端部节点加速度、塔身斜材轴力及基底反力均方根影响较为明显;高阶弯曲振型对塔身下部节点加速度均方根影响较为明显;与频域方法相比,规范方法得到的主材轴力偏大2.2%左右,斜材轴力偏小16.1%～92.5%,说明规范方法对主材的保证率较高而对斜材的保证率较低;考虑扭转静力风荷载后,主材轴力偏大6%左右,斜材轴力偏大0.1%～15.8%,说明扭转静力风荷载能够在不明显提高主材轴力的基础上有效提高斜材的保证率。在类似长横担输电塔设计中应考虑扭转静力风荷载的影响。     

考虑桩-土-结构相互作用的输电塔-线体系风振响应及减振控制

为研究风荷载作用下考虑土与结构相互作用(soil-structure interaction, SSI)对输电塔-线体系的动力响应与减振控制的影响。根据实际工程,建立输电塔-线体系模型和桩-土-输电塔-线体系模型,然后分别对软土条件下考虑SSI效应的输电塔-线体系和刚性地基的输电塔-线体系进行风振响应分析。将多个粘滞阻尼器安装在考虑SSI效应的输电塔上,对输电塔风致振动进行控制。研究结果表明：考虑SSI效应后,输电塔的位移响应明显增大,其中塔身代表节点的位移最大值、均方根值分别增大64.73%、79.09%,塔身和塔腿的轴力响应减小。阻尼系数相同时,速度指数为0.3的阻尼器对输电塔风振控制效果最好。速度指数相同时,阻尼系数越大塔顶位移响应和塔身单元的轴力响应越小。速度指数为0.3,阻尼系数低于30 000 kN·(s/m)^0.3时,不同阻尼系数的阻尼器对塔顶节点的位移控制效果差距明显,阻尼系数小于15 000 kN·(s/m)^0.3时,不同阻尼系数的阻尼器对塔身单元的轴力控制效果差距明显。     

X型超高层建筑的三维风荷载及风振响应

以某X型超高层建筑为工程背景,研究了该超高层建筑顺风向、横风向以及扭转风荷载系数沿高度方向的分布规律.以质量和刚度相同、动力特性相近为原则使用简化的自由度缩聚模型代替结构精确有限元模型,计算结果显示结构位移与加速度响应均以一阶模态响应为主,该模型代替精确有限元模型能够满足工程计算需要.对质量中心和刚度中心重合的结构,扭转加速度响应在合加速度响应中占有的比例较小,结构在3个方向上振动的耦合程度不高.提出的合成位移投影方法计算出的沿坐标轴方向的风振系数能够保证X和Y方向最大位移与合成位移最大值的同步性,并考虑了横风向风振的影响略大于顺风向风振系数.     

台风载荷作用下输电塔线体系时程分析及补强措施

为研究±800 kV输电线路所使用的横担较长的铁塔在受到台风载荷作用时的时程响应分析,通过建立三塔两线有限元模型,基于风速不随高度变化的Von Karman谱,利用谐波叠加法生成了基准风速为50 m/s的风速时程,应用模拟的台风载荷进行时长为50 s的时程分析,共分析了风载荷45°、60°、90°作用下塔线体系的三种情况。仿真结果显示,在45°和60°风作用下,铁塔中部、塔头和塔身连接的平口处应力超过屈服强度,导、地线挂线板处所受应力也超限,铁塔在90°风作用时,塔身腰部主材和塔腿主材应力也超过屈服强度。要预防台风对铁塔的破坏,应该从上述三个部位对铁塔进行补强,在塔腿及塔腰之间增加水平材是一种有效的加固措施。     

桥塔尾流区长吊索风振特性及其影响因素分析

针对悬索桥近塔处吊索突出的风振问题,开展桥塔尾流区长吊索风振特性及其影响因素研究.基于嵌套网格技术,建立桥塔尾流区长吊索计算流体动力学分析模型,开展了长吊索风振特性分析,并研究了吊索与桥塔距离、吊索阻尼比、折算风速等因素对桥塔尾流区吊索风振响应的影响.研究结果表明,桥塔截面尺寸较大,旋涡脱落频率低,易使长吊索发生大幅振动,且横风向振动尤为显著;塔后吊索横风向振幅随距桥塔的距离呈现先增加后减小的规律;增加阻尼比可有效抑制桥塔尾流区吊索振动响应,对横风向振动的抑振效果比顺风向振动更为明显;主塔尾流引起的长吊索风振响应随折算风速的增加呈现先增大后减小的规律,且当折算风速在4.5～5.5之间时振动最为显著.     

钢管-角钢组合输电塔杆件体型系数及 背风面风荷载折减系数的风洞试验研究

对钢管-角钢组合输电塔一类的风敏感结构,其各杆件的体型系数及折减系数是该结构抗风设计中重要的风荷载参数.以500 kV和110 kV输电塔为工程背景,首先设计缩尺比分别为1:8.5的塔身和1:2.5横担刚性节段模型,然后在3个不同均匀来流风速及不同风向角下进行同步测压风洞试验,得到角钢及钢管杆件的体型系数与背风面风荷载折减系数的变化规律.并以此归纳了塔身和横担各杆件的体型系数分布及不同风向角下节段模型整体体型系数,最后将试验确定的结果与国内外相关规范值进行比较.结果表明:来流风速对塔身和横担中的角钢体型系数几乎无影响.在0°风向角下,塔身角钢体型系数沿塔身节段呈上小下大的变化趋势.塔身杆件中的角钢折减系数与日本规范较吻合.在不同雷诺数下的塔身(3.10×104～4.34×104)或横担(5.57×104～8.00×104)节段模型折减系数的差值很小.塔身和横担节段模型阻力系数与日本规范较吻合,中国规范取值分别偏小7.2％和4.5％.     

输电塔线耦合体系的风振疲劳时域分析

风荷载作用下的输电塔线结构属于非线性耦合振动体系,自然风的脉动分量使体系中的构件处于交替受力状态,从而可能导致构件的疲劳破坏.文中以某直流线路的一段塔线体系为例,提出了输电塔线体系的风振疲劳时域分析方法;采用AR模型产生了随机风场,对输电塔线耦合体系进行了非线性风振时程分析;建立了考虑风向和风速分布等因素影响的疲劳累积损伤计算公式;确定了输电塔结构中疲劳损伤的关键部位,针对关键部位进行了应力分析,并采用线性累积损伤理论对构件的风振疲劳寿命进行了评估.结果表明,文中提出的时域分析方法可有效估算输电塔结构在风振作用下的剩余寿命.     

基于随机振动理论酒杯型输电塔风振系数研究

针对输电塔架中应用范围最为广泛的酒杯型塔架,不同规范给出不同的风振系数计算方法.本文基于随机振动理论采用Davenport谱模拟脉动风,在ANSYS环境中对塔架有限元模型进行风振时程分析,从而得到模拟风振系数结果;并将模拟结果与规范运算结果进行对比分析,得到不同高度的输电塔架的风振系数变化规律.结果表明,在塔身部分三种规范及模拟结果都十分接近;对其曲臂及横担处,规范公式凸显不足,应该考虑刚度突变引起的此处风振系数变化.     

高压输电塔风振控制的能量特性

研究了输电塔线体系风振控制的能量评估问题.采用多自由度模型建立了输电塔线体系动力分析模型和磁流变(MR)阻尼器的力学模型,研究了安装有MR阻尼器的塔线耦联体系的动力分析模型和受控运动方程,并采用局域反馈的固定增量半主动控制策略来实现输电塔结构风振反应的半主动控制.提出了设置有MR阻尼器的输电塔结构风振反应的能量评价标准并将其应用于某大跨越输电塔线体系的风振控制.分析表明:MR阻尼器可以有效地抑制输电塔结构的风振反应,通过能量评定方法可以准确地考察不同控制方法的控制效果.     

输电塔线体系风洞试验模型的变比例问题分析

塔线体系的气弹模型风洞试验时,由于模型制作和现有风洞尺寸条件的限制,输电塔线体系中塔与线保持相同比例的气弹模型制作难度很大,往往需要将导线跨度的比例缩小.从数值分析的角度出发,以某1000 kV双回路线路的一段塔线体系为例,铁塔保持不变,导线的缩聚比例分别为1.00、0.50、0.25的情况进行顺风向的风振响应时程分析.结果显示,导线比例缩聚后,塔线体系的风振响应基本保持一致,缩聚模型的风洞试验结果可以比较准确的反映原型的风振响应.     

弦支穹顶结构的风振响应分析

在考虑了风向角和水平脉动风速谱对结构响应计算结果影响的前提下,采用完全二次型组合法(CQC法)对实际大跨弦支穹顶屋盖结构进行了风振响应的频域分析,得到了不同风向角下该弦支穹顶屋盖结构的风振系数,分析了参振模态数目对结构响应计算结果的影响,并将其他4种脉动风速谱与常用的Daveport谱的风振响应计算结果进行了对比.分析结果表明:结构不同区域的最敏感风向角不同,结构中心部位对45°风向角最为敏感,除中心和悬挑部位以外的其他部位对0°风向角最为敏感;所有区域对90°风向角最不敏感;结构的内力风振系数总体上较位移风振系数分布均匀;参振模态数对该实际结构响应计算结果的影响较为明显,因此建议选取的参振模态数不小于100.另外,Harris谱不适合用于该结构风振响应的频域分析.     

窄基角钢输电塔风载体型系数数值模拟

为研究基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟技术的窄基角钢输电塔整体建模及风载体型系数的合理取值问题,文章利用UG和GAMBIT软件建立了输电塔模型,利用Fluent软件进行了不同风向角下输电塔风载体型系数的计算,讨论了风速、风向对风载体型系数的影响,并与规范值进行了比较。研究发现,参考风速对风载体型系数影响很小;纵向及横向风载体型系数随风向角的变化均先增大后减小,分别在22.5°、67.5°达到最大值;模拟得到的输电塔各段风载体型系数比规范计算结果大20%以上,特别是塔腿和横担部分与规范相差更大。     

一种高压输电塔在风场中的失稳与加固

首先分析风载荷的数值建模方法,将横担、塔身的风载荷转换成风压,作为输电塔的稳定性分析的载荷;其次,建立一种典型塔型的有限元模型,参考沿海地区的输电线路设计风速,在基本风速为30 m/s的边界条件下,对无加固、塔身第1段和第2段主材局部加固、塔身下部3段主材局部加固3种方案进行稳定性分析.研究结果表明:对下部塔身进行主材局部加固,输电塔的一阶和二阶屈曲系数分别提高4.24和4.79倍,将塔的失稳部位从主材变成辅材,可极大地减小输电塔因主材遭到破坏而发生失稳倒塔的可能性;局部加固是一种有效的提高输电塔抗风灾能力的措施.     

变电站引下线体系时域非线性风振分析

变电站引下线结构体系一般为分裂导线，且具有跨度小、高差大、线长短、上下连接的特点，强风引起的事故时有发生。为研究风荷载作用下引下线的非线性风振响应特性，利用AR模型法对脉动风荷载进行模拟，对引下线柔性体系进行模态分析和风振响应时程分析，研究了气动阻尼、风向角、跨高比、间隔棒数量等参数对风振响应的影响。结果表明，引下线体系响应有着明显的非高斯性。与常规水平大跨越输电线相比，其固有频率较高，气动阻尼影响较小。平面内风荷载会导致较大的反力响应，平面外风荷载会导致较大的位移响应；跨高比的增加会导致结构的反力响应增大，而位移响应减小。结构跨中位移响应均随着间隔棒数量增加而减少；而结构的端部反力在间隔棒数量为5时最小。引下线内力响应风振系数和位移响应风振系数并不一致，随跨度增大，风振系数呈减小趋势。     

基于阻尼耗能原理的高压输电塔风振抑制方法

由于输电线路的风致振动可降低输电杆/塔、导线和金具连接件的疲劳强度,严重时可导致倒杆/塔、断线等事故,对基于阻尼耗能原理的风振抑制措施进行研究.首先,采用有限元分析软件ANSYS,分析输电塔-线体系的风致振动响应;然后,提出基于阻尼器耗能原理的输电塔振动抑制策略,根据杆塔的结构特点,设计并比较分析多种阻尼器布置方案对风振的抑制效果.最后,在广东省某线路上实施该方案,在2012-08“启德”台风登陆期间,在9～10级台风(风速21～24 m/s)时,监测到输电塔的振动加速度.研究结果表明:将阻尼器布置在塔身中上部主材上可以更有效地消耗风振能量,控制风振幅值;采用该方案测得“启德”台风登陆期间输电塔的振动加速度下降60％～70％,为输电线路防强风灾害防治、提高线路容灾能力提供了一种有效方法.     

大跨越输电塔线体系气弹模型风洞试验

以建设中世界最高输电铁塔——— 346 .5m高、5 0 0kV江阴大跨越塔为工程背景 ,通过气弹模型风洞试验 ,对大跨越输电塔线体系动力特性和风振响应进行了研究 .采用外形、质量、刚度分离的处理方法设计了大跨越塔模型 ,塔线体系为两塔三段线模型 .用自由振动法测得单塔和塔线体系的自振频率和阻尼比 ,进行了多个风速下单塔、塔线体系在均匀流场和紊流场中的风洞试验 .通过对试验结果的分析 ,揭示了大跨越输电塔线体系动力特性和风振响应特点 ,为实际工程抗风设计提供了依据