输电塔气弹模型制作及风雨荷载的相似比研究

以沈阳某500kv高压输电塔为原型,在满足风洞试验相似理论的基础上,介绍了高压输电塔气弹模型的制作方法。为气弹模型的制作提供了可行的方法。提出了雨荷载的压强计算公式。通过压强缩尺比等于几何缩尺比的关系,首次得到了风洞试验中风雨荷载的缩尺比计算公式。在实际风洞试验时,假设风洞中模拟的雨荷载直径与自然界中实际雨荷载直径相等。得出了风洞中模拟的雨荷载与自然界中实际雨荷载的雨滴密度数是相等的。这个方法简单易行,为风洞试验中风雨荷载的模拟提供了理论依据。     

典型输电塔气弹模型设计及动力特性研究

输电塔结构受到风荷载激励,极易引起其气动弹性失稳,造成大幅振动,严重威胁着输电线路安全稳定运行。为研究高压输电塔结构风振动力特性,以某典型输电塔为原型,按照结构动力学相似准则,采用一种新型设计方法制作输电塔气弹模型,并利用有限元分析软件以及相关测试系统对其进行动力学分析,验证气弹模型的准确性。最后,进行不同风速和风向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增大而增大;输电塔横风向响应显著;通过对试验结果的对比分析,揭示了典型输电塔结构动力特性和风振响应特点,为高压输电线路抗风设计及改造提供依据。     

基于位移测量的输电塔等效静风荷载研究

以输电塔气弹模型为试验对象,基于非接触式精密位移测量系统,在风洞中测量了不同风向、风速下输电塔的位移响应。采用荷载响应相关法,建立了基于输电塔气弹模型位移响应的等效静风荷载试验分析方法。结果表明:输电塔在两轴向的风振响应均以一阶模态为主,且顺风向的脉动响应要大于横风向;计算得到的输电塔顺风向等效荷载要远大于横风向,且顺风向等效荷载中平均量占优,背景次之,共振不显著;对比分析显示,该文所建立的输电塔等效静风荷载试验分析方法合理、有效。     

风驱雨荷载作用下鞍形膜结构动力响应及可靠度研究

通过有限元数值模拟和风洞试验对鞍形膜结构在风驱雨荷载作用下的动力响应及其结构可靠度进行研究。采用Workbench软件中的Mechanical APDL模块与Fluent模块建立鞍形膜结构在风驱雨荷载作用下的模型,将该模型导入ANSYS AUTODYN软件中求解得到动力响应曲线。基于气弹相似理论制作了试验模型,并对试验模型进行风驱雨动力加载试验,从而得到其膜面不同特征点在不同工况下的动力响应数据。通过蒙特卡洛法对数值模拟和试验的动力响应数据进行求解,得到鞍形膜结构的可靠指标。此外,讨论了风雨荷载组合、预张力和矢跨比对鞍形膜结构动力响应与可靠度的影响。将试验与数值模拟进行对比分析,数值模拟结果与试验结果较为吻合。研究发现：风驱雨荷载会使膜结构产生显著的非线性振动,通过增大鞍形膜结构的预张力和矢跨比可有效减小振动响应;在不同参数之间,矢跨比对膜结构可靠度的影响更为显著。论文的研究方法和结果可以为膜结构非线性动力响应研究和基于可靠度理论的膜结构设计提供参考。     

基于欧拉多相流模型的桥梁主梁三维风驱雨数值研究

该文利用欧拉多相流模型,对矩形断面和准流线型断面的桥梁主梁进行了三维风驱雨数值模拟计算。通过计算,得到了桥梁主梁周围风雨流场的分布和主梁上雨滴平均冲击荷载分布,并重点探讨了降雨对桥梁主梁断面三分力系数的影响以及来流攻角和湍流强度的变化对风驱雨效应的影响。通过和相关风洞试验数据的比较,验证了欧拉多相流方法在桥梁工程风驱雨研究中的有效性和便利性,为桥梁工程风驱雨研究提供了一个新的手段。通过分析发现,降雨会影响桥梁主梁的三分力系数,但雨滴对主梁的平均冲击荷载相对于风荷载而言较小,影响并不显著;攻角和湍流强度的变化对风驱雨效应的影响亦不明显。     

大跨越钢管混凝土输电塔顺风向分区风荷载谱识别方法

为了从风洞试验测量的位移响应中较好地识别出钢管混凝土输电塔的风荷载,本文对荷载识别过程进行了模拟。首先选择了3种类型的风荷载谱并将它们分区施加于输电塔的多质点模型上,利用随机振动理论计算出结构的位移功率谱;然后,推导出了从几个测点的位移功率谱识别分区风荷载谱的方法,并定义了评价识别效果的误差指标;最后,分析了测量精度、测点数量及位置、模态数及风荷载系数等对荷载识别精度的影响,得到一些对实际风洞试验具有重要指导价值的结论。     

基于HFFB试验的特高压输电塔风振响应分析

以建设中的向家坝-上海、锦屏-苏南±800kV特高压直流输电线路工程为背景,针对输电塔风致响应复杂的特点,进行了气弹模型风洞试验及高频天平测力试验。利用高频动态测力天平基本原理,在脉动风荷载准定常假设的基础上,估计出输电塔脉动风荷载的空间分布。然后对输电塔进行风振响应分析,并与气弹模型风洞试验的结果进行了对比。计算结果表明:该方法能较好反应风荷载空间分布特性,是对高频天平测力实验局限性的一种可靠方便的扩展,并能很好的反应输电塔结构的横风向风振响应。     

格构塔架顺风位移响应实用计算模型与求解内力位移加载法

基于风洞试验得到的格构式塔架顺风向一阶广义荷载谱,利用导出的实用高阶广义荷载谱,进一步导出了位移反应的实用计算公式,提出了"位移加载"求解格构塔架内力的方法,并以-输电塔为例描述了该方法的实现过程.与已有方法相比,计算公式可考虑高阶模态的贡献且推导过程更加合理,建议的内力求解方法可避免传统方法中需要建立等效静力风荷载的这一步骤.针对格构式高耸结构,文中位移计算公式实用,内力求解方法合理、操作简单,可进一步推广应用.     

风雨耦合环境结构荷载与响应的分析及试验研究

采用理论分析及试验研究方法对风雨共同作用下的结构荷载与响应进行了研究。首先在确定风雨联合作用概率模型的基础上通过对降雨作用特性的分析,比较了雨滴冲击作用模型和空气密度等效变化模型对建筑结构等效静力的作用性能;其次,基于高精度风雨耦合荷载环境模拟试验设备,进行了风雨定常气动力荷载模型高频天平测力试验,研究了简单几何形体的风雨定常荷载变化规律;然后,采用二维悬挂系统测振试验方法,研究了风雨非定常气动力荷载模型及其结构振动响应特点;最后,对缆索承重桥梁拉索风雨激振现象进行耦合荷载环境参数精细化控制试验,揭示了拉索空间姿态、拉索动力特性、来流风速和不同雨强组合等条件对拉索风雨振的影响规律。     

长横担输电塔扭转向等效静力风荷载

为研究长横担输电塔扭转向等效静力风荷载的计算方法。以弹簧-多质点模型为基础提出了多自由度扭转向振动方程,并从频域角度对方程进行求解;在考虑一阶扭转振型贡献的基础上,采用惯性风荷载法提出了扭转向等效静力风荷载的计算公式;基于塔架结构顺风向体型系数及准定常理论,对塔架节段的扭转向风荷载谱进行推导;针对直流输电塔特有的几何构型及动力特性,提出简化模型并对振动方程及风荷载谱的计算公式进行简化;以准东-华东±1100 kV输电工程角钢塔为例,将采用上述方法的得到的输电塔主材、斜材及横隔材轴力与动力时程分析及我国规范方法的计算结果进行对比。结果表明,与规范方法相比,上述方法能提高主材、斜材和横隔材的设计可靠度,特别对塔身斜材及横隔材的可靠度提高较大,分别达98.5%及89.8%以上。     

风雨耦合环境结构荷载与响应的理论及试验研究

采用理论分析及试验研究方法对风雨共同作用下的结构荷载与响应进行了较为系统的研究。首先在确定风雨联合作用概率模型的基础上通过对降雨作用特性的分析，比较了雨滴冲击作用模型和空气密度等效变化模型的对于建筑结构等效静力作用性能；其次，基于高精度风雨耦合荷载环境模拟试验设备，进行了风雨定常气动力荷载模型高频天平测力试验研究，研究了简单几何形体的风雨定常荷载变化规律；然后，采用二维悬挂系统测振试验方法，研究了风雨非定常气动力荷载模型及其结构振动响应特点；最后，对缆索承重桥梁拉索风雨激振现象进行耦合荷载环境参数精细化控制试验研究，揭示了拉索空间姿态、拉索动力特性、来流风速和不同雨强组合等条件对拉索风雨振的影响规律。     

大展弦比柔性机翼气动弹性风洞模型设计与试验验证

大展弦比柔性机翼飞机的气动弹性是当前理论研究的热点,而风洞试验研究则是揭示大变形气动弹性运动机理和验证理论方法的必要手段。该文建立了能够考虑几何非线性特点的大展弦比柔性机翼风洞试验模型结构设计方案。该方案设计结合几何非线性气动弹性理论分析与模型地面试验,在确保分析模型与理论模型一致的基础上,进行了实物模型的气动弹性风洞试验。风洞试验结果表明大展弦比柔性机翼的结构大变形效应对其气动弹性特性产生了一定影响,大变形导致结构水平弯曲模态发生失稳进而降低了模型的颤振速度,与几何非线性气动弹性分析结果一致。试验颤振速度、颤振模态均与理论分析结果吻合,验证了该文几何非线性气动弹性分析方法的准确性。     

斜风作用下大跨度斜拉桥双悬臂状态抖振性能

通过气弹模型风洞试验对斜风作用下湛江海湾大桥施工阶段最长双悬臂状态的抖振性能进行了研究,结果显示:对于大跨度斜拉桥梁抖振响应法向风不一定是最不利的情况;抖振响应随风偏角呈非单调变化,最大值可能在0°~15°风偏角范围内发生;抖振响应随风速的增加近似地按两次曲线增加,并且基本固有模态对抖振响应的贡献占到了主要成份;最长双悬臂状态塔顶纵向抖振响应显著地大于裸塔塔顶纵向抖振响应,而两者随风偏角的变化形态也互不相同。试验和分析结果的比较表明,只要解决好诸如气动导纳等气动参数的取值问题,可以对大跨度桥梁抖振响应作出合理的理论预测。     

风机塔架PS-TMD被动控制装置机理分析及参数调谐优化研究

随着风电机组向大兆瓦方向发展,风机塔架的高、柔特性愈发突出,在风、浪及地震等运营荷载下塔架结构的振动问题日益显著。针对风机载荷复杂、共振频带较宽的问题,结合风机塔筒结构的特殊构造和振动特点,提出一种新型被动预应力调谐质量阻尼装置(PS-TMD)。基于结构动力学原理,给出了风机及PS-TMD装置体系的简化力学计算模型,推导了体系动力系数及分支点共振频率比,分析了PS-TMD的减振机理,推导了体系的最优频率比、阻尼比、质量比,从理论上阐明了体系参数的最佳调谐。通过某风机塔筒理论分析表明:与相同条件下的传统TMD相比,PS-TMD的最优频率比可达0.9974,最优阻尼比为0.35%,且PS-TMD有阻尼体系不存在共振发散现象,在接近结构自振频率附近减振效果可达60%以上。有限元模拟结果表明,在三组不同风荷载作用下,塔顶位移减振控制均可达到35%以上,能有效抑制塔架结构的共振。     

大跨度屋盖结构等效静力风荷载背景分量的确定方法探讨

重点对结构等效静力风荷载背景分量的确定方法进行了系统分析。并结合风洞试验,分别采用阵风荷载因子法、风压轮廓面法和荷载响应相关系数法,分析一鞍形索网屋盖结构不同风向角、不同极值响应对应的等效静力风荷载背景分量,并与风洞试验方法确定的极值响应对应的瞬态脉动风压进行对比,结果表明荷载响应相关系数法在确定该类结构等效静力风荷载背景分量有很好的适用性,而其它几种方法计算偏差较大,这为大跨度屋盖结构等效静力风荷载的研究奠定了一定的基础。     

中式高耸古木塔风压分布与体型系数风洞试验研究

中式高耸古木塔是世界建筑文化遗产的重要组成部分之一,是中国的建筑瑰宝。风灾是最为常见的自然灾害之一,因此,古木塔在风荷载作用下风压与风荷载分布是需要特别关注的。该文开展了高耸古木塔风洞试验,研究了门窗封闭状态下,墙面与各层屋檐区域的风压分布规律,并计算了木塔各区域体型系数。在试验基础上,计算了风荷载层间力与倾覆弯矩,并与实测结果进行了对比。结果表明:木塔迎风面中上部风压系数最大,而背风面风压系数为负,与现代建筑表面风压分布相似,但木塔表面形状特殊,屋顶及斜侧面等位置的风压分布具有独特性。对比分析结果表明:根据风洞试验结果计算的风荷载与现场实测结果趋势一致,基底剪力与弯矩误差小于14%。该文通过风洞试验获得了复杂中式高耸古木塔的风压分布规律,可为高耸古木建筑的保护提供技术基础,也为类似仿古建筑抗风设计提供参考。     

索膜结构风振气弹效应的风洞实验研究

提出一种可以考虑索膜结构与风荷载动力耦合作用的简化气弹力学模型方法。以该方法为理论基础,进行了多个鞍形索网和鞍形膜结构的缩尺模型风洞气弹实验。研究内容包括:1)通过对形状相同的刚性模型和弹性模型表面的脉动风压与结构响应观测,探讨了附加气动力对结构响应的影响;2)利用随机减量技术对实验数据进行处理,实现了对气动阻尼、附加质量等参数的识别;3)通过对大量试验数据分析,得到了附加质量和气动阻尼随来流风速、风向、结构刚度和结构振动模态的变化规律。实验结果表明:气动阻尼对结构振动的影响较为显著,特别是对结构的低阶模态,气动阻尼比可达到15%左右;附加质量对结构振动的影响较小,其量级仅为结构质量的1倍―2倍左右。该试验过程中未发现结构出现整体气弹失稳现象,但在某些工况下,在结构局部测点出现气动负阻尼。     

建筑物风荷载测量技术与动态响应的研究

风荷载是建筑物的主要侧向控制荷载,测量风荷载及预测建筑物风响应是工程需要。利用高频天平能够测量建筑物静态和动态风荷载并预测建筑物的动态响应,这是一种有待广泛推广的新技术。作为技术研究,在1.4m×1.4m风洞中利用一台五分量高频天平获得了两个模型在不同流动状态大气边界层中的广义力谱,计算了相应高层建筑的动态响应,并与国际ESDU风工程计算作了比较,对试验结果的可靠性进行了分析。