一種輸電塔三維抗風設計方法

2023-12-08 19:32:41 4

專利名稱：一種輸電塔三維抗風設計方法
技術領域：
本發明涉及架空輸電線路杆塔的抗風設計方法，更具體的說，是涉及超長橫擔輸電塔的一種三維抗風設計方法。
背景技術：
為解決可用土地少和電力傳輸容量需求大的矛盾，超高壓同塔多回輸電線路近年來得到廣泛應用。風荷載作為同塔多回輸電塔的主要控制荷載，合理確定抗風設計方法對保證輸電鐵塔設計的安全、經濟和可靠，具有非常重要的意義。《架空送電線路杆塔結構設計技術規定》(DL/T5154以下簡稱《技術規定》)要求， 當杆塔全高超過60m時，杆塔風振係數應按《建築結構荷載規範》(GBJ 50009)採用由下到上逐段增大的數值。《建築結構荷載規範》風振係數的計算公式適用於結構外形和質量沿高度分布均勻或規則變化的高聳結構，而輸電塔在橫擔處質量和擋風面積均會發生突變。當橫擔較短、塔高較低時，橫擔的存在對風振係數取值的影響並不明顯；而當橫擔較長時，杆塔顯然無法滿足沿高度分布均勻或規則變化的要求。同時《技術規定》僅考慮了順風向杆塔風荷載，無法考慮輸電塔橫風向和扭轉向風荷載的計算。相比於常規鐵塔，500kV同塔多回輸電塔的結構形式比較獨特(橫擔很長，本專利涉及的500kV同塔四迴路直線塔高74. 5m，最長的橫擔向外側延伸21m)，具有如下風荷載特徵I)輸電塔迎風面積和質量突變嚴重，塔身及橫擔結構的體型係數和風振係數無規範可遵循。2)超長橫擔對來流擾動嚴重，輸電塔的橫風向振動效應顯著。3)由於橫擔較長，振型出現的順序也有所不同，如常規塔的模態出現順序為橫線向的I階彎曲、順線向的I階彎曲和I階扭轉。而500kV四迴路直線輸電塔的模態順序為橫線向的I階彎曲、I階扭轉和順線向的I階彎曲。也就是說，I階扭轉模態的出現要比順線向I階彎曲模態的出現早，因此其風致特性與常規輸電塔不同。4)由於扭轉模態的存在，需特別考慮輸電塔的抗扭設計。尤其是有風偏角情況，塔的扭動模態會得到較大的激發，應考慮扭轉風振效應。顯然，常規設計方法無法適用於超長橫擔輸電塔的抗風設計。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，而提供一種輸電塔三維抗風設計方法，該方法重點在於輸電塔各組件體型係數的測定和基於基底響應力譜的三維等效節點風荷載計算。本發明是通過如下技術方案實現的該方法包含通過增減橫擔部件方法進行剛性模型天平測力風洞試驗，測定超長橫擔輸電塔塔身和橫擔各風向角下的體型係數；採用輸電塔節點風荷載譜的沿高度分段估計方法得到基於基底響應力譜的各節點順風向、橫風向和扭轉向風荷載互功率譜，以節點風荷載互功率譜為基礎，採用荷載-響應相關法得到直接用於輸電塔抗風設計的三維等效節點風荷載。該方法的步驟是I)製作輸電塔剛性縮尺模型，進行均勻流場天平測力風洞試驗，試驗風向角 0° 90°，每15°為一個測試工況；通過增減橫擔部件方式，採用測力天平測定輸電塔塔身和橫擔各風向角下的體型係數；2)對全塔剛性模型進行高頻動態天平測力風洞試驗，測得輸電塔總體基底響應力譜，利用輸電塔節點風荷載譜的沿高度分段估計方法得到基於基底響應力譜的各節點順風向、橫風向和扭轉向風荷載互功率譜；3)得到各節點風荷載互譜後，採用荷載-響應相關法計算得到輸電塔各節點的等效風荷載，該節點等效荷載包含了順、橫風向和扭轉向三維等效風荷載，並可直接用於輸電塔的抗風設計。所述輸電塔節點風荷載譜的沿高度分段估計方法，引入如下假定脈動風荷載無量綱自功率譜沿高度不變；忽略結構振動，只考慮風對結構的作用而忽略結構對風的反作用；脈動風是均值為零的平穩高斯過程；基於準定常假設的脈動風荷載相干性可以用脈動風速的相干性來代替；所述荷載-響應相關法計算過程將涉及不同風向角下輸電塔體型係數的取值問題，體型係數採用風洞試驗測試結果。本發明所述輸電塔節點風荷載譜的沿高度分段估計方法是試驗測得的基底數據與各個節點處風力互譜的關係為
N NSmx (/) = Σ Σ SFx (z,，z] ；/) z,zj
/=1 J=ISmz (/) = Σ Σ sFz (ζ,，zJ ；/) W( I )
/=1 j=\V (/) = Σ Σ Spn (ζ, , Zj;/)
/=ι y=iN為輸電塔沿高度分布的節點數，SFX(Zi，Zj ；f)為Zi, Zj位置的順風向風荷載互譜； Sfz(Zi, Zj ；f)為Zi, Zj位置的橫風向風荷載互譜；SFN(zi; Zj ；f)為Zi, Zj位置的扭矩互譜；這樣可以得到各個結點的風荷載自譜和互譜。具體推導過程如下
5
假定脈動風荷載無量綱自功率譜沿高度不變，即
SFu (Zi, f、_ SFu ，f、_ V I^ O Λ
得到第i結點的風荷載自譜為
認;/) = S;(/K⑷⑴
當忽略脈動風二次項的影響時，結構ζ高度處的的脈動風壓可表示為
p(z,t) = pu (z)u'(z,t) = ρ Η u'(z,t)(4)
輸電塔第i個結點上作用的脈動風荷載可以表示為
F = P{z,,t)cd {Z,)A{Z,) = P^h [j^\ cd (z,)a(z.)u,(zO = Eiz,)u'(z^t) (5
式中Cd(Zi)為第i個結點的風荷載體型係數；A(Zi)為第i個結點的迎風面面積。 則第i個結點風荷載均方根可以表示為Op(Zi)=E(Zi)Ou, (Zi)(6)不同高度處的風荷載互功率譜可以寫成下面形式Sfu (ζ,,ζ/,/) =機u (z,;/) SPu (Zj; f)cohP (ζ,, Zj)(7)式中cohF(Zi，Zj)為Zi，Zj位置的節點風荷載互相干函數。假設脈動風荷載相干性可以用脈動風速的相干性來代替，將式(3)代入式(7)得到SFu(Zi, Zj ;f) = σ F(Zi) σ F(Zj) S' F(f)coh(zi； Zj)(8)將式(6)代入式⑶得到SFu(ZijZj5D =E(Zi)E(Zj) σ u, (Zi)Ou, (Zj)S' F(f)coh(zi； Zj)(9)將式(9)代入式(I)即Smx(Z) = Y4Y4E(Z1)E (Zj ) σ, (ζ,.) σ , (ζ.) S』F (f)coh (ζ,., Zj )ziZj
/=1 j=\ 無量綱風荷載自功率譜為
S，_^mx )_
_2]YLE{Zi)E(Zj) aW (Zj ) coh (zt，Z1 )ziZj
/=1 J=I將式(11)代入式(9)得到順風向節點風荷載互功率譜
。(___r、SMx{f)E{Z,)E[ZMu' (Z, ) ση' (Zj ) C0k (Ζ,，Ζ])^Fu\Zi^Zj^J ) = N N
ΣΣΕ(ζ>)Ε(ζ) aW iz,) ση' ) COh (ζ,, ζ] )ζιΖ]
/=1 7=1同理，假設橫風向與扭轉向的風荷載沿高度分布規律與順風向風荷載相同，可以得到各個節點處橫風向與扭轉向風荷載互功率譜
。(_ …、SMY{f)E{zl)E(zj)au,(zi) (Zj) coh (ζ,,ζ^⑴、入zi，zpJ)- N NC 13)
ΣΣ￡ ⑷￡(Zj) iz, ) ση' ) COh (ζ,, ζ] )ζιΖ]
/=1 7=1
e . . .Λ SN{f)E{Z,)E(ZJ) ση· (^, ) ^u· h ) ^Oh (ζ,, Zj )…、
「00471 ^FN\Zi^Zj^J ) - N NC 14)
YY4E(Z1)E (Zj) ση, (ζ,) ση, (Zj) coh (ζ,，Zj)
/=1 7=1與現有技術相比，本發明的有益效果是考慮了不同風向角對體型係數的影響，通過風洞試驗真實測定了超長橫擔這類特殊部件的體型係數值；突破了規範的限制，充分考慮超長橫擔輸電塔的特點，不僅計算輸電塔順風向的風振響應，還同時計算了輸電塔橫風向與扭轉向的風振響應，保證了超長橫擔輸電塔設計的安全性和經濟性。


圖I是本發明所述超長橫擔輸電塔的正視圖；圖2是本發明所述超長橫擔輸電塔的俯視具體實施方式
下面將結合附圖及實施例對本發明作詳細的介紹圖1、2所示，所述的輸電塔主 要包括塔身1和橫擔2等常規結構內容；其中圖2中所示的0為風向角，P等於0度時 為順線向，0等於90度時為橫線向。結合圖1、2所示同塔四回輸電塔，詳細描述節點風荷 載互譜的分段估值方法。所述的輸電塔三維抗風設計方法，它包括1)製作輸電塔剛性縮尺模型，進行均勻流場天平測力風洞試驗。試驗風向角 0° 90°，每15°為一個測試工況；通過增減橫擔部件方式，如輸電塔全塔結構、缺1/2橫 擔結構、缺1橫擔結構、缺3/2橫擔結構、缺2橫擔結構、無橫擔結構等，採用測力天平測定 輸電塔塔身和橫擔各風向角下的體型係數。2)對全塔剛性模型進行高頻動態天平測力風洞試驗，測得輸電塔總體基底響應力 譜，並提出輸電塔節點風荷載譜的沿高度分段估計方法；該方法引入如下假定脈動風荷 載無量綱自功率譜沿高度不變；忽略結構振動，只考慮風對結構的作用而忽略結構對風的 反作用；脈動風是均值為零的平穩高斯過程；基於準定常假設的脈動風荷載相干性可以用 脈動風速的相干性來代替；利用分段估計方法可得到基於基底響應力譜的各節點順風向、 橫風向和扭轉向風荷載互功率譜。3)得到各節點風荷載互譜後，即可採用荷載-響應相關法(LRC法)計算得到輸電 塔各節點的等效風荷載，計算過程將涉及不同風向角下輸電塔體型係數的取值問題，體型 係數採用風洞試驗測試結果；該節點等效荷載包含了順、橫風向和扭轉向三維等效風荷載， 可直接用於輸電塔的抗風設計。試驗測得的基底數據與各個節點處風力互譜的關係為
權利要求
1.一種輸電塔三維抗風設計方法，該方法包含通過增減橫擔部件方法進行剛性模型天平測力風洞試驗，測定超長橫擔輸電塔塔身和橫擔各風向角下的體型係數；採用輸電塔節點風荷載譜的沿高度分段估計方法得到基於基底響應力譜的各節點順風向、橫風向和扭轉向風荷載互功率譜，以節點風荷載互功率譜為基礎，採用荷載-響應相關法得到直接用於輸電塔抗風設計的三維等效節點風荷載。
2.根據權利要求I所述的輸電塔三維抗風設計方法，其特徵在於該方法的步驟是1)製作輸電塔剛性縮尺模型，進行均勻流場天平測力風洞試驗，試驗風向角0° 90°，每15°為一個測試工況；通過增減橫擔部件方式，採用測力天平測定輸電塔塔身和橫擔各風向角下的體型係數；2)對全塔剛性模型進行高頻動態天平測力風洞試驗，測得輸電塔總體基底響應力譜， 利用輸電塔節點風荷載譜的沿高度分段估計方法得到基於基底響應力譜的各節點順風向、 橫風向和扭轉向風荷載互功率譜；3)得到各節點風荷載互譜後，採用荷載-響應相關法計算得到輸電塔各節點的等效風荷載，該節點等效荷載包含了順、橫風向和扭轉向三維等效風荷載，並可直接用於輸電塔的抗風設計。
3.根據權利要求2所述的輸電塔三維抗風設計方法，其特徵在於所述輸電塔節點風荷載譜的沿高度分段估計方法，引入如下假定脈動風荷載無量綱自功率譜沿高度不變；忽略結構振動，只考慮風對結構的作用而忽略結構對風的反作用；脈動風是均值為零的平穩高斯過程；基於準定常假設的脈動風荷載相干性可以用脈動風速的相干性來代替；所述荷載-響應相關法計算過程將涉及不同風向角下輸電塔體型係數的取值問題，體型係數採用風洞試驗測試結果。
4.根據權利要求I或2或3所述的輸電塔三維抗風設計方法，其特徵在於所述輸電塔節點風荷載譜的沿高度分段估計方法是試驗測得的基底數據與各個節點處風力互譜的關係為SMX (/) = Σ Σ sFX (Z,，Z] ； f) Z,ZJ/=1 j=\SMZ (/) = Σ Σ SFZ (Ζ,，Ζ] ；/) Z,Zj( I )/=1 j=\^μγ(/)=Σ (ζ^/)/=1 J=IN為輸電塔沿高度分布的節點數，Sfx(zi； Zj ；f)為Zi，立置的順風向風荷載互譜； Sfz(Zi, Zj ；f)為Zi, Zj位置的橫風向風荷載互譜；SFN(zi; Zj ；f)為Zi, Zj位置的扭矩互譜；這樣可以得到各個結點的風荷載自譜和互譜。具體推導過程如下假定脈動風荷載無量綱自功率譜沿高度不變，即SFu (Zi, f、_ SFu ，f、_ V I^ O Λ得到第i結點的風荷載自譜為認;/) = S;(/K⑷⑴當忽略脈動風二次項的影響時，結構ζ高度處的的脈動風壓可表示為
全文摘要
一種輸電塔三維抗風設計方法，該方法包含通過增減橫擔部件方法進行剛性模型天平測力風洞試驗，測定超長橫擔輸電塔塔身和橫擔各風向角下的體型係數；採用輸電塔節點風荷載譜的沿高度分段估計方法得到基於基底響應力譜的各節點順風向、橫風向和扭轉向風荷載互功率譜，以節點風荷載互功率譜為基礎，採用荷載－響應相關法得到直接用於輸電塔抗風設計的三維等效節點風荷載；它考慮了不同風向角對體型係數的影響，真實測定了超長橫擔這類特殊部件的體型係數值；突破了規範的限制，充分考慮超長橫擔輸電塔的特點，不僅計算輸電塔順風向的風振響應，還同時計算了輸電塔橫風向與扭轉向的風振響應，保證了超長橫擔輸電塔設計的安全性、經濟性和可靠性。
文檔編號G06F17/50GK102609579SQ20121002172
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月31日 優先權日2012年1月31日
發明者應建國, 歐曉暉, 沈國輝, 沈建國, 潘峰, 邢月龍, 郭勇, 高志林, 黃永林, 黃靜文 申請人:浙江省電力設計院