良态风场与台风风场下输电塔线体系气弹模型风洞试验

基于文献资料确定了工程所在地区的良态风场和台风风场参数。采用离散刚度法制作了五塔四线输电塔线体系气弹模型,开展了紊流场中多种风速、多个风向角下单塔及塔线体系气弹模型风洞试验。比较了良态风场和台风风场下单塔及塔线体系的风振响应和风振系数。研究结果表明:台风风场下单塔及塔线体系的位移均值和加速度根方差均大于良态风场,试验风速为7 m/s时位移差值分别为20%(单塔)和30%(塔线体系)左右,加速度根方差的差值分别为50%(单塔)和100%(塔线体系)左右;台风风场下输电塔的风振系数比良态风场下大7%以上。因此台风区输电线路设计要注意台风风场的高湍流特性对风振响应和风荷载的放大作用。     

台风作用下输电塔线体系多元状态监测及风偏可靠度分析

在舟山某输电线路上布设一套包含风速风向等气象要素以及塔线动力响应的多元状态监测系统。该监测系统获取了在2017年18号台风“泰利”影响下的输电塔线周边风场,导线风致振动以及动张力等现场实测数据。考虑结构参数的不确定性,建立了该输电线路有限元模型,开展了本次台风以及不同风灾水平下的导线风振反演分析,其中脉动风场是在数值模拟生成的基础上再与现场实测风速数据同化后得到。本次台风作用下的反演分析结果与实测值吻合较好,验证了随机风振反演分析结果的有效性。根据风偏响应结果,进一步完成了该输电线路可靠度分析,得到了风偏闪络失效的易损性曲线,从而评估了该输电线路在不同风灾作用下的风偏闪络危险程度。     

台风作用下输电塔线体系动力响应分析

台风作用下输电线路倒塔事故时有发生。通过Yan Meng台风风场和Monte Carlo法模拟得出了海口市的极值风速和风剖面指数,并采用石沅台风风谱进行了台风脉动风的数值模拟,在ANSYS中建立一塔两线模型,计算了模型在台风风载荷作用下的风载荷效应。分析表明:导、地线线条风载荷对主材轴力的贡献率很大,极值状态时达到了58.9%,通过在台风区适当减小档距或者采用落线护塔的方式可以减小台风带来的损害;台风的高强度和高湍流特性,导致在极值状态下的响应远大于静风等效作用下的响应,规范中所取的风载荷调整系数偏小,对于台风工况,应充分考虑其动力放大作用。     

高耸格构式结构风振数值分析及风洞试验

以１８３ｍ高的某跨江输电铁塔为原型，设计制作了全塔气动弹性模型，对高耸格构式结构的风荷载及风振响应进行了风洞试验研究，获得了风振响应和风振系数等重要结果，并采用空间桁架模式，考虑风与结构耦合作用的影响，在频域中进行了随机风荷载作用下的风振响应数值计算机分析。     

大跨度平屋面的风振响应及风振系数

本文在有限元分析的基础上建立了大跨度平屋面结构在风荷载作用下的风振响应谱分析方法,并采用Davenport谱和由风洞试验得到的屋盖表面的平均风压分布系数计算了屋面的风振响应及风振系数。文中还深入探讨了屋面刚度、来流风速及风向等参数对大跨度平屋面竖向风振响应及风振系数的影响。计算表明:① 大跨度平屋面的竖向风振响应主要是由第一振型所支配,高阶振型对屋面板竖向风振响应的影响很小;② 屋面刚度及来流风速对大跨度平屋面的竖向风振响应影响比较大,但对位移风振系数的影响不太明显;③ 在工程设计中,建议采用位移风振系数来计算大跨度平屋面的等效静力风荷载。     

雷暴风激励下简支梁式屋盖结构的风振响应参数化分析EI北大核心CSCD

基于时域分析方法对简支梁式屋盖结构在雷暴冲击风作用下的风振响应进行参数化研究。利用混合随机模型对雷暴冲击风强风荷载进行数值模拟,其中平均风采用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟,脉动风采用基于Kaimal目标谱的自回归AR模型模拟,谱分析结果表明雷暴风模拟结果具有较好的精度;分析了结构主要参数和雷暴风参数对结构风振响应的影响,结果表明:结构刚度、跨度、最大风速半径及风暴移动速度对结构的风振响应影响较大。针对雷暴风中平均风和脉动风响应均随时间变化的特性,采用基于包络概念的整体风振系数计算方法,分别研究了不同参数下的整体位移风振系数和整体荷载风振系数,结果表明,采用结构整体位移风振系数进行雷暴风等效静风荷载分析具有更高的精度。     

风速水平空间相关性对长横担输电塔风效应的影响

以沿海某220 kV长横担角钢输电塔为原型,考虑沿横担向的脉动风速非完全相关性,采用谐波叠加法模拟该输电塔的风速时程,并基于准定常假定进行输电塔风振时域分析,得到了结构的风振响应和杆件内力。研究表明:考虑脉动风速水平向空间相关性后,横担产生显著的转角,塔头具有明显的扭转振动,并导致塔头的斜材内力增幅明显;然而,由于风速空间相关性的引入,顺风向整体脉动风载有所减小,使得全塔的风振系数减小,尤其是塔身的风振系数减幅明显。因此,长横担输电塔设计中应考虑风速水平向空间相关性对风效应的影响。     

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。     

近海山地台风风场特性实测研究

基于2017年台风“海棠”和台风“纳沙”登陆近海山地时的实测数据,选取10 min平均风速≥10 m/s的强风样本,研究了平均风速、湍流度、阵风因子和地面粗糙度指数的变化规律,并分析了不同风速区间的风剖面和湍流剖面的变化规律。结果表明:台风登陆过程中风速时程呈双“M”型四峰分布,平均风向发生了260°的转变,10 m高度处湍流强度在0.15~0.34波动,并随地貌粗度指数增大有增大的趋势。实测得到风剖面和湍流剖面与规范GB 50009?2012进行了对比,不同高度处的平均风速变化符合指数率的变化趋势;两个测风塔实测得到台风风场的风剖面指数α均值为0.15和0.14大于季风风场的风剖面指数,接近GB 50009?2012中B类地貌规定值,但台风风场中的湍流强度剖面参数要大于GB 50009?2012中B类地貌规定参数值,该文结果可为近海山区工程结构抗台风设计提供参考。     

中小尺度嵌套下考虑停机位置的大型风力机体系风振响应分析

国内外风工程界采用的风力机体系风效应分析方法通常基于良态气候模式,而台风边界层风特性不同于良态气候模式,台风作用过程中会表现出明显的时空变异性和多尺度涡结构。针对现存土木工程台风模型理论体系过度简化的问题,引入考虑真实台风场强变异性和衰减效应的中尺度天气预报模式(WRF)对“鹦鹉”台风进行高时空分辨率模拟,重点对比台风登陆前、登陆时和登陆后台风风向和风强特征,并结合模拟台风中心路径与实测路径的对比结果验证了中尺度台风“鹦鹉”模拟的有效性。以中国东南沿海地区某风电厂5 MW水平轴风力机为对象,基于WRF模拟获得近地面三维风场数据,并结合小尺度CFD大涡模拟技术分别对叶片单个旋转周期不同停机位置工况进行三维非定常数值模拟。在此基础上,结合有限元完全瞬态法对不同停机工况进行了风振响应动力时程分析,提炼出停机位置对体系风振响应和风振系数的影响规律,最终归纳总结了台风作用下大型风力机体系最不利停机位置。结果表明:采用WRF模式可以有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.076;台风下塔架内力和风振系数显著增大,尤其是与塔架相对位置最近的叶片风振响应最为不利,内力最大增幅达35%。分析发现:当台风作用下大型风力机处于停机状态,下叶片与塔架完全重合(工况1)时为最不利,旋转至上叶片完全重合(工况5)时安全余度最大。     

格构式塔架横风向脉动风荷载空间相关性研究

为了研究格构式塔架横风向脉动风荷载的空间相关性,基于某实际格构式塔架2个典型节段模型同步高频测力天平风洞试验和同步风速测试风洞试验,测得了模型基底剪力、弯矩和风速时程,通过数据处理方法得到了其横风向脉动风荷载及脉动风速的相干函数。在此基础上,分析比较了脉动风荷载及脉动风速的相干函数特点与变化规律。结果表明:格构式塔架横风向风荷载相干函数与频率,水平距离和竖向距离均有关;格构式塔架横风向风荷载相干函数与现有高层建筑及锥形烟囱等结构的结果存在一定差别。最后,运用非线性最小二乘法拟合得到了脉动风荷载相干函数经验公式,拟合公式与试验结果较吻合,可为分析格构式塔架横风向风荷载及风致响应提供一定的参考。     

500kV 单回路输电塔塔头风荷载计算模型研究

根据高频底座天平测力风洞试验,得到典型500kV 单回路输电塔塔头结构风力系数的平均值和根方差值,给出了极值风力下塔头结构顺风向、横风向基底剪力和基底扭矩的功率谱。在此基础上,采用最小二乘法拟合,建立了输电塔塔头结构风荷载的计算模型,其结果不仅可以用于格构式输电塔频域计算,还可以为相关规范的修订提供参考。     

大型冷却塔双塔干扰的风洞试验研究

采用风洞试验方法研究双塔情况下冷却塔的风致干扰问题,通过增加模型表面粗糙度的方法以补偿模型试验的雷诺数效应,应用POD方法进行风压点的插值和加密,计算单双塔的阻力系数、升力系数和底部剪力系数,并分析干扰系数随塔间距、风向角的变化规律。研究表明,单塔情况下,平均阻力系数较大,平均升力系数为零;阻力系数和升力系数的标准差数据相当。双塔情况下,阻力系数的平均值和极大值对应的干扰系数几乎相同;对于升力系数极大值的干扰系数,大部分数据大于1,最大的数据达1.75。     

典型格构式结构风荷载及风致响应规范比较

对国内外四种常见格构式结构荷载规范中风荷载计算方法、关键参数取值等进行详细对比分析,以典型500 kV单回路酒杯型输电塔为例,将规范计算所得风荷载与风洞测力试验所测风荷载进行比较,计算结构的风致响应。对比分析发现,相同条件下（50年重现期）不同规范对同一输电塔结构的等效风荷载存在一定差异。随节段高度增加,我国规范GB50545的等效静力风荷载偏大。据规范计算所得风致响应值与据测力风洞试验计算结果吻合较好。由于我国规范未考虑重现期对线路影响,随线路安全等级提高,其等效静力风荷载可能会不安全。     

大跨干煤棚网壳风振时程分析和等效静风荷载研究

以某热电厂大跨干煤棚网壳工程项目为背景,对开敞干煤棚网壳结构进行了风洞测压试验。基于风洞测压试验所得的脉动风荷载时程数据,开展了大跨干煤棚网壳风振时程分析。分析了不同风向角下是否堆煤对该开敞干煤棚网壳结构风振响应的影响。研究了基于时程计算结果的大跨屋盖结构等效静风荷载计算方法,分析比较了几种常用的风振系数计算公式及其与峰值因子的关系。研究结果表明：考虑Weibull分布峰值因子的局部轴力风振系数能够用于确定合理有效的等效静力风荷载,实现大跨干煤棚网壳结构风振响应的静力等效,且便于工程应用。     

基于多体动力学方法大型风力机台风致响应特性与偏航影响

为研究强台风下考虑偏航效应的大型风力机气动力及动态响应特征,以美国可再生能源实验室5 MW风力发电机组为研究对象,基于多体动力学及混合多体系统建模方法,建立了整机刚-柔混合多体动力学模型,并对该模型进行了动力特性分析与模型有效性验证。同时,基于谱分解法模拟了台风眼壁区域强干扰阶段的三维随机风场,并基于叶素-动量理论对7种偏航工况下风力机体系气动力进行数值模拟,分析了偏航对强台风下整机气动荷载的影响。最后,基于多体动力学模型对考虑不同偏航的大型风力机体系进行了动力时程分析,提炼了偏航对于结构风致响应的影响规律。结果表明,本文建立的多体动力学模型使用较少的自由度能有效描述了5 MW大型风力机的动力特性;当大型风力机处于30°和120°停机偏航角时,结构的台风致风荷载和风振响应显著增大,属于典型的不利工况,应在风电场实际控制时予以避免。主要研究结论可为强台风极端风况下大型风力机抗风设计提供科学依据。     

超大型冷却塔风致倒塌全过程数值仿真与受力性能分析

历史上强风作用下大型冷却塔风毁事件多次发生,现有研究关注的重点大多为风致塔筒局部强度超限或失稳破坏,均忽略了由局部损坏引发的整体连续倒塌破坏的后续现象,且难以揭示大型冷却塔风致倒塌过程及作用机制。鉴于此,基于计算流体动力学（CFD）与显式动力分析算法（LS-DYNA）技术提出了大型冷却塔风致倒塌全过程数值仿真模拟方法,并以山西潞安电厂世界最高220 m超大型冷却塔为例,建立了考虑材料非线性塔筒-支柱三维有限元模型,并分析了结构动力特性;基于显示动力时程分析方法,加载基于CFD获得的塔筒三维平均风压进行拟动力分析,数值再现了超大型冷却塔风致倒塌全过程;研究了塔筒应力分布变化规律与倒塌全过程的扭曲变形姿态等特征,提炼出冷却塔风致倒塌的受力特点与作用机制,并讨论了单元失效参数的影响。结果验证了该文数值方法可以有效模拟超大型冷却塔风致倒塌全过程;其倒塌过程始于塔筒喉部迎风面大变形,并在两侧30°范围内呈现褶皱现象,最终因变形不协调而相互牵扯垮塌。研究表明,强风致超大型冷却塔倒塌受力机制可划分为弯拱机制与悬绞线机制,材料模型的单元失效参数对于超大型冷却塔风致倒塌的影响不可忽略。     

台风作用下高耸结构动力响应及风振控制分析

高耸结构柔性较大,对风荷载较为敏感,相比一般风的影响,台风作用下的结构更易产生强烈的动力响应。考虑台风的基本特性,选取合适的台风风速谱,运用数值模拟方法,仿真得到了与结构竖向相关的18条脉动风载时程样本。利用有限元软件ANSYS建立某高耸钢塔结构三维空间有限元模型,并在时域内对设置粘滞阻尼器的结构进行控制效果分析,得到最优粘滞阻尼系数。研究表明：编制的MATLAB程序可较好的模拟高耸结构的台风脉动风载时程,风速时程的功率谱与目标值吻合得较好;设置粘滞阻尼器后结构的位移和加速度响应均有明显的减小,粘滞阻尼器是一种性能很好的阻尼器。