输电塔线体系抗风设计理论与发展

摘要：输电塔线体系是国家重要的电力工程设施。显然,它们的安全性直接关系到国家电网运行的可靠性, 而风荷载是影响它们安全性的主要因素之一。首先,本文简要介绍了我国超高压、特高压输电线路的发展前景。接着,从输电塔线体系的分析模型、动力特性、风致动力响应、风致振动控制等几个方面,对输电塔线体系抗风设计理论的发展进行了综述。最后,论文重点阐述了输电塔线体系抗下击暴流风荷载设计的重要性,提出了有待于研究的若干问题。指出了对下击暴流风荷载的研究将为我国建造模拟雷暴风环境的新一代风洞实验室和输电塔线体系的抗下击暴流提供理论基础和设计指导,同时为输电塔线体系的风致振动控制设计与实现提供重要的参考。     

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。     

土木工程下击暴流风速数值模拟的研究

雷暴天气下击暴流之类的高强风对诸如输电塔这样的晶格状结构具有很大的破坏性。因此,建立可靠合理的下击暴流风速模型来分析这些结构在这种极端风荷载作用下的动力响应是很有必要的。通过运用一些时频分析工具可以发现:下击暴流风速表现出明显的非平稳性。而且,下击暴流非平稳风速时程可以分解为随时间变化的平均风速即时变平均风速与具有一定相关性的随机脉动成分。基于Holmes平均风速模型和Vicroy风速竖向分布模型,使用Deo-datis提出的均匀调制非平稳随机场的模拟方法,数值模拟了雷暴天气下击暴流行进路线上某一固定位置处的竖向分布风速场。在随机脉动成分的数值模拟过程中,引入了三次样条函数插值技术,以减少Cholesky分解的次数,进一步提高了数值模拟雷暴天气下击暴流风速的效率。     

B类风场与台风风场下输电塔的风振响应和风振系数

为研究常规B类风场与台风风场下输电塔的风振响应差异,以沿海地区某四回路角钢输电塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法生成两类风场下的风速时程,并在时域内进行了输电塔风振响应和风振系数的数值分析。结果表明：台风风场的高湍流特性导致其作用时各测点的顺风向风振响应均大于B类风场下的对应值。两类风场下,输电塔的风振系数比值约为1.25。因此,台风多发地区的输电塔设计必须考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应。此外还进行了气弹模型风洞试验,以研究不同风速下的气动响应和风振系数,并将试验结果与理论计算进行了分析比较,验证了数值分析的适用性。     

移动型下击暴流及其作用下高层建筑风荷载的数值模拟

下击暴流造成了大量的输电线塔、风机等结构的破坏,对其风场及其引起的结构风荷载研究非常迫切。该文基于RANS,利用SST k-ω湍流模型模拟了下击暴流风速特性及其作用下高层建筑的风荷载。对静止型下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载进行了三维定常数值模拟,并将模拟结果与风洞试验结果相对比,结果表明:所建立的CFD计算模型能较好地模拟下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载。借助于滑移网格技术对移动型下击暴流进行数值模拟,探究了相应的下击暴流风场及其对位于射流口中心移动路径上的高层建筑的风荷载。将该文模拟得到的移动型下击暴流径向风剖面与实测结果以及其他学者模拟结果相比较,吻合度较高,验证了凭借滑移网格技术能逼真地模拟出下击暴流的风场特性及其作用下高层建筑的风荷载。将静止型和移动型下击暴流的风场特性及其对建筑物的风压作用进行详细对比,研究结果表明:射流口的移动增强了运动方向的径向风速,减小了负方向的风速,并增大了建筑物表面的风压系数,这在结构设计中应予以考虑。     

输电塔在线路断线作用下的动力响应

目前采用的拟静力法考虑线路的断线不平衡张力不能反映出输电塔受到的断线动力响应。针对这一问题,利用有限元程序ANSYS/LS-DYNA,建立导地线模型和以等效弹簧代替导地线对输电塔作用的塔-弹簧模型,将导地线模在断线作用下悬垂点的支座反力反向施加在塔-弹簧模型上,数值仿真了输电塔在导地线断线作用下的动态响应。研究表明,线路断线对输电塔的动力效应不可忽视。     

两相邻输电塔的同步环境脉动实测试验研究

基于随机振动及系统识别理论,对两相邻自立式直线输电塔进行同步环境脉动实测,识别两相邻输电塔耦合导地线的动力特性及绝缘子在输电塔的横向和纵向的振动频率。试验结果表明：在塔两侧导地线的初始张拉力一致的情况下,相邻直线输电塔的动力特性较为接近,与输电塔档距无关;同时分析得出输电塔的阻尼比均大于《高耸结构设计规范》（GB50135－2006）规定的阻尼比0.01。由于导线的影响,测试出绝缘子在塔-线体系横向振动频率大于输电塔的振动频率,而在纵向小于输电塔的振动频率,频率的差异对输电塔-线体系在风荷载作用下的振动情况不利。     

下击暴流作用下超大型冷却塔倒塌机制与失效准则研究

为研究下击暴流特异风作用下超大型冷却塔响应特征与倒塌机制,以中国西北地区某在建228 m世界最高冷却塔为对象,采用分层壳单元法建立结构多尺度有限元模型,基于LES方法获得超大型冷却塔在下击暴流作用下三种典型工况处的内外面脉动风压,再结合增量动力分析法分析超大型冷却塔风致倒塌全过程变化规律,提炼超大型冷却塔在下击暴流作用下的倒塌机制,最后构建下击暴流风驱下超大型冷却塔倒塌失效准则。研究表明：下击暴流下塔筒表面风压分布模式与良态风差异显著,超大型冷却塔倒塌机制随下击暴流中心距离增大由内凹机制转换为外掀机制,且当能量失效指标K≥2时,超大型冷却塔倒塌破坏。     

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。     

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。     

圆管输电塔风荷载多天平同步测力风洞试验研究

水平风作用下输电塔风荷载的研究已经取得一定成果,但有竖向风联合作用下的输电塔风荷载的研究甚少。采用多天平同步测力风洞试验方法,获得了水平风和竖向风联合作用下的输电塔塔身节段的气动力系数。试验研究表明:多天平同步测力方法可以直接且准确地测量输电塔构件的风荷载;与常规试验相比,多天平同步测力方法可以用于同时具有攻角和偏角的风作用下输电塔风荷载的测量,且能准确地模拟输电塔的气流扰流,减少或避免风洞地面或分离平台引起的边界层效应;来流风攻角在±5°范围内时,竖向风对阻力系数的影响较小,可以忽略;来流风攻角较大时,竖向风对输电塔塔身气动力系数的影响较大,不可忽略。     

长周期地震动-脉动风耦合作用下风电塔架动力响应分析与混合试验初步验证

随着我国对绿色能源需求的不断增加,风力发电场的建设逐渐向我国地震多发区扩张,风力发电塔面临着地震的严峻考验。地震荷载与常规风荷载共同作用下的风电塔性能正在成为设计中的重要参考标准。水平轴、三叶片风电塔是最为常见的风电塔类型,属于自振周期较长的高柔结构,对低频成分突出的长周期地震动比较敏感。因此,本文针对运转状态风力发电塔在长周期地震作用下的动力响应进行了分析。选择一座1.5 MW在役风电塔为原型结构,基于ABAQUS平台建立其壳单元模型,选择典型长周期地震动记录,通过动力时程分析对风电塔停机状态下的地震响应进行估计。基于Kaimal谱生成脉动风荷载,对地震-风耦合作用下的风电塔架动力响应进行模拟。结果表明:长周期地震动对风电塔塔顶位移放大作用明显,可超过风荷载成为控制荷载。为解决风电塔试验模型缩尺比较小与复杂荷载模拟问题,开发了混合试验的软件平台。通过混合试验的数值模拟结果与ABAQUS模型分析结果的对比,实现了风-震作用下风电塔混合试验的数值仿真验证。     

输电塔动力特性计算与模态试验研究

输电塔是国家电网的重要组成部分,具有结构高、跨度大、柔性强等特点,对风荷载反应灵敏。建立能反映输电塔动态特性的模型对风致振动控制至关重要。为研究输电塔理论模型的准确程度,分别建立3种输电塔实验模型,包括多质点模型、梁单元有限元模型和梁-杆混合单元有限元模型,并对其进行模态分析;同时采用锤击法,以单点激励多点响应(SIMO)的测试方法对输电塔实验模型进行模态测试。将各方案与测试结果进行比较分析,结果表明:梁-杆混合模型的求解精度高于另外两种计算模型的精度,能较好模拟输电塔的动力特性,是最优的输电塔模拟方案。     

基于向量式有限元的输电塔风致动力响应研究

该文以某大跨越格构式输电塔风致响应为例进行向量式有限元的应用分析,采用C++语言编写杆系结构向量式有限元的计算程序,获得输电塔的响应并与传统有限元结果进行比较,探讨阻尼处理方法和计算步长对计算结果的影响,最后针对输电塔进行风荷载作用下的倒塌分析。研究表明,两种方法算得的位移响应非常接近;向量式有限元法的计算效率比传统有限元高,该文算例中计算时间相差约20倍;计算步长对有限元计算结果有影响,建议计算时进行试算;向量式有限元可以用来求解输电塔的倒塌问题。     

输电塔线体系风振反应的半主动摩擦阻尼控制

该文研究了智能半主动摩擦阻尼器对输电塔线体系风振反应的控制问题.该文提出了一种适用于输电塔结构风振控制的半主动摩擦阻尼器力学模型,建立了输电导线动力分析的多自由度模型,并建立了塔线耦联体系的受控动力分析模型和动力分析方法.基于半主动摩擦阻尼器的特点,提出了抑制结构风振反应的两种半主动控制策略.通过数值研究考察了半主动摩擦阻尼器对输电塔线体系风致振动响应的控制效果,并进行了相应的参数研究.研究表明,半主动摩擦阻尼器形式简单、具有较好耗能能力,可以有效地抑制输电塔的风致振动.     

大跨越输电塔线体系随机脉动风场模拟研究

为在时域内分析大跨越输电塔-线体系风振响应,根据结构体型特征和脉动风场的功率谱特性,考虑输电塔-线分布、平均风剖面变化、功率谱能量与相干性等影响因素,提出了简化作用于输电塔线体系的多变量三维脉动风场(n-V-3D)为多变量一维脉动风场(n-V-1D)分析方法。结合输电塔线体系有限元法风振响应分析的特点,应用谐波叠加法和谱分解的适当修正,建立了脉动风速时程数值模拟方法。实例模拟表明,数据符合统计检验,模拟功率谱与目标谱吻合,从而验证了模拟方法的有效性和模拟脉动风速时程适用性。     

大跨越输电塔-线体系覆冰断线模型试验研究

为了准确有效研究大跨越输电塔-线体系中杆塔结构在覆冰断线工况下的动力响应,以晋东南-南阳-荆门1000kV特高压输变电工程中的黄河大跨越段为原型,进行了模拟覆冰条件下五塔四线塔-线体系模型的断线冲击响应试验。试验测得了输电塔薄弱位置杆件的应变时程曲线,研究了塔-线体系在不同断线工况下杆塔的动力响应。通过分析得出了输电杆塔的最不利断线工况,找出了输电塔在断线冲击作用下的最不利位置,为输电塔结构抗冰灾设计提供了有价值的参考。通过进一步研究发现,当断线位置在导、地线悬挂点附近时,输电塔的测点应变突变值与覆冰厚度成近似的一元二次函数关系。     

大跨越输电塔-线体系风振控制研究

大跨越输电塔是一种高耸柔性结构,对动荷载,尤其是风荷载比较敏感,易产生较大的动力响应。对大跨越输电塔进行振动控制研究已成为电力工程与土木工程界的一个重要研究课题,既有其重要的理论意义,又有其重要的经济价值。该文以我国"十一五"期间的重大工程之一,特高压项目晋东南-南阳-荆门1000kV汉江大跨越输电线路工程为研究背景。介绍了橡胶铅芯阻尼器在输电塔-线体系风振控制中的应用;风速场的数值模拟;不同风向角动风作用下的风振控制效果研究。并通过对钢管的轴向变形、纯刚度的影响、静风荷载的响应和输电塔可靠度的研究,验证了阻尼器的控制效果。通过对五种风向角动风作用下塔身位移、主材内力的分析计算表明:所设计的控制方案在不同风向角作用下都能达到很好的减振效果,为将来类似的工程应用提供了参考。     

新荷载规范修订对输电塔风荷载计算的影响研究

新修订的荷载规范对输电塔结构影响较大的风荷载作出了较大的修改,降低了表征平均风荷载的风压高度变化系数,增大了表征顺风向风振响应的风振系数。本文从随机振动理论出发,比较了新旧荷载规范风振系数计算公式的异同,并以某系列220kV四回路直线塔为例,详细分析了各类场地和各角度风下荷载规范修订对塔架和线条风荷载的影响,以及对不同高度的塔基底弯矩、塔腿主材轴力和塔重的影响。结果表明新规范导致输电塔塔架风荷载增加而线条风荷载减小,二者共同作用的结果取决于场地类别和角度风。风荷载增幅B类>A类>C类>D类,0°>45°>60°>90°。对于输电线路常见的B类场地而言,新规范将较大地增加输电塔结构的基底弯矩、主材轴力和塔重。     

移动效应的下击暴流风场特性分析

稳态下击暴流风场研究已相对成熟,而实际下击暴流由于风暴移动,其风场是非稳态的。为了研究冲击风射流速度、移动速度对下击暴流风场特性的影响,采用冲击射流装置进行了移动下击暴流风场试验,并使用大涡模拟建立了移动喷口的冲击射流三维缩尺和足尺风场进行数值分析。结果表明:试验和模拟吻合较好,移动速度对峰值放大作用比较明显,射流速度对峰值大小影响不大;移动下击暴流风场具有风向转变和明显不对称的特点,移动速度对风暴前方近壁面水平风速具有显著的增大效应,但对风暴后方风速有一定程度的削减;下击暴流发展到稳定状态时的风剖面随高度增加先增大到最大值,然后迅速减小,最大风速出现在风剖面下端;曲线峰值所在位置和下降段所持续的时间与移动速度和射流速度大致满足一定的比例关系。