考虑塔-线耦合作用的输电塔体系风振系数研究

考虑塔-线耦合作用的体系风振响应以及对应情况下的输电塔等效风荷载的风振系数取值是输电塔抗风设计的基础,结合某220kV输电线路一塔两线实例,通过气弹性风洞试验和有限元数值模拟的方式,研究输电塔在考虑导、地线耦合作用下的风振响应规律,计算其对应的输电塔等效风荷载的风振系数,并与我国现行规范中的相关取值进行对比,结果表明:横担和输电线的存在使得塔身中上部的风振系数明显增大,在进行输电塔设计时需考虑其影响;建议采用《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)和《高耸结构设计规范》(GB50135—2006)来计算风振系数时,对横担位置进行修正或单独考虑,而《架空输电线路荷载规范》(DLT5551—2018)更适用于输电塔类结构的风振系数的计算。     

多回路输电塔风振系数研究

多回路输电塔由于质量与面积沿杆塔高度存在突变,按照规范公式求解风振系数将偏于危险。基于杆塔的集中质量模型,对输电塔风振系数的频域分析方法进行了探讨,推导了考虑背景响应的等效静力风荷载计算公式。通过比较阐明了多回路输电塔风振系数沿塔高的变化特点,分析了背景响应分量对风振系数的影响,并建议在进行多回路输电塔的抗风设计时,采用杆塔多阶振型的CQC组合计算等效风荷载。     

大跨越输电塔结构风振系数研究

在输电塔结构设计中,风振系数的取值非常重要。本文结合500kV崖门大跨越输电塔工程实例,通过输电塔结构时程分析,得到结构在风荷载作用下风振响应,统计了输电塔结构的风振系数取值,与多种现行规范进行比较,对大跨越输电塔结构抗风设计给出了建议。     

大跨越输电塔线体系风振响应及风振系数分析

输电塔是高柔度的风敏感结构,大跨越输电塔线体系由于塔线耦合作用,动力特性和风振响应变得复杂。以智力CHACAO大跨越工程为例,在Ansys中建立塔线体系有限元模型,从结构的动力特性和风振响应几个方面对单塔及塔线体系进行风振分析;根据时程分析结果对风振系数进行计算并和规范结果对比,发现按照建筑荷载规范结果不准确也不安全,架空输电线路荷载规范由于考虑了横担处的质量突变等因素,总体来说更符合实际也更偏于安全。     

陡峻山区输电塔风振响应分析

为有效解决陡峻山区立塔困难的问题,提出采用塔腿含过渡段的输电塔结构形式以解决塔腿高差过大的问题。通过自立式铁塔内力分析软件TTA和有限元分析软件ANSYS对一塔腿含过渡段的220 kV输电塔动力特性和风振系数进行计算,分析了塔腿含过渡段输电塔振型和风振响应的特点。结果表明:增加过渡段后,输电塔第1、2阶振型方向和平腿模型相反,风振系数与平腿模型相比变化不大,设计时应加强横隔面等构件,以增加输电塔竖向及整体刚度。     

基于风洞试验的苏通大跨越输电塔风振系数研究

苏通大跨越输电塔的结构形式有别于普通的钢结构杆塔,其塔身下部结构采用钢管混凝土、上部结构采用钢管,质量突变大,主要受风荷载控制,并且塔高超出GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》的梯度风高度限制。为此,采用气动弹性模型和刚性模型的边界层风洞试验确定苏通大跨越输电塔的风致响应和气动力,基于试验数据计算不同风向角下的惯性力风振系数、位移风振系数和有效荷载风振系数,并进行对比。并通过有限元分析梯度风高度对惯性力风振系数的影响,同时将有限元分析得到的风振系数分布和加权值与DL/T 5154的风振系数规定作比较。结果表明：上述3种风振系数分布规律并不相同,由其分别确定的等效位移接近于试验值;考虑梯度风高度后,风振系数变小,分布形状影响小;苏通大跨越输电塔的惯性力风振系数加权值小于1.6,且风振系数由下到上不是单调增大。     

格构式塔架顺风向风振响应

基于高频底座测力天平风洞试验数据得到了格构式塔架顺风向一阶振型广义荷载均方根系数和广义荷载谱解析模型,并从修正线性振型广义荷载谱的角度推导了一阶振型广义荷载谱修正方法和高阶振型广义荷载谱表达式,进而利用推导得到的广义荷载谱,计算了3种典型格构式塔架气弹模型的顶部加速度均方根响应,通过将计算结果和气动弹性模型风洞试验数据对照,分析了振型修正对风振响应的影响和高阶振型、气动阻尼对风振响应的贡献,并得到了若干结论。     

±1100kV输电塔风振响应及风振系数研究

随着电力行业的发展,特高压输电成为越发重要的输电方式,但由于设计不合理等原因引起的风致倒塔事故频繁发生,输电塔抗风设计日益重要。本文以准东-华东±1100kV输电线路工程为背景,采用有限元方法对37m/s大风区典型长横担单回路输电塔结构进行风振响应分析,研究不同风速、风向和结构形式下此类输电塔的风振响应,探讨风速、风向和塔型对输电塔风振系数的影响,分析得到输电塔塔身及横担的风振系数,与相关规范值进行比较,给出1100kV直流线路工程设计中风振系数的取值建议。     

双回路直线型圆管角钢组合输电塔架风振分析

双回路直线型圆管角钢组合型输电塔具有钢管塔的优点,但国内外针对此类输电塔风振响应研究尚少.基于MATLAB软件,采用AR法对风荷载进行模拟,得出该型输电塔在脉动风作用下的风振响应.研究表明:通常的静力设计方法可能导致输电塔基础承载力的不足;在设计时,应充分考虑变坡度位置的刚度.     

大跨越输电塔线体系的风荷载模拟及耦合风振研究

根据输电塔线体系在风荷载作用下的破坏特点,采用ANSYS有限元软件建立"两塔三线"钢管塔线体系的空间杆梁混合有限元模型,其中主要钢管构件和绝缘子串采用Beam 4梁单元,横撑和斜撑钢管构件采用Link 8杆单元,导、地线采用Link 10索单元;采用Davenport风谱,并运用基于功率谱密度函数的谱表示方法,考虑风速时程的时间和空间相关性,模拟生成了输电塔、导地线的脉动风速时程;在时域内分析输电塔线耦合体系模型在风攻角分别为0°、45°和90°的风振反应,得到输电塔、导地线的位移和加速度反应;讨论输电线对输电塔线体系的影响,得出一些重要结论,对输电塔线体系的抗风设计具有一定的参考价值。     

Experimental and computational simulation for wind effects on the Zhoushan transmission towers

Long-span transmission tower and conductor line systems become important infrastructures in modern societies. The analysis of wind-induced dynamic responses of transmission towers is an essential task in the design of spatial lattice tower structures. Wind effects on the world's tallest transmission tower are presented in this paper. The tower with a total height of 370 metres, part of the Zhoushan long-span transmission project, enables high voltage conductor lines to span as long as 2750 metres over the typhoon-prone sea strait. A multi-DOF aeroelastic model test with and without conductor lines was carried out to investigate the dynamic performances of Zhoushan tower during typhoon events. Using the response measurement results in the wind tunnel, the inertial force based gust loading factors (GLFs) are applied to represent dynamic wind load effects on the tower for structural design purposes. Time domain computational simulation approach is also employed to predict dynamic responses of the transmission tower and the displacement based gust response factors (GRFs). The fair comparison of GLFs or GRFs are made between the results of the experimental approach and the computational simulation approach, which is an effective alternative way for quickly assessing dynamic wind load effects on high-rise and complex tower structures.     

基于完全气弹模型风洞试验输电塔风荷载识别

按照基本缩尺律,设计、制作了输电塔完全气弹模型,并通过大气边界层风洞试验,测试了多种风速、风向条件下输电塔的位移与加速度响应。通过加速度响应功率谱识别出结构的固有频率,并采用Hilbert-Huang变换结合随机减量法识别出包含结构阻尼和气动阻尼的结构总阻尼。利用虚拟激励法建立了由测点位移响应来识别结构顺风向、横风向风荷载的方法。由识别出的风荷载谱曲线,利用非线性最小二乘法拟合得到输电塔顺风向、横风向风荷载经验公式。研究结果表明：风洞试验设计、制作的输电塔气弹模型,测试得到的模型第1阶自振频率与有限元计算结果吻合较好;横风向荷载谱形态与顺风向的相比有较大的区别,其能量分布在一个更宽的频带上,其峰值频率是顺风向的3～4倍。     

大缩尺比气弹模型风洞试验紊流积分尺度修正

风洞试验气弹模型缩尺比常选为1/300~1/800以满足紊流积分尺度相似要求,但一些复杂结构气弹模型实际缩尺比为1/40~1/100以减少模型加工难度及提高模型精度。这类大几何缩尺比造成紊流积分尺度的相似性严重偏离,必须对紊流积分尺度不相似时的风洞试验结果偏差进行修正。基于随机振动理论,推导了考虑1阶基本振型的顺风向风振响应及风振系数计算表达式。通过对一格构式输电塔风振响应分析,研究了顺风向紊流积分尺度Lxu对该结构风振响应的影响。研究结果表明：紊流积分尺度对结构抖振响应有显著影响,对峰值响应及风振系数影响也较大。对于该塔1/40大缩尺气弹模型风洞试验,由紊流积分尺度不相似带来的风振系数试验值的最大偏差可达27%,风振系数平均偏差也接近14%,试验结果偏保守。为便于应用,建议了较为通用的、由紊流积分尺度不相似引起的修正系数,这一修正系数随着结构阻尼比、结构频率与风谱卓越频率的比值（频率比）的增加而减小。     

基于完全气动弹性模型的冷却塔风致响应风洞试验研究

风荷载是冷却塔设计的控制荷载,完全气动弹性模型风洞试验是研究其风致响应的有效途径。基于此,推导了冷却塔完全气动弹性模型相似关系并用有限元分析方法予以验证,据此相似关系设计并制作了某核电站200m高超大型冷却塔的1∶400完全气动弹性模型,并在风洞中模拟的B类风场对其风致响应进行测试,试验前对模型的动力特性进行检验。试验结果表明：完全气动弹性模型能较为精确模拟冷却塔结构的质量、刚度和阻尼相似;迎风面的风致变形较大,而其中又以喉部附近最大;背景响应占总响应的主导地位,动力放大效应不明显;风振系数值随高度的增加而减小,各控制点风振系数均值略小于DL/T 5339-2006《火力发电厂水工设计规范》规定值。     

The influence of the design methodology in the response of transmission towers to wind loading

From a theoretical approach, the design procedure for the establishment of wind loading on transmission towers was reviewed and current procedures, such as Davenport's gust response factor (GRF), were compared with the statistical method using influence lines (SIL), which is considered more realistic. This latter approach can account for unbalanced loading effects, shear and axial loads and the effects of higher modes of vibration in the calculation of the response factors. Several responses due to certain assumed transverse wind characteristics were calculated for some typical transmission towers. The main findings were: (a) Peak loads calculated using SIL were larger than peak loads given by the GRF. (b) The dynamic response of transmission structures is strongly dependent on the turbulence intensity level and its spectrum. (c) For members in which there is reversal in the forces on the load position, the resonant response in the second mode of vibration was bigger, even by four to five times, than the corresponding one in the first mode. Although this effect is not as severe in terms of resulting stresses when all the components are computed in the peak responses, it can lead to fatigue problems. From the current results it can be concluded that the incorporation of the dynamic properties of transmission structures in the design methodologies is needed and that the statistical method using influence lines is a more correct approach since it allows for the inclusion of a larger number of factors in the design methodology.     

新荷载规范下高耸结构风振系数计算探讨

由于新版建筑结构荷载规范对顺风向风振系数作出了较大修改,本文对高耸结构设计规范中的相应问题进行了研究。首先,总结了新荷载规范对顺风向风振系数的修改要点,比较了新的风振系数表达式与原表达式之间的异同,分析了新规范共振响应因子R、背景响应因子B_z与旧规范脉动增大系数ξ、脉动影响系数v之间的关系。其次,通过数值计算研究了新荷载规范下高耸结构风振系数相关参数取值所受到的影响。然后,探讨外形不规则的高耸结构风振系数的计算。最后,提出了与新荷载规范形式相协调的高耸结构风振系数表达式,编制了相应参数的计算表格,并通过实例计算和时程分析进行了验证。     

中信广场风场特性与结构响应实测研究

利用超声风速仪和加速度传感器现场实测了中信广场在台风"达维"的作用过程中的风场特性、建筑物表面风压以及加速度响应时程,分析了平均风速、平均风向的变化历程,以及纵向、横向和竖向风速谱特性和加速度响应谱特性。结果表明,中信广场顶部的风速谱与von Karman谱较为接近,通过现场实测的加速度响应谱得到中信广场的固有频率比有限元模型的计算结果大32%,分析认为由于非结构构件参与工作,增加了结构刚度以及结构没有满负荷工作,结构的实际质量小于有限元分析中的计算质量。     

国家体育场大跨度屋盖结构风振系数研究

迄今为止,大跨度屋盖结构的风振系数均为上吸风引起的风振效应,对于某些情况是不安全的。针对国家体育场大跨度屋盖结构自重效应较大的特点,本文提出了大跨度屋盖下压风振系数的定义与合理的取值范围,提出了背景响应和共振响应的振型能量参与系数的计算方法和振型选取方法,利用振型叠加法分析了国家体育场屋盖结构的随机风振响应及风振系数,为国家体育场屋盖结构风振系数的确定提供了科学依据。     

考虑脉动风影响的风电塔风致动力响应数值分析与现场监测比较

本文基于"风轮-机舱-塔体"三维仿真模型,进行风电塔在暴风荷载作用下的风致动力响应分析,并基于规范中的风荷载计算方法与动力分析方法对风电塔的应力、位移和内力进行计算分析,同时研究风电塔风轮受不利风向影响时的力学特性变化规律,并对风电塔在常规风荷载作用下的应力和位移进行现场监测比较研究。结果表明,基于规范计算的风电塔的应力、位移及内力要比动力分析的计算值偏小;脉动风时程激励下,风电塔的最大应力值低于结构的最小许用应力值,但结构顶部的水平位移超过结构的位移限值,在风电塔设计中应予以注意。风电塔受不利方向的暴风影响会产生很大的内力,塔底最大剪力和弯矩增大了91%和106%,在风电塔设计过程中应该重点考虑;基于常规风荷载作用下的应力和位移的数值仿真结果与监测结果吻合较好。