输电塔风振响应研究

本文基于Matlab采用Davenport风速谱对大气边界层的脉动风速进行了模拟,并通过一具体的工程实例,采用Ansys分析研究了不同风场湍流度和结构阻尼比对输电铁塔风振响应的影响,同时计算了结构的风振系数。计算结果表明,风场湍流度和结构阻尼比对输电塔的风振响应有不同程度的影响,计算时应考虑两者的综合效应;按我国规范计算的结构风振系数小于美日规范。     

台风与微地形综合影响下的500 kV输电铁塔倒塌分析

研究了台风“莫兰蒂”过境厦门时，500 kV漳泉Ⅱ路输电铁塔在风速、风向、微地形风速加速比三者共同作用下的受力状态与倒塌成因。基于历史气象数据和铁塔破坏形态，确定了最有可能导致铁塔倒塌的风速、风向输入条件；基于CFD仿真分析，确定了倒塔塔位处24个风向角下的风速加速比，分析了两个符合现场破坏形态的风向角下铁塔主材、斜材应力，明确了输电铁塔破坏形态同风速、风向和风速加速比的内在联系，指出了福建沿海高电压等级输电线路抗台风设计时，也应当综合考虑风速、风向以及山区微地形广泛存在的风速加速比的影响。     

通过模拟输电线EPS风荷载对规范进行评价

IEC 60826对长期荷载(EPS)作用下输电铁塔响应的某些不确定性做了规定,该文采用数值模拟方法对3D风荷载下规范预测的结构的动力响应进行了评价。评价过程中,为描述模型的不确定性,建模时考虑了多种脉动风速功率谱和相关函数。由动力特性分析得到的值与规范得到的值相吻合,估计误差为5%～10%。作者此前研究了铁塔和输电线模型不确定性的影响,该文对此进行了进一步的研究。     

500kV变电站联合构架风振响应特性研究

以华中地区某500 kV变电站联合构架为工程背景,探索全联合构架风致振动响应的计算方法,借助有限元分析软件ANSYS,以随机振动理论为依据,在频域内对500 kV联合变电构架进行风致振动响应计算和分析,获得了该联合构架在0°、45°和90°风向角的不同风速的风荷载作用下,具有不同阻尼比的构架在基准高度处的位移均值响应分布和脉动响应分布规律,计算并分析了不同风向的风荷载作用下不同阻尼比的构架的风振系数与基准高度平均风速的定量关系。     

偏转风场下方形截面超高层建筑风致响应与气弹效应研究

超高层建筑具有轻质高柔的特点,强风作用下其气弹效应明显;且水平风向角沿高度偏转,导致超高层建筑的风荷载和风致响应与不考虑风向偏转时有明显不同。为此,完成了风向偏转角为25°的偏转风场及其无偏等效风场下一方形截面千米级超高层建筑的气弹模型试验,基于试验所得的模型顶点加速度时程,结合Hilbert-Huang变换方法和改进的随机减量法识别了气动阻尼比,对比分析了风向角、折减风速和有无风向偏转对气动阻尼比、极值加速度、涡激共振临界风速和锁定区的影响规律,探究了偏转风作用下千米级超高层建筑的风致响应、气弹效应和涡激振动等特性。研究结果表明：风向角对气动阻尼比和极值加速度影响较大,会显著改变其变化规律和涡激共振临界风速;基于频域分析所得的涡激共振临界风速小于由气动阻尼比或极值加速度确定的涡激共振临界风速,表明后者所反映的涡激共振特性具有滞后性,将导致结构不安全;相比无偏等效风作用,偏转风作用下水平向气动阻尼比较大,结构的顶点极值加速度较小,角部极值加速度的最大降幅可达38.3%。     

山地风场特性及其对输电线路风偏响应的影响

山地风场的复杂性和显著的三维特性是困扰山区输电线路抗风设计的关键问题。该研究采用CFD数值模拟与风洞试验相结合的方法研究典型单山脉地形和双山脉峡谷型地形的三维平均风场和脉动风场特征。由于风洞试验测点数及试验风速的限制，输电线路沿线各点的三维平均风场基于CFD数值模拟得到。由风洞试验获取山脉地形的湍流度、湍流积分尺度、沿线路方向的衰减系数等脉动风场参数，在此基础上采用POD法重构生成输电线路沿线各点的三维脉动风速时程，并分析比较跨越峡谷、山脊的输电线路沿线风场特征。建立连续三跨输电线路有限元模型，采用时域法研究山地风场特性对输电线路风偏响应的影响。研究结果表明：山顶、峡谷处风速显著增大，且气流爬坡将导致局部位置产生上升气流；由于近地风场加速效应的影响，沿山脊布置的输电线路全档风偏响应增幅较大，跨峡谷输电线路其爬坡段风偏响应增幅较大；上升气流主要使导线竖向风偏位移增大；山地地貌下考虑脉动风速的影响，绝缘子串风偏角风振系数宜取1.2~1.3。该研究为完善山区输电线路的抗风偏设计提供借鉴。     

不同风向角下多层冷弯薄壁型钢结构风致响应数值模拟

国内对冷弯薄壁型钢结构风载特性研究已有部分成果,但是风致响应研究较少,特别是不同风向角下多层冷弯薄壁型钢结构的风致响应研究。本文基于AR法原理,在MATLAB中模拟脉动风速时程,通过转化生成结构各高度处的风压时程,并在ANSYS中建立多层冷弯薄壁型钢结构有限元模型,计算不同风向角下多层冷弯薄壁型钢结构的风致动力响应,得到结构顶层的位移、加速度时程,并进行分析。结果表明:1通过模态分析和功率谱对比验证了建模及模拟风速时程的正确性;2五个风向的最大层间位移均满足规范限值,22.5°、45°、67.5°三个风向角的位移响应依次增大,最大位移出现在90°风向角;3在修建冷弯薄壁型钢结构时,应考虑风向带来的影响,据此进行合理布局。     

输电线路塔-线耦联体覆冰不平衡张力特性分析

不平衡张力是造成高压架空输电线路事故发生的一个重要原因,为了对比分析在覆冰-风组合工况下,塔-线耦联体系在静态和动态荷载下的不平衡张力响应,以江西某220kV输电线路为背景,在ANSYS有限元开发环境下,建立三基塔两回线塔-线耦联体系有限元模型。基于Davenport脉动风速功率谱,考虑江西当地气象条件,模拟生成风速时程,在风速时程作用下,分别以风向角、覆冰厚度和风速为变量,对耦联体系进行覆冰-风组合工况下不平衡张力的动力响应分析,并将该结果与静力响应计算结果进行对比。分析发现,动态荷载对于铁塔的不平衡张力具有显著的放大效应,与静态相比最大增幅高达19. 3%。这说明现有的设计规范在进行设计时只考虑静态荷载是具有局限性的,其结果偏向保守,有待进一步改进或增加设计裕度。     

正六边形超高层建筑横风向气弹效应研究

为研究正六边形超高层建筑横风向风致响应和气动阻尼比,开展了一系列多自由度气弹模型风洞试验。测量模型顶部风致位移和加速度响应,基于随机减量法识别了横风向气动阻尼比。结果表明,在顶角迎风时,正六边形超高层建筑易于出现大幅涡振现象,在立面迎风时没有出现涡振现象。顶角迎风时,横风向气动阻尼比随折算风速增大呈现出“先增大到最大正值、再迅速转为最小负值,再平稳回升到零值附近”完整过程。而立面迎风时,横风向气动阻尼比与折算风速近似呈线性关系。最后,建立横风向气动阻尼比的经验评估公式。相关研究可为正六边形超高层建筑的抗风设计和规范完善提供参考。     

深圳京基金融中心横风向气动阻尼试验研究

针对439 m的深圳京基金融中心（KFT）工程,采用气动弹性模型技术研究其横风向气动阻尼特性。根据工程地址的100 a重现期风速、缩尺比例以及前期刚体模型同步测压所得到结构风敏感风向（东西向）的广义力功率谱密度特征确定气弹模型试验的风速范围,通过风洞试验获取不同风速下气动弹性模型敏感风向的顶部加速度响应数据,应用随机减量技术计算分析横风向气动阻尼随折算风速的变化规律,试验考虑结构模态阻尼对气动阻尼的影响。结果表明：在折算风速为4~14的范围内,结构气动阻尼值均大于0且随风速的增大而增大,上游地王大厦(DWT)的干扰效应对气动阻尼未产生不利影响,KFT的基本频率和DWT脱落在尾流中的漩涡频率一致的100 a重现期风速时的气动阻尼比为1.25%,表明前期采用刚性模型试验对KFT进行抗风设计时,不考虑气动阻尼影响计算得到的结构风致荷载和风致响应偏于保守和安全。     

大跨索穹顶屋盖结构风洞试验及敏感风速研究

大跨索穹顶屋盖结构频率密集,其风振动力响应复杂,不同风速下脉动风响应对大跨索屋盖结构的风敏感性影响一直是当前风工程研究的热议难题。针对大跨索穹顶屋盖结构,设计制作了缩尺比为1∶250的试验模型,在B类地貌下开展了36组风洞测压试验,研究了全风向角下大跨索穹顶屋盖结构的风压峰值分布规律和典型不利风向角,最后基于风洞试验数据,探究了索穹顶屋盖在不同风速等级下的风振敏感性。结果表明：索穹顶屋盖主要以承载负风压为主;屋面以承载Z向负风振位移响应为主,呈现中心区域向周边下降的变化规律;屋面Z向风振位移响应随风速增大而递增,平均风响应随风速增大呈线性递增;部分风速等级下索穹顶屋盖的脉动风位移响应和总极值位移响应敏感,且风振系数较大;结构屋面响应最大点处风压系数时程傅里叶变换幅值在结构前10阶部分频段为峰值,表明索穹顶屋盖结构存在敏感风速范围,其脉动风响应显著,且与结构模态自振特性密切相关,抗风设计时应找出敏感风速范围,并对响应显著区域加强抗风设计。     

±1100kV特高压长悬臂输电铁塔风振特性研究

1100 kV长悬臂输电塔结构第一振型为扭转振型,结构的力学特征与传统输电铁塔有较大差异,其风致响应和风振系数具有研究意义。在论证DL/T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》忽略结构物外形、质量沿高度突变的影响,未能准确反映整塔风振系数的基础上,基于MATLAB采用线性滤波法中的自回归法对大气边界层的脉动风速进行了模拟,利用ABAQUS软件对该输电塔进行动力时程分析。根据结构的动力响应,计算输电塔结构塔身和横担部分的风振系数,并进行安全性验证。经分析可知:风振系数沿高度呈线性分布,但在横担附近存在较大突变,且沿长悬臂方向变化幅度不大。     

±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。     

凉都体育场屋盖平均风压与风振系数研究

结合凉都体育场的建筑造型和周围环境,采用Realizablek-ε湍流模型对屋盖的平均风压进行了数值模拟,得到屋盖的平均风压分布.利用MATLAB编制了线性滤波器的自回归法(AR法)的脉动风速时程模拟程序,模拟了屋盖节点的脉动风速时程;并结合屋盖的平均风压和脉动风速时程数值模拟结果,编制了时域法风振效应分析程序,分析了牛角形屋盖的风致响应规律,得出了屋盖的位移风振系数.研究了屋面荷载、平均风速、结构阻尼比等参数对牛角形屋盖风振系数的影响,得出一定偏差范围内可忽略上述参数取值偏差对牛角形屋盖风振响应影响的结论.     

基于时域的超高层建筑横风向风振模拟及分析

对于某些超高层建筑,其横风向风振响应甚至超过顺风向而成为结构设计的控制性因素。为研究横风向风振响应的时程特性及变化规律,基于横风向脉动力谱,考虑风力的竖向相干性,通过谐波合成法模拟横风力时程,在时域内求解分析某超高层钢筋混凝土建筑横风向的风振响应。分析时考虑地貌、来流风速以及结构基频的变化,探讨各因素对风振响应的影响规律,为超高层建筑的抗风设计提供参考依据。     

±1100 kV特高压直流输电线铁塔风致响应及风振系数研究

塔身高、横担超长及刚度不均匀是±1 100 k V特高压直流输电线铁塔的显著特征,与普通高压输电塔相比,其"头重脚轻"现象更为严重,风荷载的作用效应及风振响应更加复杂。通过运用Davenport风速功率谱模拟大气边界层的脉动风速,并考虑风荷载的空间相关特性,模拟分析B类场地43 m/s基本风速下该输电塔的风荷载时程;开展该铁塔风致响应的数值分析,研究其风振特点、顺风向风振系数计算方法及沿高度变化规律。基于风振响应分析可知:±1 100 k V特高压铁塔的风振系数沿高度并呈成线性分布,即在横担附近存在较大突变,与现有计算理论不相符;由于风振系数相关规范值忽略结构物外形、质量沿高度不均匀变化的影响,未能准确反映整塔风振系数沿高度的变化规律,且偏于不安全。     

长宽比2∶1矩形截面高层建筑全风向气动阻尼试验研究

由于高层建筑阻尼小、频率低,易在风荷载作用下发生明显的气动弹性效应,出现不可忽略的气动负阻尼比。为此,考虑高层建筑的一阶线性弯曲模态,制作了长宽比2∶1的矩形截面高层建筑的单自由度气动弹性模型,模型比例1/600。进行了全风向下气弹模型风洞试验,每个风向测量了10个试验风速下的建筑顶部加速度响应,并采用随机减量方法,对矩形截面高层建筑气动阻尼比进行识别。研究结果表明:对于长宽比2∶1的矩形截面高层建筑,强轴方向的风致加速度响应远大于弱轴方向;两个主轴方向的顺风向气动阻尼比均为正值,但强轴方向的横风向气动阻尼比为负值,无量纲临界风速约为5.5;仅采用横风向气动阻尼比结果,可以很好地反映全风向的气动阻尼特性。     

输电塔风致响应数值模拟研究进展

输电塔是输电线路中重要的承重设施,其结构安全性直接关系到国家电网和输电线路的正常运行。目前针对输电塔风致响应主要通过现场实测、风洞试验和数值模拟等方法进行研究。随着计算机技术和数值方法的发展,对输电塔风致响应特征进行数值模拟分析开始被广泛应用并取得了大量研究成果。相关的数值模拟研究先通过建立对应的风荷载模型和结构模型,然后以有限元方法分析结构动力响应特征和研究对应的风振控制方法,因此从风荷载模型、结构模型、动力响应特征和风振控制研究等方面总结输电塔风致响应数值模拟研究进展。近地面风场的平均风和脉动风模型是构建结构风荷载的基础。针对平均风主要采用指数型和对数型风速剖面模型,而脉动风则主要根据相关的脉动风谱进行模拟。在不同极端气象条件下,风场表现出不同于良态风的风场特征,对应的平均风和脉动风模型需要进一步根据实际情况研究。构建输电塔风荷载还需要结合相关的结构参数,其中塔体结构整体挡风效应以及塔体构件之间的遮挡效应可通过流场模拟进行分析研究。对输电塔塔体结构建立有限元模型时,通常可将之视为刚架结构和桁梁混合结构,而利用桁架结构进行模拟的误差较大。输电塔所承受的荷载除了风荷载等外部环境荷载外,还应考虑输电线对塔体结构作用带来的影响,因此需建立塔线耦合体系对实际输电线路中塔体结构特征进行模拟。在构建塔线体系有限元模型过程中,可结合悬链线理论和导线水平张力对导线进行建模和找形。基于风荷载模型和结构模型可进行塔体风致响应分析,结构动力特征会对风致响应产生重要的影响,其中导线对塔体的作用使得整体体系的结构动力特征更加复杂。对于不同来流风向条件下输电塔的风荷载,我国相关规范有对应的计算系数和分配系数,而在塔线耦合体系中,风向对塔体结构风致响应的影响更显著。根据是否需要外界能量输入,结构风振控制分为主动控制、被动控制和混合控制。迄今为止,被动控制特别是调谐质量阻尼器仍然是对输电塔风振控制的主要方法,其中阻尼器的自振频率应与塔体自振频率保持一致,风振控制效果才能达到最佳,但是塔线耦合作用使得风振控制的优化更为复杂。此外,还对未来可能的研究方向进行了展望,进一步研究特殊天气风场特征、开发更可靠的有限元建模方法、深入研究塔体扭转向及沿线向响应特征、优化TMD设计参数和布置方案等都应是未来重要的研究方向。     

新疆东部地区750 kV输电塔疲劳寿命分析

为研究大风区输电塔疲劳性能,完善输电塔的设计并为其提供指导,本文在研究了新疆东部吐鲁番—哈密输电线路沿线的风荷载特性后,选取其中十三间房地区的风速为计算风速,统计了该地区平均风速的分布,然后利用自回归线性滤波法结合Davenport风速谱编写了脉动风速模拟程序,得到该地区的脉动风速,再结合平均风速生成风荷载,并以此对该地区750 kV 7A5-ZB1型直线塔进行了风振响应分析。最后利用Miner线性累积损伤理论结合材料的S-N曲线建立了一套完整的实际风荷载作用下的输电塔疲劳寿命的计算方法,并按该方法计算了该输电塔的疲劳寿命。结果表明:该大风区输电铁塔在设计基准期内(50年)虽未发生疲劳破坏,但疲劳寿命与设计基准期十分接近。因此,建议在大风区域的输电线路杆塔设计中校验其疲劳寿命。     

雷暴冲击风激励下大跨张弦桁架的振动响应分析

本文针对大跨张弦梁桁架在雷暴冲击风激励下的振动响应进行研究,为实际工程结构的抗风设计提供依据。采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。以某火车站大跨张弦桁架雨棚结构建立基准分析模型,利用时域分析方法研究不同雷暴冲击风场参数(最大风速半径,风暴移动速度,风向角)对张弦桁架位移、加速度和拉索索力等结构风振响应的影响。结果表明:在风荷载时程两个峰值位置,桁架位移达到峰值,加速度波动尤为剧烈,拉索轴力显著减小,其中,90°为拉索最不利风向角。针对雷暴冲击风中平均风速和脉动风速响应均随时间变化的特性,研究了大跨张弦桁架结构的整体风振系数计算方法,结果表明:张弦桁架除支座外各点位置对节点整体位移风振系数的影响较小,可采取统一的结构整体位移风振系数并引入安全系数对结构进行设计。