输电塔的风振系数计算与程序设计

《输电塔的风振系数计算与程序设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

输电塔的风振系数计算与程序设计第27卷第3期2010年6月特种结构Vo1.27No.3June2010输电塔的风振系数计算与程序设计邓洪洲司瑞娟吴昀2(1.同济大学建筑工程系上海200092;2.福建省电力勘测设计院福州350003)(1.DepartmentofBuildingEngineering,TongiiUniversity,Shanghai200092,China;2.FujianElectronicPowerSurveyandDesignInstitute,Fuzhou350003,China)[摘要]通过基于随机振动理论对输电高塔风振系数计算的研究,针对现行规范中输电高塔风振系数计算存在的问题,编制了风振系数计算程序.以1000kV特高压线路SZT2直线塔为工程背景,将时程计算所得的风振系数值与中国电力工程顾问集团公司建议的风振系数取值和编制的风振系数计算程序得出的风振系数值进行了对比分析,验证了自编风振系数计算程序的准确性,得出了适于输电高塔结构的风振系数计算方法,可为实际工程设计提供参考.[关键词]输电塔风振系数风振响应程序设计 ABSTRACT:BasedonthestudiesOnmethodsofwind-inducedvibrationcoefficientcalculation,aprogramwascom-posedforcalculatingwind-inducedvibrationcoefficient.zprogramcansz{overcolnetheshortagesinpresentrulesandcodesUnderthebackgroundoftheprojectsuspensiontowersZT2apcircuitartoflooOkVUHVdouble—transmissionline,inthepaper,thecoeffwientscalculatedtimehistoryanalysismethodwerecomparedwiththeval—liessuggestedbyChinaPowerEngineeringConsultingGroupCorporation,andwith1)aluescalculatedbytheprogramaswel1.ThustheaccuracyoftheprogramWasd,andaqualifiedmethodWasobtainedforcalculatingwind-in-dacedvibrationcoefficientoftransmissiontowersinourpracticaldesigns.KEyWoRDS:TransmissiontowerWind-indacedvibrationeoeffwientWind.inducedresponseProgramdesign在特高压电网中,由于导地线电压等级升高,档距增大,结构的风振响应将更加明显.特高压线路中的输电塔普遍高于60m(多在100m以上),且横担长度增大,致使塔身的质量分布十分不均,现行的行业设计规定明显滞后于实际工程的发展.特别是,输电塔风振系数的取值成为亟待解决的首要问题之一l_1J.为解决现行规范中输电高塔风振系数计算存在的问题,高耸结构课题组编制了风振系数计算程序. 本文以淮南至上海loo0kV交流特高压输电线路中的SZT2直线塔为工程背景,对输电高塔的风振系数进行研究,根据数值模拟风振响应时程分析计算出输电塔的风振系数,验证风振系数计算程序的准确性,并将时程计算的结果与中国电力工程顾问集团公司建议的风振系数取值和编制的风振系数计算程序得出的风振系数值进行了综合的对比分析,得出了适于输电高塔结构的风振系数计算方法,可为实际的工程设计提供参考.————1风振系数计算的主要方法输电塔高塔风振系数的取值方法大致可以分为四类,即规范规定法,时域分析法,风洞试验法和数值风洞法.规范法是指按照规范l2_2,根据结构的基本特征尺寸和周期等基本参数查表得到相应的风振系数值.对于特高压线路中的输电高塔来讲,质量和外形沿高度不规则,很难找到统一的规律性,规范表格或规定无法包括这类结构的风荷载计算.时程分析法是以随机振动理论为基础,将风速时程转换为输电塔架的结点力,通过对时程计算得到结构的动力响应进行统计分析,从而得出结构的风振系数…1.该法可以更精确地反映结构的风振情况,可对各种条件的风进行模拟计算,是检验 结构设计中风振系数取值正确性和合理性的有效途径.对于重要,复杂的结构,风洞试验是得到准确风荷载参数的一种方法.但该方法花费大,耗时久且存在一定的不确定性,风洞试验的结果仍蜘峨嘲黎N..32010邓洪洲等:输电塔的风振系数计算与程序设计需进一步的处理而不能直接应用于工程实际.数值风洞法则是基于计算流体力学,运用计算机数值模拟结构周围的风场而对结构进行求解的技术.对输电塔风振系数的计算,模拟中还须考虑流体与结构的耦合作用,对计算机也有很高的要求,目前工程实用还有困难.相对而言,规范法和时程分析法是目前较为经济实用的算法.因此,针对规范法计算风振系数中存在的问题,结合输电高塔本身的结构特性,用时程分析法的计算结果为检验依据,课题组编制了便于设计应用的风振系数计算程序.2风振系数计算程序的设计《架空送电线路杆塔结构技术规定》中规定[3]:对杆塔本身,当全高不超过60m时,全高采用一个系数;当杆塔全高超过60m时,应按现行国家规范《建筑结构荷载规范》采用由下到上逐段增大的数值,但其加权平均值对自立式铁塔不应小于1.6.《建筑结构荷载规范》中关于风振系数 的计算推导中并没有专门考虑到输电线路杆塔结构在横担处挡风面积和质量的突变.因此,根据该规范查得的脉动增大系数?及脉动影响系数,对于输电塔结构来说是有不合理因素存在的.对于横担处质量突变的考虑缺失可能会导致结构计算偏于不安全.针对当前输电高塔风振系数计算中存在的问题,考虑结构的第1振型并计入输电塔结构横担处质量的突变情况,本课题组编制了输电塔风振系数计算程序.从结构风振随机振动理论出发,根据风振系数的原始计算公式l4J:PiPi::1+竺(1)P—s一s0AlrS0r2,,u’推导l5J得:=1+1”1rli_1+.砰而Mi~1i(2)?}由式(2)可以知道,只要取得结构第1自振周期rr1,基本风压Wo,集团质量Mi,集团挡风面积Ai,第1振型系数夺li,体型系数.i,高度系数i的值,sPEc呲sI’RUcl’uRESNo.32o10就可以分别求出脉动增大系数,脉动影响系数U,脉动补充系数rl,进而求得风振系数pzi的值.本课题组编制的风振系数程序能够十分方便 地从输电塔设计软件,ITrA的计算结果文件中读取所需的基本信息.其中,地面粗糙度,铁塔风压计算分段数,塔身分段的质量,体型系数及挡风面积等主要参数为直接读取;基本风压为手动输入;而结构第1自振周期T1及振型系数可在计算1A软件中,通过对塔顶作用一单位力后,对塔身节点位移和节点力计算求得,亦可直接输入有限元计算所得的周期和振型值进行计算.取得所有系数后,程序根据式(2)便可直接计算出塔架的风振系数.该程序以TrA程序为基础,主要流程见图1信息文件:(1)TTA计算数据文件FILE1,及其结果文件FILEi.WIN(2)TTA计算单位力工况计算文件FILE2,及其结果文件FILE2.DIS,FILE2.LOD(3)信息读入文件TT.BAT,BZ.BATJ从文件FILEI中读入电压等级,地面粗糙度类型及塔身分段信息(包括分段类型,对称信息,塔身正面风压增大系数,塔身侧面风压增大系数和自重增大系数)J从文件FILE1.WIN中读入每个塔身段的质量,挡风面积,高度及高度系数,组成塔架结构的集团质量体系模型I 运行子程序SUBTT,计算塔架结构的第1自振周期和振型1分别计算脉动增大系数,脉动影响系数及脉动补充系数l计算各个分段的风振系数值及风振系数按高度的加权平蓝图1输电塔风振系数计算程序流程该程序可用于角钢塔,钢管塔以及钢管角钢混合塔等各种回路的塔型,同时对3O度,45度及60度风工况的风振系数也能进行计算.3工程算例及程序验证以lO00kV交流特高压双回路输电直线塔SZ12为例进行计算,该塔,高105.4m,根开19.612m,塔头宽度4.2m,见图2.通过对风振系数计算程序计算值,时程分析计算的风振系数值和中电顾问公司给出的风振系数建议值进行综合的对比分析,来检验一5一特种结构2010年第3期课题组编制的风振系数计算程序的可行性和正确性.3.1时程法计算风振系数及程序验证时程分析法可以较为准确地反映结构的风振情况.根据模拟风荷载下结构的时程响应结果对SZT2的风振系数进行了计算,主要处理过程及相 应的计算结果如下.基于Matlab,采用线性滤波法中的自回归(Auto.Regressive,AR)模型对风荷载进行模拟,风速谱采用Davenport谱,自相关函数采用Shiotami布置立面(单位:m)行风振响应分析.故本文的时程计算中取20%的湍流度和0.02的结构阻尼比.图3为模拟所得的塔顶高度处的风速时程曲线及风速谱.可以看出,模拟所得的风速谱与Davenport谱吻合良好,平均风速与理论值一致.脉动风速为零均值平稳高斯过程,在10m高度处其均方差为5.457,对应的湍流度为20.4%,基本符合目标值20%.因此,可以认为模拟所得的脉动风速谱能够模拟真实风场.将模拟的风速时程转化为输电塔模型上的结点力,通过在时问域内直接求解运动微分方程求得结构的响应l,图4给出了SZT2塔上导线横担高度处塔身位移及加速度时程曲线.在已经进行风振时程响应分析的基础上,风振系数直接根据其定义进行计算,其中峰值保证因子取2.2.SZT2塔时程计算求得的最终的风振系数值情况见图4.沿塔身高度,风振系数加权——6—— 值西:?l3ihi/?hi=1.433,由于该结果为风荷载的动力时程分析计算所得,其值代表风振动力的实际情况,故不对其加权值进行调整.此外,图5中也给出了自编风振系数计算程序和荷载规范的计算结果(加权值调整到1.6).-区N4时问(S)频率(rtz)图3塔顶高度处的模拟风速时程曲线及风速谱O0000O6No.32010邓洪洲等:输电塔的风振系数计算与程序设计风振系数值.结果证明,简单地按荷载规范的方法来确定输电高塔的风振系数值是不合理的.值得注意的是,自编风振系数计算程序得出的风振系数和时程分析求得的风振系数沿高度的变化规律一致,H.在横担高度处两者的结果十分 接近,而在塔身部分则略高于时程计算的结果,是偏于安全的.总体来看,课题组编制的风振系数计算程序可以很好地反映时程分析计算的结果,计算是安全,准确和便捷的.编制的该风振系数计算程序已用于近百座各种回路铁塔及大跨越塔的风振系数计算.3.2各算法风振系数的对比分析1.不同算法计算的风振系数值对比按照中电顾问公司给出的风振系数值,自编的风振系数计算程序以及有限元时程分析结果计算得到风振系数沿高度变化的曲线见图6.I曷反(m)图6各计算方法风振系数值比较相对而言,风振系数计算程序计算得出的风振系数在横担处特别是中横担及下横担处最为接近时程分析曲线.上,中横担处比时程分析计算结果大11.96%,2.30%,下横担处略微较小,比时程分析结果小3.38%.中电顾问公司的建议值在塔身部分相对最为靠近时程分析得出的曲线,不过其横担处风振系数值在3条曲线中最大,上,中,下横担处的值比时程分析结果分别大10.89%,21.47%和25.62%.2.各算法风振系数对主材内力的影响 利用输电塔设计软件1TrA对4种风振系数下的塔身主材内力分别进行了计算(计算时不计导地线荷载,而只考虑受风荷载影响的情况),计算SPECIAI湘{}(nIR董No.32O10结果见图7.图8给出丫同风振系数取值时塔身主材内力与时程计算结果的差值百分比.通过比较可以发现,按照中电顺问公司风振系数值计算出的主材内力除中横担高度以_J-主材内力比风振系数计算程序的结果稍小外,总体卜要比其它3种算法的结果大,在结构中F部位内力值差距表现尤为明显.其在塔底处的主材内力值要比按时程分析法计算出的内力大12.6%.而根据《建筑结构荷载规范》计算得出的主材内力则是4种方法中最小的,由本课题组编制的风振系数计算程序得出的内力值与时程分析结果得出的内力值最为接近,且将其内力值完全包络.4,,332长2至1l 高度(m)图7塔身主材内力比较分比图8塔身主材内力差值百分比根据中电顾问公司风振系数值计算的主材内力明显偏大,原主要在于横担处风振系数取值过大.虽然其塔身部分风振系数曲线与时程分析计算结果最为接近,甚至小于相应高度处风振系数计算程序的计算结果和《建筑结构倚载规范》的风振系数值,但是由于处于塔架高处的横担对塔底产生的弯矩具有明显的贡献和影响,主材内力对于横担处风振系数值的变化会显得十分敏感.《建筑结构荷载规范》计算得出的主材1人J力明显偏小的原因就是由于其风振系数计算办法在横担处的计算值偏小所导致.(下转第120页)——1——特种结构2010年第3期计要求,但缺点是投入大,而且由于模板自重大,不易操作施工.在蚌埠杨台子污水厂V型滤池施工中,则采用了钢模结合模板,即用角钢焊接成埋螺栓a.单格滤池预埋螺栓定位控制平面示意图6 钢框架作为模板加固肋,面层用高强竹胶模板,使用效果很好,模板大样见图5.3.预埋螺栓位置控制.5001000J000X4500’...I呙LL40x4…开12孔\开由16孔@1000b.定位角钢大样?预埋螺栓定位样架示意架上,通过样架调整螺栓的位置和高度,见图6.3结束语1.给排水工程中的V型滤池结构复杂,施工分段多,为保证施工质量,必须采取严格的技术措施,精益求精,抓住质量控制的几个关键环节,才能取得良好的质量效果,满足设计要求.2.滤板制作安装质量是滤池施工的核心,通预埋螺栓位置控制的要点有:一是平面位置要准确,二是预留高度要合适,两个条件,缺一不可.为满足严格的精度要求,可采用样架控制法,即在定位角钢上根据螺栓设计间距位置画样打眼,施工中将预埋螺栓固定在样 过实践可知,只要做好模具设计制作,施工现场即可直接进行滤板预制,并不需要专业厂家生产提供,可大大降低工程成本.参考文献[1]钟淳昌主编.净水厂设计.中国建筑工业出版社,1986年8月[2]孙连溪主编.实用给排水工程施工手册中国建筑工业出版社,1998年7月(上接第7页)本课题组编制的风振系数计算程序得出的主材内力沿高度分布情况比较合理.该程序计算的风振系数在横担部分与时程分析结果比较吻合,塔身部分风振系数比时程分析结果偏大.利用该程序计算出的主材内力分布曲线能够全部包络住时程分析计算得出的内力曲线,且塔身中下部偏差较小.3.风振系数对塔重的影响在铁塔的根开及其它所有控制尺寸均保持不变的情况下,对各风振系数取值时的铁塔重新进行选材及优化,结果表明根据中电顾问公司风振系数值计算得出的塔重比按时程分析计算值时重2.918t,占整塔重量的2.6%.而根据风振系数计算程序得到的塔重则与时程结果算得的塔重相接近,仅差0.4%.4结论在对现行风振系数的计算方法及规范关于输 电高塔风振系数计算中存在的问题进行分析研究的基础上,编制了风振系数计算程序,并用风振响应时程计算出的风振系数对程序进行验证.通过输电高塔风振系数的计算与比较,得出以下结论.1.输电塔结构在横担处存在质量和挡风面积的突变,故塔身风振系数在横担位置有突变.一120一对输电塔按照模拟风速谱进行时程分析计算后,计算得到的输电塔风振系数值沿高度的变化,验证了横担位置的突变情况.2.中电顾问公司根据以往输电塔的设计经验及数据所给出的风振系数值,虽然大体反映了输电塔结构沿高度风振系数分布的规律,但是在横担处的估算值偏大.3.风振系数计算程序得出的风振系数值与输电塔实际风振系数的分布规律有较好的吻合性,且在输电线路计算过程中既对主材内力计算留有一定安全系数,又不致于主材设计规格过分偏大造成浪费,在输电塔设计中具有较好的经济性,是一种适于设计应用的风振系数计算方法.参考文献[1]邓洪洲,司瑞娟.特高压大跨越输电塔动力特性和风振响应分析[.建筑科学与工程学报,2008,25(4):23—30 [2]国家标准.建筑结构荷载规范(GB50009—2001)[S].2001[3]行业标准.架空送电线路杆塔结构技术规定(DL/T5154—20o2)[4]张相庭.结构顺风向风振的规范表达式及有关问题的分析[J].建筑结构,20O4,34(7):33—35,21[5]吴昀.输电高塔风振系数研究.硕士学位论文.上海:同济大学,2007[6]邓洪洲,张永飞.输电塔风振响应研究[J].特种结构,2008,25(2):9—13[7]钱锡汇.输电钢管塔风振响应理论及实验研究.硕士学位论文.匕海:同济大学,2009EQAL:srRUcrUREsN0.32olO