输电塔的风振控制-研究

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1研究的目的及意义在我国经济连续高速增长的同时，能源问题日益成为经济与稳定持续发展的瓶颈。为了适应国民经济持续发展的需要，国家电网公司规划建设交流1000kV特高压电网，突破局部区域电力自我平衡的束缚，在更大范围内优化配置电力资源，以促进大煤电基地、大水电基地、大核电基地的集约化开发，实现我国有限能源资源的高效利用和开发。特高压交流电网被喻为电力输送的高速公路，1000kV级特高压输电线路是迄今为止世界上最高电压的交流输电线路，目前世界上仅俄罗斯和日本拥有1000kV特

2、高压交流电网，但均为短距离输电，在我国还是空白。我国规划拟建的特高压交流电网，属长距离大容量输电，具有输电效率高、损耗低的优点。特超高压工程是我国“十一五”期间最重大的工程之一，举世注目。它的建设对我国经济的持续发展将产生重大作用，不容任何闪失。其中输电塔结构作为特高压输电线路的支撑体，一旦破坏会导致整个供电系统的瘫痪，不仅严重影响人们生产建设、生活秩序，关系到国际名声，而且还会产生火灾等次生灾害，给社会和人民的生命财产造成严重的后果。输电塔是一种高耸高柔性结构，对动荷载，尤其是风荷载比较敏感，易产生较

3、大的静位移和动力响应。在我国，输电塔系统的破坏情况比较严重，输电塔被风吹倒之事，几乎每年都有发生。因此对输电塔进行风振控制研究成为电力工程与土木工程界的一个重要研究课题，它既有其重要的理论意义，又有其重要的经济价值。本课题以晋东南-南阳-荆门1000kV输电线路工程为研究背景，结合工程的特点，通过三维有限元仿真和风速场的数值模拟，研究了输电塔的动力特性、风致相应、提出了相关的减振措施，可作为我国特高压输电塔的建设和安全运营的技术参考。1.2输电塔的风振响应输电铁塔在输电工程中处于极其重要的地位。风荷载是

4、铁塔的主要荷载，结构1华中科技大学硕士学位论文应力的80%-90%是风荷载引起的，特别是在强台风地区，大风暴对结构的不利影响以及由于风速脉动而产生的风振效应显得尤为突出，动力风效应分析的正确性和精度将关系到高耸结构设计的合理和安全。其中动力风荷载的获取需要通过理论分析和实验的方法，根据风特性、结构自振特性以及风和结构相互作用的气动性能等三方面的参数才能加以确定。风对输电塔的作用由于风这种自然现象的不确定性及各构件间的构造关系、构件本身的力学特性的多样性而显得异常复杂。1961年，Davenport首先将

5、统计学的概念应用于工程结构的风荷载上，并以统计学理论为基础，得到了典型的风速谱曲线。Davenport谱被包括我国在内的许多规范使用，比较常用的顺风向脉动风速谱还有Kaimal谱、Simiu谱等。瞬时风速一般可分为平均风速和脉动风速，风对建筑结构的作用也表现为顺风向的平均风荷载和脉动风荷载，以及横风向由旋涡脱落引起的干扰力。所以高耸结构上的风荷载应包括静力风效应和动力风效应。高耸格构式塔架结构的风振理论分析方面，大部分的研究集中在顺风向的抖振分析上，主要的分析方法有基于脉动风速谱在频域中的随机分析和时域

6、中的时程分析。从实用角度看，频域方法比较直接；时域分析虽然计算量较大，但比较直观，不必在结构抗风分析中作结构的数学模型简化等大量工作，可以考虑结构的非线性和疲劳问题。在我国规范的风振系数法中，为方便起见，将结构的动态作用以等效静态放大系数，即风振系数的方法与静态作用一并考虑。由于高耸结构的特点是高和柔，除考虑结构的风激强迫振动外，还应注意因结构本身振动而引起的风相对于建筑物的速度方向和大小的改变，及由此而产生的空气动力阻尼引起的结构自激振动。当空气动力阻尼为负值，并抵消了结构本身的阻尼力时，由于结构振动

7、产生负阻尼，结构自激振动的振幅可能会不断增加(即负衰减)，直至动力失稳，故必须警惕高耸结构出现自激振动，尤其是驰振的出现。1.1输电塔体系风振控制研究现状结构控制的思想，最早起源于上个世纪50年代，当时前苏联在一个100米高的钢2华中科技大学硕士学位论文结构电视塔上安装了4个摆锤，在一个80米高的钢烟囱上安装了8个摆锤，收到了较好的减振效果[1]。1972年，T.P.Ya基于古典和现代控制理论首次提出了结构控制的概念。他指出：应用结构控制系统是解决结构工程安全性问题的一个可替代的办法。为结构控制理论在土

8、木工程中的应用指出了光明的前景。近二十多年来，结构控制已发展成一门新兴的交叉学科，许多学者在结构控制的方式、计算理论及试验研究方面进行了大量的工作，使结构控制理论得到了长足的发展，尤其在实际应用中更是取得了令人瞩目的成果。在结构控制的研究中，目前美国和日本处于领先地位。有着雄厚的经济实力及良好的科研条件作为基础，美国在结构控制理论和试验研究方面做了大量的工作。日本是一个多强风多地震的国家，他们在结构控制方面进行了不少研究，特别在结构控制的工