基于时域分析法气动阻尼对柔性结构风振系数响应的影响分析

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1、2014年1月第1期城市道桥与防洪科技研究113基于时域分析法气动阻尼对柔性结构风振系数响应的影响分析于永帅，王文欣(天津市市政工程设计研究院，天津市3~051)摘要：大跨度桥梁、高层建筑结构、大跨越输电塔线等柔性建筑结构越来越多地出现在国家基础设施建设中。这些土木工程结构共同特点就是结构柔度大，对风荷载敏感性强，静风变形和脉动风荷载下的随机振动响应比较复杂。气动阻尼等气动力参数对结构响应影响较大，研究和讨论结构气动阻尼，对结构风荷载模型的建立及合理化设计结构荷载有着非常重要的工程意义。以大跨度

2、柔性输电线路一绝缘子串耦合体系为背景，基于时域的分析方法研究输电线路结构风致振动响应，讨论气动阻尼对结构响应影响，对现行建筑荷载规范中的高气动阻尼结构荷载设计提出建议。关键词：柔性结构；风振响应；时域分析方法；气动阻尼中图分类号：U4_41．3文献标识码：A文章编号：1009—7716(2014)Ol—O113—030引言高柔性的风敏建筑结构和输电线路体系一直_r——————————————————椎是国内外研究的热点问题【”。由输电塔、导线以及绝缘子串构成的输电塔线体系，是一种刚柔复合型的高柔

3、性体系，在顺风向荷载的作用下振动响，—．—，．J．．，——，．—J应比较复杂，如何处理气动阻尼等气动参数是研究结构风致振动响应的重点和难点问题『21。＼通过ANSYS有限元软件建立2跨档距450m图1两跨导线一绝缘子串有限兀模型的8分裂JL，G1A一630／45输电导线一绝缘子串耦作用下顺风向的风振响应，采用MonteCarlo法模合体系有限元模型，每分裂导线重度为2．078kg／m，拟了脉动风速时程【。在实际的大气边界层紊流中，绝缘子串为复合防污悬垂绝缘子串XWP一300，每脉动风速不仅是时间

4、的函数，而且是空间位置(，个绝缘子串高度为0．195m，盘径320mm，重量l3，Y，z)的函数，是一个所谓的单变量四维(1V一4D)随建模采用54个绝缘子串总长度10．53m，导线线机场。自然风的脉动可以近似处理为各态历经的形采用抛物线；有限元模型采用link8杆单元，每平稳高斯随机过程。若将风场看作是离散空间点10m一个导线单元，两跨导线共91个节点，90个出随机风波的总和，则该单变量四维随机场可以导线单元，端部为水平耐张绝缘子串，中央为悬垂处理成多变量一维随机过程。本文采用Shinozuk

5、a绝缘子串，每个绝缘子串为54个link8杆单元。和Deodttis提出的谐波合成法[4]进行了脉动风速的基于谐波合成法，利用Malab程序合成对应上模拟。述有限元模型的91个节点脉动风速时程，将随机脉动风模拟采用的风场参数如下：离地面10m的风荷载模拟成时间的函数，然后通过时域方法高处的基准风速。，地貌粗糙度高度Zo=0．05m，直接求解运动方程，时域分析采用能够单独分析VonKarman常数K取为0．4。顺风向脉动风速谱采结构气动阻尼影响的模态叠加法，得到输电线系用我国建筑荷载规范建议的Da

6、venpo~风谱，其形统风振响应，讨论气动阻尼项对结构风振系统的式如下：响应。图1为两跨导线一绝缘子串有限元模型。=4．0(1)1脉动风速时程合成其中，1200n／U(10)、kU(10)fin(10h0)为剪切速度；为了分析导线一绝缘子串系统在脉动风荷载K=0．4为冯卡门常数；为地表粗糙度有关的系收稿日期：2013—04—15数，取为0．05m(B类地貌)。截止频率取为4Hz。作者简介：于永帅(1985一)，男，吉林通化人，硕士，助理工程师，从事桥梁设计研究工作。z、两点问互谱的相干函数为：1

7、14科技研究城市道桥与防洪2014年1月第1期coh(r’exp)(2)2气动阻尼分析式(2)中：U(z)和2)分别为Z、z：的平均风速，按根据已有的文献资料【5l，对于大跨度桥梁、高照规范C=16。层建筑、高耸输电塔线等结构，气动阻尼对结构影利用上述方法每隔10In生成一个脉动风速响很大。绝缘子串一导线耦合这样的柔性风敏感点，两跨导线共91个模拟点。为了考虑风剖面的影结构，导线质量轻、振动频率低，在高风速下气动响，假定导线弧垂最低点离地面的高度为60in，导阻尼对脉动风荷载的结构响应影响很大，

8、而且结线的平均高度处离地面高度50In风速分别为10m／s、构的气动阻尼远远大于结构的固有阻尼，因此，有20ngs、30m／s三种工况，反推得到离地面10in高必要考虑气动阻尼对输电线动力响应的影响。对度处的风速。分别为7．7m／s、15．4m／s、23．1nds。于一般的M、C、K系统，假设顺风向风速为，假图2给出了不同高程和位置点处人工模拟的风速时程样本，图3显示模拟点1和模拟点2由设物体顺风向的速度为y，则气流对运动物体的相风速时程样本得到的功率谱与目标功率谱的对对速度为—，由此可得作用在