国内输电线铁塔风振响应研究进展

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国内输电线铁塔风振响应研究进展黄佩(中南电力设计院有限公司,湖北武汉430071)动力响应状况[6]。风荷载时程模拟是数值分析的重点,邓摘要:输电线铁塔由于有横担存在,结构外形和质量有较大突变,属于不规则结构。风荷载是输电线铁塔的洪洲等[7]采用线性滤波法,基于AR自回归模型和Daven-主要荷载,其特性十分复杂。输电线铁塔风振响应研究是port谱风速功率谱,利用Matlab程序模拟生成塔身节点脉输电线铁塔研究中的热点和难点。本文对国内输电线铁塔动风速时程,潘峰等[4]在考虑节点风荷载空间相关性的基风振响应研究现状与进展进行了全面回顾与展望,涉及到础上,利用Kaimal谱准确模拟了风荷载时程。铁塔风振特性分析、塔线耦合作用研究、塔基耦合作用研3)理论推导。用理论方法进行输电线铁塔风振分析需究和特殊风场作用研究等方面。要进行适当合理的简化。吴海洋等[8]基于准稳定理论,采关键词:风振;塔线耦合;塔基耦合;雷暴风场;台用Davenport谱按照随机振动理论,推导了输电塔架风振风风场系数计算方法,并结合工程实例进行计算,发现风振系数中图分类号:TU347文献标志码:B在横担高度处都会突然增大。吴海洋等[9]推导了基于修正文章编号:1672-4011(2016)09-0209-03的输电塔一阶广义风荷载谱计算风振系数的方法。DOI:10.3969/.jissn.1672-4011.2016.09.097目前输电线铁塔风振响应特性分析主要研究结论为输电线铁塔结构不规则,风振系数宜分段设置[7],横担等结0前言构刚度质量突变处风振系数会突变。传统研究中,研究人员多采用单塔模型分析输电线铁2塔线耦合作用研究塔风振特性,近年来塔线耦合作用引起人们的关注,研究人员越来越多地采用塔线体系研究输电线铁塔风振特性,输电线铁塔本身受风荷载,还受到导线传来的作用,同时对塔线耦合作用进行了深入研究。基础刚度实际上是包括导线自身所受荷载及相邻铁塔的作用。目前有学者对有限的,这与以往分析时的假定存在差异。输电线铁塔所塔线耦合作用进行了研究。但由于采用的塔线体系不同,处地形和建筑结构相比,风场情况更为多变复杂。近年来,研究的工况不同,结果存在差异。塔线体系对输电线塔既有学者开始对塔基耦合作用和特殊风场作用等进行研究。有有利作用,也有不利影响。吴静[6]建立了大跨越单塔、塔线体系(两塔三段线及四1铁塔风振特性分析塔三段线)模型进行时程分析,结果表明,选用四塔三段线近年来,国内新建了大量特高压输电线路,输电线铁体系模型是较为接近工程实际,大跨越塔设计中不考虑输塔风振特性分析相关研究十分丰富,涉及到输电线铁塔各电线对风振系数的影响偏于安全。汪之松等[3]的风洞试验类塔型,分析时选用的模型有单塔模型和塔线体系模型,结果表明塔线耦合作用导致塔线体系的动力特性有较大改传统研究多采用单塔模型,近年来塔线体系模型越来越广变,体系的气动阻尼大幅提高,对体系的动力响应有抑制泛地被采用,但由于塔线体系较为复杂,一些研究中仍采作用。用单塔模型。主要分析方法有风洞试验、数值分析和理论郭勇等[10]的研究表明塔线体系模型与单塔模型相比,推导等。自振频率略有降低,而阻尼则显著提高,塔线体系与单塔1)风洞试验。风洞试验模型分刚性模型和气弹模型,相比,在0°与90°风向角下,各测点顺风向的加速度响应有气弹模型适宜用来研究风振响应。气弹模型需依据空气动所降低,而位移响应明显提高。郭勇等将输电塔的响应分力弹性相似准则[1]进行设计,模型刚度模拟方法有集中刚为共振响应与背景响应,在不同风向角下,塔线体系较单度法、离散刚度法[2]和半刚性节段加“U”型弹簧片塔共振响应存在不同程度的降低,而迎风面积的增大使得法[3]等。背景响应均有较大幅度的提高。李正良等[11]试验结果则表[4]和2)数值分析。数值分析主要采用ANSYS明,对于跨度不大的塔线体系,较低风速下(风速约<20[5]等分析软件,分析方法主要有时程分析和频域SAP2000~25m/s)塔线中塔的加速度要高于单塔,当风速继续增分析方法两大类。频域分析在分析过程中需要对结构进行加时,单塔的加速度将超过塔线体系。数学简化,且一般假定结构刚度不变,只能作为定性分析[12]梁枢果等进行了一塔两跨线猫头塔风洞试验。输电手段。时域分析将随机的风荷载模拟成时间的函数,直接塔在弱轴向、强轴向、扭转向的一阶振型阻尼比挂线后明求解运动方程,可以全面了解结构在风荷载作用时间内的显增加。输电塔挂线后扭转振动效应较不挂线明显减小,但顶部端点弱轴向均方根加速度仍比顶部中心点大,且顶作者简介:黄佩(1990-),男,工程师,主要从事送电线路设计研究工作。部端点弱轴向加速度响应谱的频谱构成较不挂线更为复杂。·209· 赵桂峰等[13]在研究塔线耦合作用时,考虑了绝缘子的增至1.74。覆冰对铁塔振动特性影响较大,同时明显增大影响,研究得出随风速增加,非线性振动程度加剧,输电受风面积,在重冰区输电塔设计中还有待研究。塔结构振动呈现出混沌振动特征。由于输电线与绝缘子振尹鹏等[18]通过三维有限元仿真和风荷载数值模拟,对动的影响,随风速增加,高阶模态的能量甚至强于低阶模单塔、输电塔-线体系在阻尼器控制前后的风振响应进行态的能量。了时程分析,研究了橡胶铅芯阻尼器对塔架振动的抑制作用。研究得出,输电塔-线体系采用橡胶铅芯阻尼器后风3塔基耦合作用研究荷载调整系数得到有效减少,且减少率沿塔高逐渐增大。输电线铁塔结构上部为铁塔,下部为钢筋混凝土基础。6结论与展望两者自振频率和刚度有明显差异。因而两者的风振响应不同,并且会相互影响,存在塔基耦合作用。风荷载本身特性复杂,是输电线铁塔设计主要的荷载。宋晓光和何敏娟[14]对建于塔座上的钢结构高塔的风振导线、基础和电器元件等会影响输电线铁塔风振响应,这响应进行了分析。采用了SSAP93软件进行模拟,塔座和些在之前的研究中并没有被系统地考虑到。输电线铁塔所铁塔刚度比考虑了四种情况,一种为无限刚性,另外三种处地形和建筑结构相比,风场情况更为多变复杂。总之,为有限刚性。分析表明,考虑塔座刚度有限情况时,对于输电线铁塔风振响应还有很大的研究空间。笔者认为,在文中所选三种刚度比结构,刚度比小时,反应增加量大,今后的研究中可注意以下几方面。最大可达6%。同时从文中数据看出,刚度比相差不大时,1)目前采用的塔线体系多种多样,会对分析造成影反应也可能有明显差距。这说明考虑塔基耦合作用不仅仅响。塔基耦合作用会增大铁塔反应,但研究极少。建议在与刚度比有关,还与钢塔质量、固有周期和振型等自身属进行输电线铁塔风振响应分析时采用考虑塔基耦合作用,性有关。塔线耦合作用的多塔基线综合模型。同时分析该模型风荷目前输电线路中,关于塔基耦合作用研究较少。而建载作用下结构受力与按现行规范设计存在的差异,避免设筑结构中,考虑土体、基础和上部结构相互作用的研究较计时存在安全隐患或过分保守。为丰富。输电线铁塔塔基耦合作用仍有待研究。2)台风风场下输电塔风振响应要高于B类情况,应引起重视。雷暴风场情况下,输电塔研究极少,因风导致的4特殊风场作用研究倒塔主要是由下击暴流作用产生的,台风风场和雷暴风场输电线铁塔对风荷载十分敏感,目前荷载规范将风荷中雨水冲刷作用也比较明显,故仍有待研究。载分为四类。台风风场和雷暴风场等特殊的风场与常规的3)覆冰工况下,输电塔自振频率随覆冰厚度增加而减四类风场存在差异。有学者开展了特殊风场下输电线铁塔小,结构风振系数增加,受风面积也相应增加,通过一个风振响应研究。增大系数的方法考虑,与实际情况不完全吻合,输电塔在楼文娟等[15]建立沿海地区某四回路角钢输电塔有限元重冰区结构设计还值得进一步研究。模型,采用谐波叠加法生成B类风场与台风风场下的风速4)采用阻尼器减小输电线铁塔的风振响应,效果明时程,基于准定常假设,对输电线铁塔进行时程分析。同显,有较好的工程应用前景,但还需要开展进一步研究。时,楼文娟等采用离散刚度法制作了1∶30的气弹模型,进[ID:003211]行了气弹风洞试验研究。结果表明:考虑气动阻尼后,数值计算值与试验值符合良好。台风风场的高湍流特性导致参考文献:其作用时各测点的顺风向风振响应均比B类风场下的对应[1]付国宏,程志军,孙炳楠,等.架空输电线路风振试验研究[J].值要大,风振系数比值约为1.25。流体力学实验与测量,2001,15(1):15-21.潘磊等[16]对雷暴冲击风下的铁塔风效应进行了研究,[2]邓洪洲,司瑞娟,胡晓依,等.特高压输电塔气弹模型风洞试验建立了输电线铁塔有限元模型,采用时程分析方法,分析研究[J].同济大学学报:自然科学版,2010,55(5):53-58.了输电塔的准静态响应与风振响应,并与规范进行了对比。[3]汪之松.特高压输电塔线体系风振响应及风振疲劳性能研究研究发现,规范下的位移响应要大于雷暴风的结果,80%[D].重庆:重庆大学,2009.以上因风导致的倒塔主要是由下击暴流作用产生的,潘磊[4]潘峰,陈稼苗,聂建波,等.窄基塔随机风致振动响应及风振系等表示不能据此认为规范趋于安全。数研究[J].科技通报,2013,29(1):86-92.[5]陶青松,林致添.大跨越输电塔风振系数研究[J].武汉大学学5其他研究报:工学版,2007,51(S1).:203-206.[6]吴静.大跨越输电塔线体系静动力研究[D].上海:同济大目前规范采用放大系数考虑覆冰下风荷载作用,存在学,2007.一定的简化。刘士彬等[17]采用ANSYS有限元软件建立了[7]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不同覆冰厚度下的输电塔模型,计算了各模型自振周期,析[J].建筑科学与工程学报,2008,25(4):23-30.从而计算得到输电塔的风振系数。结果表明,输电塔自振[8]吴海洋,王开明,冯云巍.基于准稳定理论输电塔风振系数计算频率随覆冰厚度增加而明显减小,频率值相差最小幅度接方法[J].电力建设,2009,52(6):36-38.近10%。当覆冰厚度从0增加至60mm,风振系数由1.63(下转第215页)·210· 场采用防火墙及防火间隔的形式进行分隔;与设备及功能在最不利的情况下,建筑内部各个区域人员在有效的疏散用房采用防火墙及甲级防火门分隔;与车库及出租车等候宽度和疏散距离的情况下所需要的疏散时间。区采用防火墙及防火卷帘分隔。对于人员安全疏散的设计目标,满足火灾发生时,空2)地下一层大厅内人员疏散区、通道内及地下2~4间内人员能安全疏散到建筑室外安全地区的要求。层地铁轻轨站台、站厅公共区域不应设置任何商业(包括首先,分析建筑的火灾危险性、设定合理的场景,分零星商业),其他区域如设置零星商业,则其售货总面积不别运用Pathfinder软件模拟出人员疏散情景,得出人员全应超过100m2,单个售货区面积不应大于10m2,且与相部安全疏散到室外空间所用的时间T,TRsetRset=TA+TR+邻售货区之间的距离应大于8m。1.5×TM,其中TA为报警时间,TR为人员响应时间,TM3)大厅东、西侧和南侧如设置小型商业网点(作为地为人员疏散行走时间(一般情况下为软件模拟所得时间),下枢纽辅助商业用房),应划分独立的防火分区,采用防火当然疏散时间受到多种因素影响,例如疏散人群的总数、单元(单个商铺面积不超过500m2)的方式与大厅进行分隔,疏散人群的行走速度、人员对建筑物的熟悉程度、疏散通与换乘大厅局部连通处采用防火间隔的形式。道的有效宽度、出入口的个数及宽度等等。4)地下一层大厅公共通道自身的宽度不小于8m,且其次,运用FDS模拟分析火灾场景中烟气流动规律,其内部任意点到最近安全出口不大于60m,地下2~4层轻得出空间内烟气、温度达到人们能忍受的极限值,火灾发轨及地铁站台站厅区内部任意点到最近疏散楼梯不大于生之后到对生命造成威胁时所用的时间,也就是人员可用50m。的疏散时间TAset。将TRset和TAset进行对比,若TRsetTAset,则有部分人员不能被有效疏散,应对设计本身进根据建筑特点和人员荷载,通过模拟软件的方法分析,行一定的修改或优化,以确保建筑的安全性,见图7。的比较仍需进一步探究。5思考与总结5.2结论5.1思考1)合理划分防火分区,地铁站厅发生火灾时,可以通过换乘大厅进行疏散;换乘大厅发生火灾时,地铁站厅人1)疏散模拟中,针对疏散人群的变量仍有很多不确定因素,例如疏散人群的性别、年龄等直接影响其反应时间群不应经换乘大厅进行疏散。和疏散能力。2)换乘疏散大厅中疏散距离过长的空间可通过相邻分区的疏散楼梯进行疏散。2)疏散通道宽度、出入口宽度和建筑空间高度可以适当调整,以达到最优的疏散条件。增加明确的导向标志,3)疏散通道、地铁站厅层内不应放任何物品,不应设方便人员疏散时正确选择路线。置小型商业,一方面保持其空间的通畅性,另外一方面减少空间内的火灾荷载,减少火灾发生的可能性。3)模拟实验只是结合理论与案例的计算机模拟技术,并非实地演习和现实情况,因此,与现实发生的情况之间[ID:003014]■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■(上接第210页)(9):23-30.[9]吴海洋,王开明,程志.基于修正的广义风荷载谱的输电塔架风[14]宋晓光,何敏娟.建于塔座上的钢结构高塔的风振时程分析振系数计算方法[J].特种结构,2010,27(1):12-15.[J].邮电设计技术,1999,42(3):34-38.[10]郭勇,孙炳楠,叶尹,等.大跨越输电塔线体系气弹模型风洞试[15]楼文娟,夏亮,姜莹,等.B类风场与台风风场下输电塔的风振验[J].浙江大学学报:工学版,2007,52(9):56-60.响应和风振系数[J].振动与冲击,2013,32(6):13-17.[11]任坤,余快,李正良,等.特高压输电塔线体系气弹模型设计与[16]潘磊.雷暴冲击风风场中输电塔的风振响应及输电线路风偏研风洞试验[J].空气动力学学报,2011,29(1):102-106.究[D].杭州:浙江大学,2014.[12]梁枢果,邹良浩,韩银全,等.输电塔-线体系完全气弹模型风[17]刘士彬,蒋其伟.覆冰对输电塔风振系数的影响研究[J].水电洞试验研究[J].土木工程学报,2010,57(5):70-78.能源科学,2011,29(2):164-166.[13]赵桂峰,谢强,梁枢果,等.高压输电塔线体系风致非线性振动[18]尹鹏,李黎,胡亮霞,等.橡胶铅芯阻尼器控制下输电塔风振系气弹模型风洞试验[J].同济大学学报:自然科学版,2009,54数研究[J].水电能源科学,2009,27(1):187-191.·215·