特高压输电塔线体系风振响应及风振疲劳性能研究

摘要

输电塔线体系是风敏感型结构体系，风荷载是输电塔结构设计的控制荷载。目前，对特高压输电塔的风荷载模型、考虑塔线耦联的风振响应规律以及风振的灾害研究尚处于初期。本文以拟建的1000kV双回路特高压输电线路为背景，对特高压钢管输电塔的风荷载模型、风致振动特性、塔线耦合体系气弹性风洞试验以及风振疲劳等问题展开研究，主要包括以下几方面内容：
　　 (1)基于HFFB试验确定输电塔的风荷载谱。由静力三分力风洞试验得到钢管输电塔的体型系数；对输电塔半刚性模型的HFFB试验结果进行处理，去除了基底弯矩谱中共振响应的影响，并对处理后的弯矩谱进行拟合，得到各风向角下的顺风向、横风向及扭转向的基底弯矩谱公式。基于风荷载竖向相干性与风速相干性一致的假设，得到输电塔不同高度的风荷载自谱与互谱，并分析输电塔横风向激励的组成，识别出紊流激励部分与旋涡脱落激励部分约各占一半。
　　 (2)通过气弹性风洞试验研究双回路特高压钢管输电塔及塔线体系的风振响应特性。采用半刚性节段加“U”形弹簧片的方法设计制作输电塔的气动弹性模型，动力特性测定表明按此方法制作的模型满足气弹性风洞试验的要求。对塔线体系气弹性风洞试验时输电塔与导线采用不一致比例的问题进行数值分析，从理论角度论证了这一方法的可行性。由气弹性风洞试验结果总结了双回路特高压输电塔及塔线体系的风振响应特性，并通过试验结果反演得到了结构的固有特性和系统的输入激励。
　　 (3)建立塔线体系的有限元模型，分别在时域和频域对塔线耦合体系的风振响应进行理论分析，得出的结果与风洞试验吻合。推导了三节点索单元以及考虑摆动刚度的绝缘子单元的刚度与质量矩阵。在等效线性化的基础上对塔线体系的风振响应进行频域分析，结果表明导线张力较大、垂度较小时，塔线体系的频域计算结果也能达到较高的精度。
　　 (4)采用等效静力风荷载组合法和风振系数法计算输电塔的等效静力风荷载，为设计中考虑横风向影响提出建议。试验结果均表明，输电塔在横风向的风振响应与顺风向的动力部分在同一个数量级。为考虑输电塔横风向的等效静力风荷载，引入广义阵风效应因子和广义风振系数，为输电塔抗风设计中考虑横风向风振效应提供方便、合理的方法。
　　 (5)基于线性疲劳累积损伤理论，在时域与频域讨论输电塔结构的风振疲劳寿命的计算，提出估算输电塔风振疲劳的思路和方法。通过输电塔的风振时程分析和雨流计数法在时域中计算结构的风振疲劳累积损伤，并比较目前频域内计算疲劳累积损伤的各种方法，结果表明频域估算疲劳寿命偏于保守，其中等效应力法计算结果与雨流法最为接近，计算过程也较为简单方便，比较适用于基于全寿命周期的输电线路设计。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 随机风场与风荷载谱

1.2.1 平均风的特性

1.2.2 脉动风的特性

1.2.3 风荷载谱的形成

1.3 塔线耦合体系的风振响应

1.3.1 现场实测结果

1.3.2 风洞试验研究的现状

1.3.3 理论分析研究的现状

1.4 结构风振疲劳分析概况

1.5 本文的研究内容

2 输电塔的HFFB试验及风荷载谱

2.1 引言

2.2 半刚性模型风洞试验

2.2.1 风洞流场校核

2.2.2 输电塔的结构参数

2.2.3 静力三分力系数

2.2.4 半刚性模犁的HFFB试验结果处理

2.3风荷载基底弯矩谱

2.3.1 风荷载基底弯矩谱曲线拟合

2.3.2 各方向力谱相关性讨论

2.4 横风向尾流旋涡脱落的影响评价

2.4.1 均匀流下的均方根力系数

2.4.2 紊流下的均方根力系数

2.4.3 紊流下顺风向均方根力修正系数

2.4.4 横风向的涡旋脱落影响的讨论

2.5 风荷载谱的分段估计

2.5.1 基本假设条件

2.5.2 各高度处风荷载自谱与互谱

2.6 本章小结

3输电塔的气弹性风洞试验及参数识别

3.1 引言

3.2.1 塔线体系结构参数

3.2.2 塔线体系动力特性分析

3.3 气动弹性模型的设计

3.3.1 相似准则

3.3.2 铁塔的模型设计

3.3.3 塔线体系模型制作中的变比例问题讨论

3.3.4 导、地线及绝缘子的模型设计

3.3.5 气弹性模型的动力特性测定

3.4 气弹性模型风洞试验及其风振响应

3.4.1 试验概况

3.4.2 气弹性模型的风振响应

3.5 平稳激励下线性系统的参数识别

3.5.1 结构的传递函数

3.5.2 气弹性模型的振型识别

3.5.3 平稳激励下线性系统的荷载识别

3.5.4 荷载识别算例分析

3.6 本章小结

4输电塔线体系风振响应分析

4.1 引言

4.2 基于试验荷载谱的风荷载时程模拟

4.2.1 谐波合成法

4.2.2 风荷载数值模拟

4.2.3 导、地线风荷载

4.3 风振响应时域分析

4.3.1 结构的阻尼矩阵

4.3.2 时程分析结果

4.4 风振响应频域分析

4.4.1 风振频域响应求解

4.4.2 空间索单元

4.4.3 绝缘子单元

4.4.4 频域与时域分析结果对比

4.5 本章小结

5输电塔风振响应的等效静力分析

5.1 引言

5.2 结构风振响应的组成

5.3 等效静力风荷载组合法

5.3.1 顺风向等效风荷载

5.3.2 横风向风振响应的等效静力分析

5.3.3 输电塔等效静力风荷载计算

5.4 风振系数法

5.5 本章小结

6输电塔的风振疲劳分析

6.1 引言

6.2 疲劳累积损伤理论

6.2.1 S-N曲线

6.2.2 线性疲劳累积损伤理论

6.3 雨流计数法

6.3.1 雨流法的原理

6.3.2 雨流法的程序实现

6.4 风振疲劳时域分析

6.4.1 塔线体系风振疲劳时域分析思路

6.4.2 输电线路的风荷载

6.4.3 铁塔的关键杆件及其应力分析

6.4.4 铁塔的关键杆件疲劳寿命时域表达

6.4.5 疲劳损伤时域算例分析

6.5 风振疲劳损伤的频域计算

6.5.1 风振疲劳频域分析思路

6.5.2 窄带过程的疲劳累积损伤

6.5.3 等效应力法

6.5.4 等效窄带法

6.5.5 Dirlik疲劳损伤公式

6.5.6 Zhao-Baker疲劳损伤公式

6.5.7 Tovo-Benasciutti疲劳损伤公式

6.5.8 铁塔关键杆件疲劳损伤频域算例分析

6.6 本章小结

7 结论

7.1 研究结论

7.2 主要创新点

7.3 有待进一步研究的问题

致 谢

参考文献

附 录