高耸格构式塔架风振响应研究

摘要

高耸格构式塔架一类结构是一种特殊的结构形式，其塔身镂空、高度高、外形细长，不仅在电力、通讯、广播电视等领域较为常见，在大跨度桥梁施工中也有广泛应用。高耸格构式塔架的外形特征决定了风荷载是其控制荷载，随着需求的提高和技术的进步，结构日益向着更高、更轻、更柔和低阻尼的方向发展，使得结构对风荷载的动力敏感性进一步增强。因此，对高耸格构式塔架进行风振响应研究显得尤为必要。 本文以拟建设中的国家电网1000kV特高压输电网络中的一座典型自立式输电塔为例，从时域分析、频域分析及风洞试验三方面开展了高耸格构式塔架一类结构的风振响应及风振系数研究，主要内容包括： (1)建立了输电塔的空间有限元模型，通过分析确定模型的真实性。采用谐波合成法模拟了输电塔结构的脉动风速时程。在此基础上，将模拟得到的风荷载以结点力的方式加到有限元模型上，在时域内用Newmark法计算了输电塔的顺风向风振响应。频谱分析表明风振响应主要由第一阶模态响应控制。进一步分析了风振响应随风速、阻尼比等参数的变化关系。 (2)根据相似原理设计制作了气弹模型，在风洞中模拟了大气边界层紊流。在紊流风场中对气弹模型进行了风洞试验，测得了模型加速度响应，将试验结果换算到原型，计算原型各测点的加速度响应均方差值，分析了加速度响应均方差随风速和风向角的变化规律。 (3)按单模态随机振动理论方法，对高耸格构式塔架顺风向风振系数进行了频域理论分析，并与风洞试验结果、时域分析结果及建筑结构荷载规范结果进行了分析比较。由频域分析、时域分析及试验得到的风振系数基本一致。而由建筑规范得到的输电塔风振系数显著大于理论分析及风洞试验结果，高估输电塔的风振响应，不宜直接用于输电塔抗风设计。提出了用于风振系数计算的等效宽度的概念，比直接应用规范更加合理。 (4)研究了紊流积分尺度对高耸格构式塔架顺风向风振系数的影响，结果表明紊流积分尺度对结构共振响分量应有显著影响，对结构的总响应影响也较大。这一影响随着结构阻尼、结构频率与风谱卓越频率的比值的增加而减弱。考虑到风洞试验技术无法满足紊流积分尺度的模拟，提出了一套较为通用的紊流积分尺度修正系数，可对风洞试验结果修正。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2高耸格构式塔架风振响应研究现状

1.2.1风的作用及风荷载模型

1.2.2结构动力计算模型

1.2.3动力响应求解方法

1.2.4现场实测

1.2.5气弹模型风洞试验

1.3存在的问题

1.4本文主要内容

第2章 高耸格构式塔架风荷载及模拟

2.1风的描述

2.2近地风的基本特性

2.2.1平均风基本特性

2.2.2脉动风基本特性

2.3风荷载的表达

2.3.1平均风荷载

2.3.2脉动风荷载

2.4脉动风速时程模拟

2.4.1线性滤波法

2.4.2谐波合成法

2.5输电塔脉动风速时程模拟

2.6本章小结

第3章 顺风向风振响应时程分析

3.1输电塔有限元模型

3.2动力时程分析基本理论

3.2.1系统运动方程的建立

3.2.2时程分析方法

3.2.3线性时程分析

3.2.4非线性时程分析

3.2.5时间步长的选取

3.3作用在结构上的风荷载

3.4输电塔动力时程分析

3.4.1输电塔风荷载模拟生成

3.4.2输电塔风振时程分析结果

3.5本章小结

第4章 气弹模型风洞试验

4.1气弹模型风洞试验相似理论

4.1.1气弹模型设计的基本相似准则

4.1.2紊流风场相似参数

4.2气弹模型的设计与制作

4.2.1几何缩尺比

4.2.2风速比初拟

4.2.3刚度的模拟及材料选择

4.2.4模型外衣及质量分布

4.2.5模型制作

4.3模型动力特性标定

4.3.1测点布置

4.3.2动力标定试验结果

4.4确定最终风速比

4.5风场模拟

4.5.1湖南大学HD-2风洞简介

4.5.2紊流风场模拟

4.5.3风场特性测试

4.5.4紊流风场评估

4.6气弹模型风洞试验

4.6.1测量仪器与测点布置

4.6.2试验工况与试验步骤

4.7试验结果分析

4.7.1模型加速度时程曲线和功率谱

4.7.2原型结构的加速度响应

4.7.3顺风向与横风向加速度响应

4.7.4与时程分析结果比较

4.8本章小结

第5章 顺风向风振系数分析

5.1结构顺风向风振随机振动理论

5.2风振系数的定义及分类

5.2.1风振系数的定义

5.2.2两种常用的风振系数

5.3我国现行规范中风振系数的相关规定

5.3.1《建筑结构荷载规范》

5.3.2《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》

5.3.3《高耸结构设计规范》

5.4风振系数理论分析

5.4.1结构分段

5.4.2基于随机振动的风振系数理论分析

5.4.3紊流积分尺度对风振系数的影响分析

5.4.4紊流积分尺度对风振系数影响的修正

5.5风振系数计算

5.5.1按规范计算

5.5.2按气弹模型风洞试验结果计算

5.5.3按数值分析结果计算

5.5.4按随机振动理论基于实测风谱计算

5.6结果分析

5.7对规范风振系数算法的改进

5.8本章小结

总结与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致 谢