大跨越输电塔结构在龙卷风作用下的响应分析

摘要

龙卷风是一种伴随着高速旋转的漏斗状云柱的强风涡旋，发生的概率较低，但破坏力巨大。大跨越输电塔结构是重要的生命线电力工程设施，具有数量大、分布广等特点，容易遭受龙卷风的袭击，其破坏将导致供电系统的瘫痪甚至引发火灾等严重后果，造成重大经济损失。美国输电塔设计规范已考虑龙卷风等极端气象荷载，中国相关设计规范尚未涉及。为保障龙卷风多发地区电网运行安全，进行输电线路的龙卷风荷载及抗风研究具有重要的理论和实用价值。本文利用计算流体动力学(CFD)模拟技术和规范方法，研究龙卷风数值风场的生成和其作用于大跨越输电塔结构的静态荷载和考虑龙卷风移动效应的动态荷载，分析典型工况下输电塔结构的响应。
　　首先，研究利用CFD模拟技术建立龙卷风数值风场的方法。根据龙卷风的试验模拟文献，并参考前人的数值模拟方法，建立了相应于缩尺龙卷风发生装置的CFD数值模型。模拟结果表明数值风场的切向速度的分布与Rankine涡模型及试验测量的风速分布吻合较好，验证了缩尺龙卷风数值风场的可靠性。并将缩尺龙卷风数值风场与1998年发生在Spencer地区的龙卷风实测风场进行对比，通过长度相似比和速度相似比的概念将缩尺风场模型改造成足尺模型。发现速度相似比取为60、根据文献取长度相似比为4000时，龙卷风足尺数值风场与实测风场的切向速度分布吻合较好。
　　其次，利用单向流固耦合(FSI)方法和规范方法计算龙卷风作用于输电塔结构的荷载，并分析比较结构响应。FSI方法直接在足尺龙卷风风场中建立输电塔结构的刚性模型，通过CFD方法计算得到结构表面受到的龙卷风风压，并将其转化为输电塔梁单元模型的节点集中力;规范方法利用输电塔设计规范中风荷载计算公式将足尺龙卷风数值风场转化为风荷载。然后在龙卷风典型袭击角度（0°、45°和90°）工况下，以两种方法计算输电塔结构受到的龙卷风荷载，进行静力弹塑性分析并提取结构响应。结果表明，采用FSI方法计算得到的输电塔结构响应整体上小于规范方法，其中最大轴向力误差不超过20％，位移分量误差不超过30％;两种方法计算的结构响应随龙卷风袭击角度的变化趋势相似，可实现两种龙卷风荷载计算方法的相互验证。
　　最后，进行了输电塔结构在考虑龙卷风平移效应时的动态响应分析。选取龙卷风移动路径平行和垂直于输电线的两种典型工况，在任意时间步利用规范方法计算并施加龙卷风动态荷载，进行动力时程分析，并分析龙卷风动态荷载和结构典型响应的时程。结果表明，平行工况下龙卷风荷载总和时程沿输电线方向的分量出现持续时间约为10s的波形（荷载先逐渐增大，后逐渐衰减），且荷载峰值较大，呈现出一定的冲击效应。垂直工况下龙卷风荷载总和时程沿垂直输电线方向的分量呈现类似的特点。且在两种工况下，输电塔塔顶节点位移时程与龙卷风荷载总和时程变化趋势相似。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 本课题研究现状

1．3 龙卷风荷载研究现状

1．3．1 现场实测研究

1．3．2 试验模拟研究

1．3．3 数值模拟研究

1．4 本课题主要研究内容

第二章 龙卷风风场及其数值模拟

2．2 计算流体动力学基本理论

2．2．1 控制方程

2．2．2 湍流模型

2．2．3 控制方程组的离散

2．3 龙卷风的特性及描述

2．3．1 龙卷风的强度等级

2．3．2 龙卷风的特征参数

2．3．3 龙卷风的Rankine涡模型

2．4 缩尺龙卷风的CFD模拟

2．4．1 风场几何区域

2．4．2 网格划分

2．4．3 边界条件

2．4．4 控制方程及求解选项

2．5 龙卷风数值模拟结果及其正确性验证

2．5．1 Baker试验对比

2．5．2 数值风场的风速分布特征

2．5．3 数值风场的风压分布特征

2．6 足尺龙卷风CFD模拟

2．6．1 长度相似比和速度相似比

2．6．2 足尺龙卷风风场CFD模拟

2．7 本章小结

第三章 输电塔结构在龙卷风作用下的静态响应分析

3．1 引言

3．2 500 kV南京三江口长江大跨越工程介绍

3．2．1 输电塔有限元模型

3．2．2 输电塔结构模态分析

3．3 输电塔龙卷风荷载计算的FSI方法

3．3．1 单向流固耦合方法介绍

3．3．2 包含输电塔刚性模型的龙卷风风场

3．3．3 龙卷风风压转化为输电塔梁单元节点集中力

3．3．4 输电塔支撑构件的龙卷风荷载计算

3．4 输电塔龙卷风荷载计算的规范方法

3．4．1 龙卷风风场处理

3．4．2 输电塔结构龙卷风风荷载计算

3．4．3 索的悬链线理论及输电线作用于塔的荷载

3．5 FSI方法与规范方法的对比

3．6 本章小结

第四章 考虑龙卷风平移的动态响应分析

4．2．1 龙卷风路径

4．3 动态龙卷风风速及荷载时程

4．3．1 典型龙卷风运动工况

4．3．2 动态龙卷风风速时程

4．3．3 动态龙卷风荷载时程

4．4 输电塔结构动力时程分析

4．4．1 动力方程及其求解

4．4．2 输电塔结构的阻尼

4．4．3 输电塔动态响应结果

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

附录

作者攻读硕士学位期间的研究成果