输电塔典型节点钢管杆件涡激振动研究

摘要

输电塔是一种重要的高耸结构,塔身风荷载在总荷载中所占比重较大,钢管杆件的体型系数小,受力性能好,因此钢管塔在工程实际中被广泛应用。当风吹过钢管杆件截面时,会在背风面形成上下交替的旋涡,在较小的风速作用下,旋涡脱落的频率会被锁定在钢管杆件自振频率附近,此时钢管杆件在横风向会发生持续的涡激共振,称为微风振动。输电线路长期在较低的风速下运行,持续反复的微风振动容易导致杆件破坏。
　　 钢管杆件的涡激振动与其自振频率有关,自振频率由钢管杆件的几何尺寸和杆端节点型式决定。钢管杆件的节点构造方式多样,行业规范仅给出了两端固接、两端铰接以及悬臂三种杆端约束条件下钢管杆件的1阶起振临界风速曲线,不便于工程应用。
　　 为了突破钢管塔推广应用的瓶颈,本文首先对典型节点钢管杆件进行了动力特性试验,研究了节点型式、连接螺栓数、长细比及振动方向对钢管杆件自振频率的影响。根据动力特性试验结果,建立了ANSYS模型,确定了合理的约束施加方式,在此基础上,计算了受轴力作用钢管杆件的自振频率,获得了更符合工程实际的结果,并给出了钢管杆件1阶自振频率的简化计算方法以便工程应用。
　　 风洞试验是结构抗风研究中最真实可信的方法,本文利用动力特性研究的结果估算了典型节点钢管杆件的起振风速,选取风洞试验室条件允许的试件进行了足尺模型涡激振动风洞试验,得到了不同节点型式、不同长细比、与风向成不同夹角以及不同湍流度的风场等工况下钢管杆件的涡激振动试验数据,总结了涡激共振的规律。
　　 钢管杆件在风荷载作用下顺风向也会发生微小的振动,但由于风洞试验中环境的干扰及测量仪器精度的限制,不易采集到真实的顺风向风振数据,因此,本文利用CFD软件Fluent对钢管杆件的涡激振动进行了数值模拟,分析了顺风向的振动情况及其对横风向的影响。
　　 钢管杆件的微风振动会导致节点焊缝疲劳破坏,本文采用以疲劳累积损伤理论为基础的总寿命法,对法兰连接和十字插板连接的钢管杆件节点焊缝进行了涡激共振疲劳寿命计算,并针对工程设计提出了建议。
　　 最后,对本文所做的工作进行了总结,并对进一步的研究方向进行了讨论。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 钢管输电塔的涡激振动问题

1.3 涡激振动研究概况

1.3.1 实验研究

1.3.2 理论模型

1.3.3 数值模拟

1.4 钢管塔微风振动研究概况

1.5 结构风振疲劳研究概况

1.6 本文研究内容

第2章 钢管杆件动力特性研究

2.1 引言

2.2 动力特性研究方法

2.2.1 结构动力学方法

2.2.2 结构动力特性试验

2.2.3 ANSYS模态分析

2.3 典型节点钢管杆件的动力特性

2.3.1 钢管杆件动力特性研究的试件选取

2.3.2 结构动力学方法计算钢管杆件自振频率

2.3.3 钢管杆件动力特性试验

2.3.4 钢管杆件动力特性ANSYS分析

2.4 钢管杆件1阶自振频率的简化计算方法

2.5 本章小结

第3章 钢管杆件涡激振动风洞试验研究

3.1 钢管杆件的横风向涡激振动

3.1.1 涡激振动产生的原因

3.1.2 圆柱绕流在不同雷诺数下的旋涡脱落规律

3.1.3 旋涡脱落频率和斯托罗哈数

3.1.4 涡激振动的峰值

3.1.5 涡激振动的特点

3.2 典型节点钢管杆件涡激振动风洞试验

3.2.1 试验设备

3.2.2 风场模拟装置及其调试方法

3.2.3 试验测量系统

3.2.4 试验概况

3.2.5 试验结果分析

3.3 最大振幅讨论

3.4 本章小结

第4章 钢管杆件涡激振动数值模拟

4.1 计算流体动力学简介

4.1.1 CFD的控制方程

4.1.2 数值求解方法

4.1.3 湍流模型

4.1.4 CFD的求解过程

4.2 离散化方法

4.2.1 离散化方法类别

4.2.2 基于有限体积法的CFD方程离散化方法

4.2.3 有限体积法的求解方法

4.3 涡激振动数值计算

4.3.1 利用Fluent进行涡激振动数值计算的方法

4.3.2 钢管杆件运动方程

4.3.3 Newmark法

4.4 钢管杆件的涡激振动数值模拟.

4.4.1 几何建模与网格划分

4.4.2 边界条件

4.4.3 求解过程及相关参数设定

4.4.4 数值计算工况及相关参数

4.5 计算结果

4.5.1 固定钢管杆件绕流的计算结果

4.5.2 横风向单自由度涡激振动计算结果

4.5.3 两自由度涡激振动计算结果

4.6 本章小结

第5章 钢管杆件涡激振动疲劳寿命研究

5.1 引言

5.2 钢管杆件涡激振动疲劳问题研究方法

5.2.1 疲劳寿命计算方法

5.2.2 S-N曲线

5.2.3 钢管杆件涡激共振疲劳寿命的估算

5.2.4 钢管杆件节点焊缝应力幅的确定方法

5.3 算例分析

5.3.1 概况

5.3.2 风的特性

5.3.3 节点焊缝的应力幅

5.3.4 法兰和十字插板连接焊缝的疲劳寿命

5.3.5 疲劳寿命影响因素讨论

5.4 本文结论的工程应用

5.4.1 输电塔钢管杆件微风振动设计方法

5.4.2 钢管杆件微风振动起振风速简化计算方法

5.4.3 本文微风振动设计方法与规范的对比

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文主要工作及结论

6.2 针对今后相关研究工作的建议

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果