一种输电塔体型系数的现场实测装置和测试方法

摘要

本发明公开了一种输电塔体型系数的现场实测装置和测试方法。输电塔的四个塔脚底部均固定有塔脚板，将输电塔与刚性底板固接；刚性底板在四个端面均等距固定有多根刚性支撑杆，每根刚性支撑杆顶部均装有压力计；在地面的刚性地基上表面固接有刚性环梁，刚性底板与刚性地基之间布置有多个钢珠，安装时各刚性支撑杆顶部的压力计与刚性环梁保持间隙；在输电塔一侧安装风速仪安装杆，在风速仪安装杆上均布有多个风速仪。风速仪测试获得平均风速和来流风向角，压力计获得输电塔的总体风荷载，计算得到输电塔在任意风向下的体型系数。本发明避免了模型风洞试验由于雷诺数不匹配所导致的体型系数无法应用于实塔的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及风荷载的测试技术，尤其是涉及一种输电塔体型系数的现场实测装置和测试方法。

背景技术

随着电力系统的高速发展，架空输电线路得到大规模的建设。输电塔是输电线路的重要组成部分，其体型复杂，形式多样。风荷载是输电塔的主要控制荷载，在设计中体型系数是非常关键的设计参数。通常采用风洞试验获得输电塔的体型系数，即通过制作缩尺模型进行测力试验。由于输电塔实物高度通常为20m～200m，而模型高度通常为0.2m～1m，因此风洞试验的模型缩尺比一般为 1:20～1:1000之间，而常见的缩尺比约为1:100。在将模型风洞试验的体型系数结果应用到输电塔实物时，需要考虑由于模型试验的缩尺比和风速比带来的雷诺数效应。即由于模型试验和原型的雷诺数不一致，从而导致模型试验获得的体型系数难于推广到输电塔实物上，不同雷诺数下输电塔的体型系数会有一定的差异，尤其对于圆截面杆件的输电线，雷诺数效应比较显著。

目前，对于输电塔体型系数的雷诺数效应，没有行之有效的方法来考虑。其原因为输电塔为格构式结构，杆件之间的干扰效应复杂，风场非常复杂；另一方面，缺乏输电塔实物体型系数的数据。查询国内外的文献而言，未有输电塔实物体型系数现场测试的报道。因此，非常有必要开发基于现场实测的输电塔体型系数测试装置，获得的输电塔体型系数现场实测结果对输电塔结构设计和雷诺数效应研究均具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输电塔体型系数的现场实测装置和测试方法，可直接获得不同来流风速、不同来流湍流度和不同来流风向角下输电塔实物的体型系数，避免了模型风洞试验由于雷诺数不匹配导致的体型系数无法应用于实塔的问题，为输电塔的抗风设计提供依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种输电塔体型系数的现场实测装置

输电塔的四个塔脚底部均固定有塔脚板，通过长螺杆将输电塔与刚性底板固接；刚性底板在四个端面均等距固定有多根刚性支撑杆，每根刚性支撑杆顶部均装有压力计；在地面的刚性地基上表面固接有刚性环梁，刚性底板(4)与刚性地基之间布置有多个钢珠，安装时各刚性支撑杆顶部的压力计与刚性环梁保持间隙；在输电塔一侧安装风速仪安装杆，在风速仪安装杆上均布有多个风速仪。

所述压力计与刚性环梁保持间隙为5mm～1cm。

所述风速仪安装杆与输电塔一侧的距离为10m～50m。

所述风速仪个数为3～7个，相邻风速仪间距为5m～10m。

所述刚性底板与刚性地基之间布置有多个钢珠，大小相同，钢珠数量为刚性底板与刚性地基之间的摩擦力可以忽略。

二、一种输电塔体型系数的现场实测装置的测试方法，该方法的步骤如下：

1)整个试验装置布置于平原上，周边直径1km范围内没有高度大于20m的建筑物或构筑物；

2)多个风速仪(13)测试获得x、y方向平均风速和来流风向角β，β定义为风向与x轴的夹角，对风速仪获得的x、y方向平均风速通过指数规律获得任意i高度的风速v_xi和v_yi，通过累加所有压力计(8)的压力，获得输电塔(1)在x、y方向的总体风荷载F_xi和F_yi，则总体风荷载F_xi和F_yi可采用下式计算：

式中A_xi和A_yi分别为输电塔x和y方向迎风面各杆件的面积，ρ为空气密度，μ_sx和μ_sy分别为输电塔(1)在x和y方向的体型系数；根据式(1)和(2)计算获得x和y方向的体型系数：

最终，输电塔(1)在任意β风向角下的体型系数计算公式为：

μ_s＝μ_sxcosβ+μ_sysinβ>

本发明具有的有益效果是：

本发明提供一种输电塔体型系数的现场实测装置，可直接获得在不同来流风速、不同来流湍流度和不同来流风向角下输电塔实物的体型系数，避免了模型风洞试验由于雷诺数不匹配所导致的体型系数无法应用于实塔的问题。

附图说明

图1是本发明的测试装置示意图。

图2是塔脚板的俯视图。

图3是刚性底板标高的平面图。

图4是塔脚板和刚性底板的连接。

图中：1、输电塔，2、塔脚板，3、塔脚板螺栓孔，4、刚性底板，5、刚性底板螺栓孔，6、长螺杆，7、刚性支撑杆，8、压力计，9、刚性地基，10、刚性环梁，11、钢珠，12、风速仪安装杆，13、风速仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明在输电塔1的四个塔脚底部均固定有塔脚板2，每块塔脚板2四个角上分别开有塔脚板螺栓孔3，刚性底板4上固定有四组刚性底板螺栓孔5，每组刚性底板螺栓孔5与每块各自塔脚板螺栓孔3位置对应，通过各自长螺杆6穿过对应的塔脚板螺栓孔3和刚性底板螺栓孔5将输电塔1 与刚性底板4固接；刚性底板4在四个端面均等距固定有多根刚性支撑杆7(图3中每个端面均有三根刚性支撑杆)，每根刚性支撑杆7顶部均装有压力计8；在地面的刚性地基9上表面固接有刚性环梁10，刚性底板4与刚性地基9之间布置有多个钢珠11，安装时各刚性支撑杆7顶部的压力计8与刚性环梁10保持间隙；在输电塔1一侧安装风速仪安装杆12，在风速仪安装杆12上均布有多个风速仪13(图1中有六个风速仪)。

所述压力计8与刚性环梁10保持间隙为5mm～1cm。

所述风速仪安装杆12与输电塔1一侧的距离为10m～50m。

所述风速仪13个数为3～7个，相邻风速仪13间距为5m～10m。

所述刚性底板4与刚性地基9之间布置有多个钢珠11，大小相同，钢珠11数量为刚性底板4与刚性地基9之间的摩擦力可以忽略

本发明测试方法的步骤如下：

1)整个试验装置布置于平原上，周边直径1km范围内没有高度大于20m的建筑物或构筑物；

2)多个风速仪13测试获得x、y方向平均风速和来流风向角β，β定义为风向与 x轴的夹角，对风速仪获得的x、y方向平均风速通过指数规律获得任意i高度的风速v_xi和v_yi，通过累加所有压力计8的压力，获得输电塔1在x、y方向的总体风荷载>xi和F_yi，则总体风荷载F_xi和F_yi可采用下式计算：

式中A_xi和A_yi分别为输电塔x和y方向迎风面各杆件的面积，ρ为空气密度，μ_sx和μ_sy分别为输电塔1在x和y方向的体型系数；根据式(1)和(2)计算获得x和y方向的体型系数：

最终，输电塔1在任意β风向角下的体型系数计算公式为：

μ_s＝μ_sxcosβ+μ_sysinβ>

本发明的一个实施例：

(1)如图1所示，整个试验装置布置于某平原上，周边直径1km范围内没有高度大于20m的建筑物或构筑物。输电塔的高度为22.4m，输电塔1的四个塔脚底部固定有塔脚板2。如图2所示，每个塔脚板2上开有四个塔脚板螺栓孔3，相邻塔脚距离为2.2m，塔脚板为0.4m见方、15mm厚的钢板，螺栓孔间距为0.3m，孔大小为16mm。

(2)如图3所示，刚性底板4上固定有四组刚性底板螺栓孔5，刚性底板尺寸为3m见方，上面为0.1m厚的钢板，下部为0.2m厚的混凝土。在钢板上开有螺栓孔，其位置要求为四个孔为组，螺栓孔间距为0.3m，孔大小为16mm，每组螺栓孔距离为2.2m。要求刚性底板螺栓孔5与塔脚板螺栓孔3位置对应。如图4所示，通过长螺杆6穿过塔脚板螺栓孔3和刚性底板螺栓孔5将输电塔1与刚性底板4固接，长螺杆采用M16*140的套件，即直径16mm，长度140mm。完成了输电塔和刚性底板的固定。

(3)刚性底板4在四个方向固定多根刚性支撑杆7，刚性支撑杆为0.1m直径、 0.2m长的钢杆，每面设有3个，四个面共布置12根，均匀布置。刚性支撑杆7顶部均装有压力计8，压力计采用轮辐式压力传感器，量程为10000N。在地面的刚性地基9上方固接有刚性环梁10，刚性地基9采用复合式沉井基础，刚性环梁为为0.5m见方的钢筋混凝土梁。刚性底板4与刚性地基9之间布置有钢珠11，钢珠的直径为10mm，在刚性底板上满布。安装要求各刚性支撑杆7顶部的压力计8与刚性环梁10保持微小距离，距离为10mm，具体如图3所示。

(4)在输电塔1旁边布置有风速仪安装杆12，安装杆位于输电塔一侧20m处，安装杆高度为20m。在风速仪安装杆12上布置有多个风速仪13，风速仪共有4个，分别安装在5m、10m、15m和20m高度，风速仪为美国Young 81000型超声风速仪。

(5)统计输电塔的杆件信息，即x和y方向迎风面上的所有杆件，统计所有迎风面杆件的面积A_xi和A_yi，统计x和y方向迎风面上所有杆件的标高h_xi和h_yi。

(6)根据风速仪结果获得x方向4个高度(z＝5m、z＝10m、z＝15m、z＝20m) 的平均风速v_x，根据指数规律v_x＝v₀(z/10)^α拟合获得指数α，再根据v_xi＝v₀(z/10)^α获得x方向所有h_xi的平均风速v_xi。

(7)根据风速仪结果获得y方向4个高度(z＝5m、z＝10m、z＝15m、z＝20m) 的平均风速v_y，根据指数规律v_y＝v₀(z/10)^α拟合获得指数α，再根据v_yi＝v₀(z/10)^α获得y方向所有h_yi的平均风速v_yi。

(8)通过累加所有压力计8的压力，获得输电塔在x、y方向的总体风荷载>xi和F_yi。根据下式计算获得x和y方向的体型系数：

(9)根据风速仪结果获得来流主导风向β，最终获得输电塔在任意β风向下的体型系数，其计算公式如下：

μ_s＝μ_sxcosβ+μ_sysinβ。