一种格构式塔架角度风荷载分配系数识别及塔架风荷载的确定方法

摘要

本发明属于工程技术领域，尤其是涉及一种格构式塔架角度风荷载分配系数识别及塔架风荷载的确定方法。该格构式塔架角度风荷载分配系数识别方法考虑不同角度的风的影响，与实际结果更为吻合，具有更好的适用性和更高的精度；此外，还通过计算不同角度的风的作用时塔架的风荷载，更加精确地获得了输电铁塔的风荷载，适用范围更广。

说明书

技术领域

本发明属于工程技术领域，尤其是涉及一种格构式塔架角度风荷载分配系数识别及塔架风荷载的确定方法。

背景技术

输电线路具有塔体结构高、线路跨度大等特点，在强风荷载下容易坏诱发强烈的风致振动，甚至造成严重的风灾事故，引发重大经济损失和政治、社会影响。随着我国经济持续高速发展，社会对能源的需求日益增长，我国已进入了电力建设的高峰期，尤其是超高压、特高压输电线路。然而，现阶段国内外输电线路相关行业规范在风荷载设计取值上仍存在明显的可改进余地，输电线路风荷载计算参数的取值模型过于简单粗放，致使塔体或导线上的风荷载偏离实际情况。

目前，铁塔中风荷载计算主要参考DL/T 5154-2012《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》，然而，规范中给出的4个常用风向的分配系数没有涵盖所有角度作用下的分配系数，因此，有必要进一步确定角度风荷载分配系数的方法。

发明内容

本发明的第一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种格构式塔架角度风荷载分配系数识别方法。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：

一种格构式塔架角度风荷载分配系数识别方法，所述格构式塔架角度风荷载分配系数识别方法通过风洞试验实现，包括如下步骤：

(1)获取计算参数

计算参数包括：风向和平行导线地线方向的夹角θ和角度风系数K_θ；

基于风洞高频测力天平试验，获得试验中塔身所受风荷载，其计算式如下：

式中：F_x，F_y分别为测力天平测得的沿塔身x方向和y方向的风荷载；F_θ为塔身所受风荷载由于升力系数的影响，塔身所受风荷载的合力F_θ与Y轴的夹角并不为θ；将试验来流风速V沿塔身x方向和y方向分解为V_x和V_y，得到如下表达式：

V_x＝Vsinθ(2a)

V_y＝Vcosθ(2b)

则沿塔身x方向和y方向的风荷载可表示为：

式中：S_sa和F_sa、C_D.sa分别为试验来流风速V沿着横担正面吹时模型迎风面积，对应受风荷载标准值和对应阻力系数；S_sb和F_sb、C_D.sb分别为试验来流风速V垂直横担正面吹时模型迎风面积，对应受风荷载标准值和对应阻力系数；

因此，沿塔身x方向和y方向的风荷载与总荷载的关系可表示为：

F_x＝F_sasin²θ＝F_θcosβ(4a)

F_y＝F_sbcos²θ＝F_θsinβ(4b)

式中β为塔身所受风荷载的合力F_θ与线路走向的夹角；

由公式(4a)和(4b)得到：

定义其中：K_θ为角度风系数，则得到如下表达式：

(2)确定角度风荷载分配系数λ₁，λ₂，λ₃，λ₄

由于β和θ差异很小，根据IEC60826规范中的杆塔荷载表达式，各分力可表示为：

F_x＝K_θsinβ(F_sasin²θ+F_sbcos²θ)≈K_θsinθ(F_sasin²θ+F_sbcos²θ)(7a)

F_y＝K_θcosβ(F_sasin²θ+F_sbcos²θ)≈K_θcosθ(F_sasin²θ+F_sbcos²θ)(7b)

在全方位风向角作用下，塔身x，y向的风荷载，即公式(7a)和(7b)可以表达为：

F_x＝K_θ(sin²θsinθF_sa+cos²θsinθF_sb)(8a)

F_y＝K_θ(sin²θcosθF_sa+cos²θcosθF_sb)(8b)

式中：K_θ为角度风系数，θ为来流风向与导、地线走向的夹角；F_sa为试验中风速V沿着横担正面吹时，塔身所受风荷载标准值；F_sb为试验中风速V垂直于横担正面吹时，塔身所受风荷载标准值；

定义公式(8a)和(8b)中四个项式如下：

λ₁＝K_θ·sin²(θ)·sin(θ)(9a)

λ₂＝K_θ·cos²(θ)·sin(θ)(9b)

λ₃＝K_θ·sin²(θ)·cos(θ)(9c)

λ₄＝K_θ·cos²(θ)·cos(θ)(9d)

式中：λ₁，λ₂，λ₃，λ₄均为角度风荷载分配系数。

优选地，风洞试验通过钢管输电塔塔身模型、高频动态测力天平K3D120、TF眼镜蛇风速测量仪进行试验。

本发明还有一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种格构式塔架风荷载的确定方法。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：

一种格构式塔架风荷载的确定方法，其特征在于，所述格构式塔架风荷载的确定方法应用权利要求1所述的格构式塔架角度风荷载分配系数识别方法，并包括如下步骤：

(1)确定在风沿着横担正面吹时，塔身风荷载标准值W_sa；以及确定在风垂直于横担正面吹时，塔身风荷载标准值W_sb

在实际工程应用中，基于杆塔设计规范，在风沿着横担正面吹时，塔身风荷载标准值W_sa和风垂直于横担正面吹时，塔身风荷载标准值W_sb可表示为：

W_sa＝W₀·μ_z·μ_s·B₂·A_sa·β_z(10a)

W_sb＝W₀·μ_z·μ_s·B₂·A_sb·β_z(10b)

上式中：

且W₀为基本风压；V₁₀为基本风速；μ_z为风压高度变化系数；μ_s为构件体型系数；B₂为杆塔构件覆冰风荷载增大系数；A_sa，A_sb分别为对应风向角下迎风面构件的投影面积计算值；β_z为杆塔风荷载调整系数；

(2)确定塔身沿风向的风荷载标准值W_θ

当来流风向与导、地线走向成θ时，塔身所受风荷载标准值W_θ可通过分配在横线路方向的塔身风荷载W_θx和分配在顺线路方向的塔身风荷载W_θy确定，其中：

W_θx＝λ₁·W_sa+λ₂·W_sb(11a)

W_θy＝λ₃·W_sa+λ₄·W_sb(11b)

并且由下式：

可以得到塔身所受风荷载标准值W_θ；

其中：λ₁，λ₂，λ₃，λ₄为角度风荷载分配系数；W_sa为风沿着横担正面吹时，塔身风荷载标准值；W_sb为风垂直于横担正面吹时，塔身风荷载标准值；W_θ为来流风向与导、地线走向成θ时，塔身所受风荷载标准值。

优选地，钢管输电塔塔身模型为几何相似比为1:20的输电塔塔身模型，参考某钢管塔某一塔身节段设计，以保证真实模拟钢管输电塔塔身构件的布局与位置关系。

本发明提供一种格构式塔架角度风荷载分配系数识别及塔架风荷载的确定方法，该格构式塔架角度风荷载分配系数识别方法考虑不同角度的风的影响，与实际结果更为吻合，具有更好的适用性和更高的精度；此外，还通过计算不同角度的风的作用时塔架的风荷载，更加精确地获得了输电铁塔的风荷载，适用范围更广。

附图说明

图1为钢管输电塔塔身模型在风洞试验中的受力分析图；

图2为本发明中所涉及的风洞试验装置的示意图；

图3中(a)为本发明中所涉及的钢管输电塔塔身模型的正视图，(b)为俯视图；

图4中(a)-(d)为试验模型下所得到的风向角θ与角度风荷载分配系数之间的关系图。

具体实施方式

参照附图1-4和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

一种格构式塔架角度风荷载分配系数识别方法，通过风洞试验实现，包括如下步骤：

(1)获取计算参数

计算参数包括：风向和平行导线地线方向的夹角θ和角度风系数K_θ；

基于风洞高频测力天平试验，获得试验中塔身所受风荷载，其计算式如下：

式中：F_x，F_y分别为测力天平测得的沿塔身x方向和y方向的风荷载；F_θ为塔身所受风荷载的合力；

由于升力系数的影响，塔身所受风荷载的合力F_θ与Y轴的夹角并不为θ；将试验来流风速V沿塔身x方向和y方向分解为V_x和V_y，得到如下表达式：

V_x＝Vsinθ(2a)

V_y＝Vcosθ(2b)

则沿塔身x方向和y方向的风荷载可表示为：

式中：S_sa和F_sa、C_D.sa分别为试验来流风速V沿着横担正面吹时模型迎风面积，对应受风荷载标准值和对应阻力系数；S_sb和F_sb、C_D.sb分别为试验来流风速V垂直横担正面吹时模型迎风面积，对应受风荷载标准值和对应阻力系数。

因此，沿塔身x方向和y方向的风荷载与总荷载的关系可表示为

F_x＝F_sasin²θ＝F_θcosβ(4a)

F_y＝F_sbcos²θ＝F_θsinβ(4b)

式中β为塔身所受风荷载的合力F_θ与线路走向的夹角。

由公式(4a)和(4b)得到：

定义其中：K_θ为角度风系数，则得到如下表达式：

(2)确定角度风荷载分配系数λ₁，λ₂，λ₃，λ₄

由于β和θ差异很小，根据IEC60826规范中的杆塔荷载表达式，各分力可表示为：

F_x＝K_θsinβ(F_sasin²θ+F_sbcos²θ)≈K_θsinθ(F_sasin²θ+F_sbcos²θ)(7a)

F_y＝K_θcosβ(F_sasin²θ+F_sbcos²θ)≈K_θcosθ(F_sasin²θ+F_sbcos²θ)(7b)

在全方位风向角作用下，塔身x，y向的风荷载，即公式(7a)和(7b)可以表达为：

F_x＝K_θ(sin²θsinθF_sa+cos²θsinθF_sb)(8a)

F_y＝K_θ(sin²θcosθF_sa+cos²θcosθF_sb)(8b)

式中：K_θ为角度风系数，θ为来流风向与导、地线走向的夹角；F_sa为试验中风速V沿着横担正面吹时，塔身所受风荷载标准值；F_sb为试验中风速V垂直于横担正面吹时，塔身所受风荷载标准值；

定义公式(8a)和(8b)中四个项式如下：

λ₁＝K_θ·sin²(θ)·sin(θ)(9a)

λ₂＝K_θ·cos²(θ)·sin(θ)(9b)

λ₃＝K_θ·sin²(θ)·cos(θ)(9c)

λ₄＝K_θ·cos²(θ)·cos(θ)(9d)

式中：λ₁，λ₂，λ₃，λ₄均为角度风荷载分配系数。

基于上述推导结果，在风洞试验中按照钢管输电塔塔身模型的不同密实度以及钢管输电塔塔身模型的不同高宽比进行试验，得到在不同风向角θ下不同密实度钢管输电塔塔身模型的塔身风荷载分配系数，而在本实施例中，钢管输电塔塔身模型的密实度为13％，钢管输电塔塔身模型的高宽比为1:1，得到了图4中(a)-(d)中所示的曲线关系图，在其他的实施例中，也可以采用其他数值的密实度和其他数值的高宽比。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。