不同风向下输电塔对气象监测的塔影干扰效应

针对均匀风荷载作用下5C3-SJ3型输电塔的绕流流场开展数值模拟,探究0°～180°风向角范围内,输电塔对气象监测的塔影干扰效应。通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程模拟输电塔周围绕流流场,湍流模型采用Realizable k-ε模型,并且运用切割体网格技术对计算域进行网格划分。通过探究各截面风速变化较小的区域,讨论不同风向下塔影干扰效应最小的截面,揭示了风向角对输电塔塔影干扰效应的影响规律。结果表明：塔腿横隔面和塔身横隔面中迎风侧杆件附近的塔影干扰效应最小,可考虑将气象监测点设置在相应位置上。通过三维计算流体动力学的方法,确定了塔影干扰效应较小的区域,并分析了风向角对塔影干扰效应的影响程度。研究结果对风资源数据的准确评估具有一定的指导意义。     

特高压长悬臂输电塔结构风振扭转响应

在分析±1 100 kV特高压长悬臂输电塔的风振扭转响应机制的基础上,通过有限元动力时程计算考察扭转效应对结构内力的影响。首先,计算特高压长悬臂输电塔结构横担部位的风振系数;其次,根据横担的位移时程结果明确输电塔结构的风振扭转效应;最后,定义等效扭转风振系数,计算脉动风作用下的附加扭转荷载,分析风向角和长悬臂输电塔横担总长度对结构扭转效应的影响。研究结果表明:在风荷载动力时程的作用下,长悬臂输电塔结构会产生约0.01 rad整体扭转,考虑附加扭转工况可以提高输电塔主材和斜材的设计可靠度,提高程度从高到低依次为塔身斜材、横担斜材、横担主材和塔身主材;应力包络程度从74.4%提升到93.6%,且对所有主材和斜材,考虑扭转荷载的静力计算结果对动力时程计算结果的包络程度均在90%以上;不同风向角时,输电塔结构的扭转效应和横担风荷载Y方向的分配系数呈正线性关系,其中0°风对应的等效扭转风振系数最大,达到0.75,而90°风对应的等效扭转风振系数为0。随着输电塔结构的横担总长度减小,结构的扭转效应也减小,0°风对应等效扭转风振系数先减小后稳定在0.55附近,且拐点与结构的扭转振型的阶次有关。当扭转阵型为低阶阵型时,长悬臂输电塔结构的风振扭转效应明显。     

特高压输电塔气弹模型风洞试验研究

为进一步了解特高压输电塔风振响应的特点,以正在建设的淮南-上海1000kV特高压线路中的一基双回路直线塔为原型,采用离散刚度法制作了输电塔气弹模型,进行了输电塔在紊流场中不同风速、不同风攻角下的气弹模型风洞试验.试验结果表明:输电塔模型的响应随风速的增大而增大;位移响应受风攻角的影响比较明显,在15°风时位移响应最大;各试验工况下,输电塔模型横风向的振动比较显著,X向和Y向的加速度响应处于同一量级且数值比较接近;Y向的加速度响应在0°风时最大,X向的加速度响应在90°风时最大,但任何工况下,输电塔X向的加速度响应均大于Y向的加速度响应.     

角度风作用下输电塔塔腿子结构风荷载风洞试验

完成了不同风速下2个典型特高压直流（UHVDC）输电塔角钢及钢管塔腿模型的高频测力天平（HFFB）风洞试验,研究了塔腿在斜风作用下气动力系数、角度风系数以及风荷载分配系数的分布规律,并与各国规范计算值进行了对比分析。分别构造了角度风系数以及考虑横向升力影响的夹角α的非线性函数形式,并通过试验值拟合分析确定了相关的拟合参数。结果表明：阻力系数、合力系数以及角度风系数均呈M型分布。角钢塔腿气动力系数均大于对应风向角下钢管塔腿的气动力系数,而两者角度风系数总体比较接近。各国规范计算值整体上低估了塔腿的角度风系数。角钢塔腿中风荷载分配系数的计算应利用考虑横向升力的夹角α对角度风系数进行三角变换。提出的拟合公式可为工程设计提供参考。     

山区覆冰输电塔线体系风致不平衡张力的研究

针对5B-ZBC1输电塔,采用数值试验的方法研究了风速、初始风攻角、输电塔高差和导线覆冰厚度对输电塔纵向不平衡张力的影响.作用在输电塔线上的脉动风时程是利用谐波合成法生成,通过改变高差、覆冰厚度,获得了输电塔上纵向不平衡张力的变化规律.该规律表明,在一些情况下现行规范规定所计算的输电塔不平衡张力偏小.在此基础上提出了山区这类塔型在雪荷载和风荷载共同作用下的纵向不平衡张力的理论公式.该公式的结果与数值试验结果相比误差在±6%以内,具有较好的精度.     

基于CFD模拟的格构塔平均风荷载分析

对风荷载作用下角钢格构塔各工况进行CFD模拟,研究挡风系数、风向角、长宽比及锥度等因素对阻力系数的影响,并与各国规范及试验进行对比。研究结果表明:风荷载0°风向阻力系数为挡风系数的2次多项式,其他风向角的阻力系数与0°风向的阻力系数的比值为风向角的2次多项式,最大值约为30°风向;各国规范的阻力系数及试验值相差较大,《建筑结构荷载规范》GB 50009的规定值处于最下限,日本规范的规定值处于最上限,最大相对误差为46.2%,按均匀风速修正后的CFD阻力系数与日本规范值很接近;当挡风系数较小时,遮挡效应影响较小,随着挡风系数的增大,遮挡效应的影响也增大;随着锥度的增大,阻力系数也增大,但是,一般塔的锥度都较小,其影响也比较小。     

钢管-角钢组合输电塔杆件体型系数及 背风面风荷载折减系数的风洞试验研究

对钢管-角钢组合输电塔一类的风敏感结构,其各杆件的体型系数及折减系数是该结构抗风设计中重要的风荷载参数.以500 kV和110 kV输电塔为工程背景,首先设计缩尺比分别为1:8.5的塔身和1:2.5横担刚性节段模型,然后在3个不同均匀来流风速及不同风向角下进行同步测压风洞试验,得到角钢及钢管杆件的体型系数与背风面风荷载折减系数的变化规律.并以此归纳了塔身和横担各杆件的体型系数分布及不同风向角下节段模型整体体型系数,最后将试验确定的结果与国内外相关规范值进行比较.结果表明:来流风速对塔身和横担中的角钢体型系数几乎无影响.在0°风向角下,塔身角钢体型系数沿塔身节段呈上小下大的变化趋势.塔身杆件中的角钢折减系数与日本规范较吻合.在不同雷诺数下的塔身(3.10×104～4.34×104)或横担(5.57×104～8.00×104)节段模型折减系数的差值很小.塔身和横担节段模型阻力系数与日本规范较吻合,中国规范取值分别偏小7.2％和4.5％.     

起伏地形下复杂形体大跨网格结构风压与等效静风荷载数值模拟

以大跨空间建筑结构实际工程为对象,数值模拟分析复杂形体大跨网格结构在起伏地形下的风压分布、风载体型系数和等效静风荷载.运用Fluent软件计算不同风向角下的结构风载体型系数,发现风向角对结构风载体型系数影响较大.基于谐波叠加法模拟生成风速时程并转化为风压时程,采用ANSYS软件建立结构有限元模型,施加模拟所得的风压时程和风载体型系数,分析结构风致动力效应.定义风振动力放大因子以考虑共振响应的影响,并将其与特定时刻的瞬时风压分布相结合以形成结构的等效静风荷载.数值计算分析了基于基底竖向反力最小值的等效静风荷载及其分布.     

台风风场与B类风场作用下输电塔风效应对比研究

在边界层风洞中开展了台风风场与B类风场条件下某角钢输电塔气弹模型试验,采用谐波合成法模拟了不同高度的风速时程,在时域内进行了输电塔结构风致响应计算,对比研究了两类风场条件下的风致响应与风振系数.研究结果表明:输电塔风致加速度响应随着来流风速的增大而明显增大,台风风场条件下加速度响应更为剧烈,比B类风场条件大约20%～30%;B类风场条件下风振系数为1.59,台风风场条件下达到1.85,总体增幅达到16%;数值模拟结果与风洞试验结果较为吻合.因此,台风多发地区的输电塔设计应考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应.     

特高压输电钢管塔疲劳寿命时域分析

根据上海某一地区风荷载的分布规律,得到各方向各风速的累积时间,模拟了风压脉动时程曲线。在输电塔塔线体系的空间有限元模型的基础上,分析了特高压输电钢管塔在风荷载作用下的响应。利用雨流计数法,得到各方向各风速作用下各杆件及连接的应力循环次数和应力幅。根据Miner线性累积损伤准则,计算得到关键节点的疲劳寿命,以推测出输电塔整体的疲劳寿命。     

一种高压输电塔在风场中的失稳与加固

首先分析风载荷的数值建模方法,将横担、塔身的风载荷转换成风压,作为输电塔的稳定性分析的载荷;其次,建立一种典型塔型的有限元模型,参考沿海地区的输电线路设计风速,在基本风速为30 m/s的边界条件下,对无加固、塔身第1段和第2段主材局部加固、塔身下部3段主材局部加固3种方案进行稳定性分析.研究结果表明:对下部塔身进行主材局部加固,输电塔的一阶和二阶屈曲系数分别提高4.24和4.79倍,将塔的失稳部位从主材变成辅材,可极大地减小输电塔因主材遭到破坏而发生失稳倒塔的可能性;局部加固是一种有效的提高输电塔抗风灾能力的措施.     

特高压长悬臂输电塔与输电塔-线耦合体系的风振特性

对±1 100 kV特高压长悬臂输电塔进行了有限元动力时程分析,采用单塔模型和塔线体系研究了不同风向作用下塔身和横担的风振响应特性,分析了横担总宽度对输电塔风振响应的影响.结果表明:长悬臂输电塔的一阶振型为扭转振型;随着分析的横担部位不断远离塔身中心,位移响应均方根在X方向略有削弱而在Y方向逐渐增大; 0°风向下塔线体系模型和单塔模型的风振响应较为接近,而在45°风向和90°风向下塔线体系模型的风振响应较大;横担总宽度增大时塔身部位风振响应也相应增大,横担部位风振响应在Y方向增大而在X方向略有减小,且影响效果在不同风向时呈现出一定的规律性.分析结果为长悬臂输电塔的抗风设计提供参考.     

输电塔线体系动力特性及风振响应分析

基于110 kV高压输电塔项目,建立了输电塔线体系有限元模型,并验证了输电线有限元模型的准确性.对单塔及塔线体系的动力特性进行分析,分析表明,塔线体系平面外振动耦合效应大于平面内.以谐波叠加法对输电塔线体系风载荷时程进行了数值模拟,对单塔和塔线体系的风振响应进行了时域分析.结果表明,输电塔和输电线风振响应均以一阶振型为主.塔线体系塔顶位移响应均方根值在0°风向角下是单塔的1. 73倍,而90°风向角情况下是单塔的4. 95倍.90°风向角情况下塔线体系塔顶位移背景响应分量增加较大,塔线耦合效应大于0°风向角情况.输电塔和输电线的平面内耦合效应通过输电线端部动张力差实现.输电塔塔身第2层主材所受应力大于其他各层,是倒塌破坏的危险位置.     

弦支穹顶结构的风振响应分析

在考虑了风向角和水平脉动风速谱对结构响应计算结果影响的前提下,采用完全二次型组合法(CQC法)对实际大跨弦支穹顶屋盖结构进行了风振响应的频域分析,得到了不同风向角下该弦支穹顶屋盖结构的风振系数,分析了参振模态数目对结构响应计算结果的影响,并将其他4种脉动风速谱与常用的Daveport谱的风振响应计算结果进行了对比.分析结果表明:结构不同区域的最敏感风向角不同,结构中心部位对45°风向角最为敏感,除中心和悬挑部位以外的其他部位对0°风向角最为敏感;所有区域对90°风向角最不敏感;结构的内力风振系数总体上较位移风振系数分布均匀;参振模态数对该实际结构响应计算结果的影响较为明显,因此建议选取的参振模态数不小于100.另外,Harris谱不适合用于该结构风振响应的频域分析.     

角钢输电塔杆件风压及体型系数的风洞试验研究

以220 kV角钢输电塔为研究对象,设计制作了1:2.5的大比例刚性节段模型,在均匀湍流场中进行同步测压风洞试验,获得了输电塔主材、斜材和辅材杆件的风压分布规律和体型系数沿杆件展长的分布.归纳了风荷载对塔身各杆件的作用特点以及体型系数随风向角的变化规律.对于角钢杆件,当角钢内角迎风时,阻力系数与升力系数均较大,杆件处于双向受力状态.对整塔段的体型系数进行了试验值和国内外规范取值的对比.结果表明:按我国规范取值偏小,试验值与国外规范取值接近.     

窄基输电线塔风振系数研究

窄基角钢塔作为一种占地小、通道紧凑的新型杆塔,在城郊地区输电线路工程中有应用前景.但窄基塔的塔高与根开之比(根开比)一般大于10,现有杆塔规范中无法获取窄基塔风振系数.文章以某110 kV直线型窄基角钢输电塔为工程背景,利用有限元法对窄基塔结构进行风振响应时域分析,获得其风振系数的计算结果,并与荷载规范计算值进行对比,为窄基角钢塔设计分析中的风振系数取值提供参考.     

高压输电塔线体系风致非线性振动气弹模型风洞试验

基于边界层风洞气弹模型试验的方法,对高压输电塔线耦联体系的风振响应进行了试验研究,首次在风洞中重现了输电塔线体系倒塔破坏现象.研究表明:在紊流风场中,高压输电塔线体系的风致振动呈现较强的非线性振动特征,随风速增加,非线性振动程度加剧,且输电塔结构振动呈现出混沌振动特征;由于输电线与绝缘子振动的影响,塔线体系中输电塔高阶模态的振动非常显著,且随风速增加,高阶模态的能量甚至强于低阶模态的能量;导地线与绝缘子对输电塔结构的影响随风速增加而增强.塔线体系的风振响应计算需考虑高阶模态的影响.结构设计时,需合理考虑大风时导地线与绝缘子的非线性振动对输电塔的影响.     

复杂地形下全风向风速比计算方法研究

为解决复杂地形环境中,输电塔线风荷载计算的地形修正系数选取问题,本文基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic, CFD)手段,提出了一种以无量纲风速比为输出的数值计算方法。该方法参考COST Action 732建议的风环境模拟指导准则,对CFD中复杂地形的计算域选取、边界条件定义方式作出改进,使其能够适用于大规模批量计算。围绕Askervein山丘及我国沿海地区的一处复杂地形,结合部分风洞试验、现场实测及参考COST Action 732准则获得的风速比数据,验证了数值模拟方法的合理性。结果表明,采用本文所述风速比计算手段,能准确考虑地形、地貌对输电塔线工作高度范围内的风加速比及风剖面造成的影响,该方法的实施为复杂地形风速比数据库的建立、输电塔线的防风加固及风致灾损事故分析奠定基础。     

复杂地形下基于计算流体动力学的风速比计算

为解决复杂地形环境中,输电塔线风荷载计算的地形修正系数选取问题,基于计算流体动力学(computational fluid dynamic,CFD)方法,提出了一种以无量纲风速比为输出的数值计算方法。该方法参考COST Action 732建议的风环境模拟指导准则,对CFD中复杂地形的计算域选取、边界条件定义方式作出改进,使其能够适用于大规模批量计算。围绕Askervein山丘及中国沿海地区的一处复杂地形,结合部分风洞试验、现场实测及参考COST Action 732准则获得的风速比数据,验证了数值模拟方法的合理性。结果表明,采用该风速比计算方法,能准确考虑地形、地貌对输电塔线工作高度范围内的风加速比及风剖面造成的影响,该方法的实施为复杂地形风速比数据库的建立、输电塔线的防风加固及风致灾损事故分析奠定基础。     

猫头型输电塔在覆冰与风荷载下的动力稳定

利用增量动力分析法和弧长法有限元分析了猫头型输电塔的动力稳定,对比了输电塔静力与动力失稳前、后的受力特征,分析了覆冰厚度和风向角对输电塔动力失稳的影响。通过静力失稳与动力失稳塔顶侧移比相等原则得到了不同覆冰厚度及风向角下,输电塔动力失稳临界平均风速。结果表明:杆塔失稳主要由塔身底部主材屈服、斜材面外变形增大引起;随着覆冰厚度的增加,杆塔静力失稳与动力失稳的差别加大,杆塔在风力动载下的塔顶侧移显著增加,动力失稳临界平均分风速显著减小。输电塔在风荷载作用下的整体稳定性应考虑动力效应及覆冰条件的不利影响。