新疆高耸塔架建筑的抖振研究

以某大型输电塔架为工程实例,采用数值风洞试验与有限元计算相结合的方法,以新疆阿拉山口大风区不同高度处的风速时程作为荷载,研究了高耸输电塔架的抖振响应.输电塔的平均三分力系数在导线平面方向上明显大于垂直于导线平面方向,但其扭矩的作用较小.输电塔架下部风振作用的脉动特性强于上部,其各节点对附近其他节点的风振特性的影响程度与节点之间的距离密切相关,距离越近,干扰越强,反之则越弱.输电塔架的柔性越大,脉动风的作用就越显著,必须进行风致振动的分析.     

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.     

海上风力机随机风场模拟及风振响应分析

为研究海上风力机的风振特性,进行风力发电塔-轮系统的随机风场模拟和风振动力响应计算。采用谐波叠加法模拟塔架和风轮的来流风速时程,进而基于改进的叶素-动量理论(MBEM)模拟考虑风轮和塔架相干效应、风轮旋转效应的风轮脉动风速时程。结合已提出的柔性结构风振精细化频域计算方法"一致耦合法",对海上风力发电系统结构进行风振动力响应和风振系数计算。研究结果表明:海上风力发电塔-轮系统的风振动力响应以共振效应为主,但背景响应和耦合项不能忽略,风振呈现多模态耦合和多振型响应2个显著特征;系统风振系数的分布差异较大,其中风轮尖部最大(2.35),塔架中下部位最小(1.40)。     

基于大涡模拟特大型冷却塔风振系数取值研究

为研究200 m级特大型冷却塔风振系数取值问题,以国内在建的某特大型冷却塔(200 m)为例,采用大涡模拟(LES)方法获得该冷却塔表面三维气动力时程,并与国内外大型冷却塔实测结果对比,验证了数值模拟的有效性.在此基础上,结合有限元方法和风振时程分析理论对该冷却塔的动力特性、风振响应与风振系数进行了系统分析,提炼出此类特大型冷却塔二维风振系数的分布规律,最终给出了以正迎风面子午向轴力为目标的整体风振系数取值.所得出的主要研究结论可为此类200 m级超规范特大型冷却塔的风荷载设计取值提供参考.     

台风作用下输电线路风振系数及抗风性能研究

为研究良态风与台风作用下的输电线路风振系数,以广东省国古线一铁塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法模拟了台风风场,并开展了动力分析.首先,对比了5种国内外设计规范的风振系数计算方法,发现各规范均未单独考虑台风的强脉动特性;然后,基于惯性力法获取了铁塔风振系数并揭示了塔线耦联效应的影响.最后,利用生死单元法定量评估了两种风场下输电线路的抗风性能.结果表明:台风的高湍流特性导致顺风向风振系数大于良态风对应值;导线可增大铁塔横风向基频,并使铁塔振型由单塔的弯曲型变为塔线体系的弯剪型,塔线体系横担处风振系数大于单塔;湍流度从0.14提高至0.20,临界倒塌风荷载降低约11%.因此,台风多发地区的输电塔设计应适当提高湍流度取值,必要时还应考虑塔线耦联效应.     

超大型冷却塔阻尼比现场实测及风振效应影响

以国内7座大型冷却塔现场实测阻尼比识别数据为基础,选取其中高位收水冷却塔为对象,基于实测阻尼比取值范围设置4种阻尼比(分别为0.5%、1%、2%和3%)计算工况进行风振响应完全瞬态分析,并将计算结果与规范阻尼比(5%)下的风振响应进行对比.在此基础上,提炼出了阻尼比取值对高位收水冷却塔风振平均和脉动响应特性的影响,并基于5种风振响应及3种等效目标计算了不同阻尼比下的风振系数,探讨并归纳了不同阻尼比、响应目标和位置对结构风振系数取值的影响规律,最终采用非线性最小二乘法提出了以阻尼比和子午向高度为目标函数的风振系数拟合公式.主要结论可为此类高位收水冷却塔风振动力分析阻尼比取值提供科学依据.     

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.     

大跨度空间钢管桁架结构的风振响应和风振控制研究

为了获得大跨度空间钢管桁架结构在风荷载作用下的实时受力、变形情况和风振系数,本文采用自回归法编制计算程序,数值模拟具有空间相关性的大跨度空间钢管桁架结构的多点风速时程,根据由风速时程转化的作用于结构的风荷载时程对两个大跨度空间钢管桁架结构进行风振响应分析和风振系数的计算.结果表明,编制的计算程序可较好地模拟大跨度空间钢管桁架结构的空间点风速时程,计算所得风速时程的功率谱与目标功率谱吻合较好;采用粘滞阻尼器后结构节点位移及杆件应力振动幅值均有所降低,可有效地减小结构的风振响应;根据风振响应的计算结果给出了可供设计参考的结构风振系数.     

1000kV变电设备支架风振系数的研究

该文根据工程实际情况,对1000 k V设备支架风振系数进行研究,按照建筑结构荷载规范计算设备支架的风振系数,并与基于准定常理论以及Davenport谱的有限元分析所得的设备支架风振系数进行比较,结果表明按照建筑结构荷载规范计算的结果偏于保守。     

脉动风作用下气象钢塔的结构风振响应研究

以脉动风作用下沿海某气象钢塔的风振响应为研究对象,采用谐波叠加法对脉动风载荷进行模拟并验证其有效性,得到作用于气象钢塔各层上的脉动风载荷时历。建立塔架结构的空间三维有限元分析模型,进行有限元仿真,采用时域方法计算钢塔的风振动力响应,为气象钢塔的前期设计和振动控制提供必要的技术参考。分析结果表明,在50年一遇风载荷作用下,该气象钢塔的最大风振位移为0.013 m,在规范要求范围内,塔架设计具有合理性。     

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.     

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。     

大跨屋盖结构位移风振系数研究

以株洲体育中心大跨屋盖结构为背景,基于刚性模型测压试验的脉动风荷载时程,通过有限元方法在时域内对大跨屋盖结构进行了分析,研究了不同情况下结构的位移风振系数及其变化规律,并与荷载风振系数进行了比较.结果表明:与荷载风振系数不同,大跨屋盖结构位移风振系数对位置以及阻尼比的变化不敏感,且结构整体的几何非线性对结构的荷载风振系数和位移风振系数影响相对均较小.在计算风振系数时,可以荷载风振系数为主,位移风振系数作为前者的补充.     

高耸结构风振响应的MTMD控制研究

研究了MTMD对北京奥林匹克公园中心演播塔在强风作用下风振响应的振动控制效果.基于随机振动理论,利用M.Shinozuka方法对该塔的脉动风荷载进行数值模拟,得到了6条脉动风荷载时程曲线;利用大型三维空间有限元软件MIDAS/GEN7.3.0建立了该塔三维模型,并对该塔进行了动力特性分析,同时利用6条脉动风荷载时程曲线,对该塔的风振响应进行了MTMD振动控制研究,以该塔顶层的风振响应为优化目标,对MTMD的参数进行了优化研究.结果表明:该塔的加速度风振响应超过了规范的容许值,设置MTMD后该塔的风振加速度响应有明显的减小;最优参数的MTMD对该塔的风振加速度响应和位移响应的减振率分别为30.5%和46.0%.MTMD吸收了大量的能量,对该塔的风振响应有明显的控制作用.     

窄基角钢输电塔风载体型系数数值模拟

为研究基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟技术的窄基角钢输电塔整体建模及风载体型系数的合理取值问题,文章利用UG和GAMBIT软件建立了输电塔模型,利用Fluent软件进行了不同风向角下输电塔风载体型系数的计算,讨论了风速、风向对风载体型系数的影响,并与规范值进行了比较。研究发现,参考风速对风载体型系数影响很小;纵向及横向风载体型系数随风向角的变化均先增大后减小,分别在22.5°、67.5°达到最大值;模拟得到的输电塔各段风载体型系数比规范计算结果大20%以上,特别是塔腿和横担部分与规范相差更大。     

500kV全联合变电构架体型系数风洞试验及风振系数取值分析

以典型的500kV全联合变电构架为背景,通过风洞试验测试与有限元计算分析相结合,研究全联合变电构架的风荷载体型系数、风振系数的取值.分别制作了1/11的单根横梁模型和1/32的七跨全联合构架模型,测试了不同类型横梁的风荷载体型系数,并基于风洞试验得到的体型系数对全联合构架进行风振响应分析,计算了其风振系数取值.结果表明,A,B和C三类横梁体型系数测试值分别为2.23,2.35和2.18,比《建筑结构荷载规范》和《变电站建筑结构设计技术规程》取值分别大8%,14%和7%;阻尼比2%时,20m,26m和34m标高处横梁的风振系数分别为1.60,1.80和1.58,比《变电站建筑结构设计技术规程》的取值分别大7%,6%和5%,国内规范对此类结构的风荷载取值偏于不安全.     

1000kV干字型铁塔风振系数研究

针对福州-厦门1 000 kV干字型耐张铁塔的结构抗风性能,在ANSYS软件中建立杆梁混合模型,由AutoCAD铁塔组装图计算挡风面积,采用AR法模拟风速时程并计算风荷载,通过时域法完成铁塔风振系数计算.仿真结果表明:与建筑规范相比,干字型铁塔的风振系数随高度增加而呈非线性、曲折形增长,其分布特性与铁塔质量和挡风面积的比值有关;由AutoCAD铁塔组装图计算挡风面积与填充系数为0.192 5时的经验公式计算结果较为接近,但是在横隔面处二者面积计算值差异比较大,也导致两种方法所得到的风振系数在横隔面处存在较大差异.     

大跨度屋盖结构风振系数随厚度变化研究

为研究大跨度薄壳屋盖结构屋盖厚度与风振系数关系问题,首先建立了时域内大跨度薄壳屋盖结构空间三维风振分析模型.然后通过FORTRAN软件平台编制基于谐波叠加法的脉动风载荷程序.最后采用ANSYS瞬态动力计算得到屋盖结构的风振系数值,并分析出该类屋盖结构的风振系数与屋盖厚度之间的变化趋势.结果表明,谐波叠加法是模拟风荷载的有效方法,大跨度屋盖结构的位移风振系数值随厚度的减小而增大,其中跨中部位为受风荷载影响最为显著.数值算例验证了本文方法的正确性与有效性,为屋盖结构的抗风设计提供理论依据和工程参考意义.     

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.     

非规则高耸佛像的风洞试验及风振系数

以新疆西王母像为工程背景,对非规则高耸佛像进行了测压风洞试验,建立了复杂的三维钢骨架有限元模型,计算了结构的动力特性,并利用ANSYS参数化设计语言,编制了能够精确求解非规则高耸佛像风振响应的程序.在此基础上,通过风洞试验所得的风压系数,计算得到254个测点的荷载时程向量,并加载至有限元模型,计算了30个风向角下佛像各关键测点处的风振系数.研究结果表明:风洞实验所得的风压系数时程数据的精度较高,可以满足佛像风振系数的计算要求;对于非规则高耸佛像,其自振频率分布密集,基阶振型不是主控振型,不能直接采用《规范》所建议的风振系数,而应重新计算;风向角的变化对佛像风振系数的影响十分显著,应对最不利的风向角进行抗风验算.