长塔臂输电塔的三维风荷载特性及抗风设计方法研究

随着输电线路规模的增大，长横担输电塔越来越广泛地得到应用。由于在长横担上存在很大的质量和挡风面积的突变，导致长横担输电塔的风荷载特性与传统的输电塔有较大差异，同时其横风向和扭转向的风荷载效应显著，非常有必要进行长横担输电塔三维风荷载特征和抗风设计方法研究。本课题主要研究内容有：（1）采用气弹模型风洞试验获得输电塔在顺风向、横风向和扭转向的风振特征；（2）采用高频动态天平风洞试验研究圆截面钢管塔的体型系数，分析风洞试验时雷诺数效应的修正方法；（3）采用大比例尺刚性测压风洞试验获得角钢塔各杆件的局部风压分布，分析节段模型的整体体型系数和力谱特征；（4）基于高频天平动态试验数据，提出考虑顺风、横风和扭转向三维作用的输电塔等效风荷载计算方法；（5）分析输电塔风致响应的各种时频域计算方法，对比各结果以探讨各种方法的适用性；（6）研发用于输电塔加速度测试的轻便现场实测装置和进行应用，研究输电塔的半刚性连接对输电塔自振特性和风致响应的影响；（7）基于向量式有限元方法进行输电塔风振响应和风致倒塌计算。 研究结果表明：（1）在各风向角下输电塔的横风向加速度与顺风向加速度接近，横风向效应在设计中必须考虑；（2）圆钢塔的天平测力风洞试验中，高湍流风场下测试获得的体型系数可不进行修正，均匀流下体型系数需要考虑修正系数；（3）圆钢塔架体型系数在15°风向上达到最大值，正迎风的体型系数与美国规范接近，比中国规范大；(4)典型角钢塔节段模型的顺风向体型系数为2.99，比中国规范大，规范数据偏危险；（5）典型角钢塔节段模型在顺风向与横风向基底剪力的相干性、顺风向基底剪力与扭矩间的相干性均较小，横风向基底剪力与扭矩间的相干性较大；（6）时频和频域的两种方法（CQC法和背景加共振）得到的结果非常接近，在频域分析中模态交叉项的贡献不可忽略，对于长塔臂输电塔需要考虑至少6阶模态的参与；（7）基于C 编制了输电塔基于向量式有限元的风振响应计算程序，与传统有限元的风致响应结果一致，演算获得输电塔的风致倒塌过程；（8）提出了输电塔的三维抗风设计方法，能同时考虑三个方向的风荷载作用，已在玉环电厂二期送出线路等工程中得到应用。 2100433B

超高压和特高压线路是现代输电线路的主要建造方向，长塔臂是这些输电塔的典型特征。长塔臂输电塔在横担上有很大的质量和挡风面积的突变，其动力特性和传统的输电塔有较大差异，横风向和扭转风荷载效应显著。输电塔设计规范没有考虑横风向和扭转的风荷载，同时提供的风振系数计算方法很难适用于长塔臂输电塔。国内外相关研究主要针对顺风向，很少涉及扭转效应以及考虑三维作用的风效应，同时以往基于悬臂梁模型的风荷载研究方法和相关理论在长塔臂输电塔也存在适用性问题。本课题针对典型长塔臂输电塔，采用现场实测、高频动态天平风洞试验、气弹模型风洞试验、典型节间测压风洞试验和时频域计算方法，分析输电塔三维风荷载的时频域特征和产生机理，研究分布力和节点力的风荷载作用模式对杆件受力的影响，给出考虑三个方向作用的输电塔风荷载的研究方法、响应特征和等效风荷载。发展输电塔的相关风振理论，并为相关规范条文的修订提供一定的依据。

本文将典型高压输电塔分为塔头、塔身和塔腿三部分，应用高频天平测力风洞试验技术，分别研究了塔头、塔身结构风荷载特性及作用机理。根据试验结果建立了结构风荷载的解析模型，计算了输电塔的风致响应，分析了结构阻尼比、模态数目等参数对响应的影响。采用广义阵风因子法给出了输电塔等效静力风荷载计算方法，对比了不同规范给出的等效静力风荷载，所得结论对完善我国输电塔风荷载规范条文有参考价值。

雷暴冲击风的最大风速出现在近地面附近，对输电线塔具有极强的破坏性。当前针对雷暴冲击风下输电塔风荷载和风振性能的研究较少，导致输电塔的风毁事故时有发生。包括我国在内的大多数国家的荷载规范基本上仍采用常态大气边界层剖面风荷载作为设计荷载，并未体现雷暴冲击风的作用。本项目采用自主开发的雷暴冲击风模拟装置，在常规边界层风洞中实现了雷暴冲击风的模拟。基于输电塔气弹模型风洞试验，采用非接触位移测试技术对输电线塔在冲击风场下的风振特性进行了系统研究。总结了不同类型的输电塔在不同尺度冲击风作用下的风振响应规律，并对比分析了常规风场和冲击风场下塔头、塔高等因素对输电塔风振响应的影响。基于输电塔气弹模型位移响应的测量结果，研究输电塔气动荷载的分布特征，类比于荷载响应相关法，建立了输电塔结构三维静力等效风荷载的新的试验分析方法。研究结果表明，冲击风下的输电塔风振响应与常规风场下的响应并未有明显区别，均以一阶模态振动为主。不过，由于冲击风的低湍流度特征导致脉动响应偏小。输电塔风振响应随高度和风速的增大而增大，同时随风向角变化呈现规律性的特征，最大风振响应基本发生在15o～30o。风场和塔高相近的条件下，干字型塔楼的平均和脉动响应均高于猫头型输电塔。输电塔的等效静风荷载成分组成说明，对于镂空的输电塔结构，其平均荷载占有绝对优势，背景响应和共振响应占次要地位。 2100433B

雷暴冲击风是短时间内冲向地面并沿雷暴中心向外围迅速扩散的高强气流，其最大风速出现在近地面附近，对输电线塔具有极强的破坏性。目前针对雷暴冲击风下输电塔风荷载和风振性能的研究较少，包括我国在内的大多数国家的荷载规范基本上仍采用常态大气边界层剖面风荷载作为设计荷载，并未体现雷暴冲击风的作用。本项目通过输电塔气弹模型风洞试验，在边界层风洞中模拟雷暴冲击风风场，采用新的位移测试技术对输电线塔雷暴冲击风作用下的风振特性进行系统的研究，分析不同类型的输电塔在冲击风作用下的风振响应规律。基于输电塔气弹模型整体位移响应的测量结果，进行气动阻尼参数和作用于结构上的气动荷载识别，研究输电塔结构气动阻尼随风速的变化规律和气动荷载的分布特征与作用机理，建立输电塔结构三维静力等效风荷载的新的试验分析方法，为输电塔抗冲击风设计提供理论依据和设计指导。