專利名稱：一種輸電塔三維抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及架空輸電線路桿塔的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，更具體的說，是涉及超長橫擔(dān)輸電塔的一種三維抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
為解決可用土地少和電力傳輸容量需求大的矛盾，超高壓同塔多回輸電線路近年來得到廣泛應(yīng)用。風(fēng)荷載作為同塔多回輸電塔的主要控制荷載，合理確定抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法對(duì)保證輸電鐵塔設(shè)計(jì)的安全、經(jīng)濟(jì)和可靠，具有非常重要的意義?！都芸账碗娋€路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T5154以下簡稱《技術(shù)規(guī)定》)要求， 當(dāng)桿塔全高超過60m時(shí)，桿塔風(fēng)振系數(shù)應(yīng)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GBJ 50009)采用由下到上逐段增大的數(shù)值。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算公式適用于結(jié)構(gòu)外形和質(zhì)量沿高度分布均勻或規(guī)則變化的高聳結(jié)構(gòu)，而輸電塔在橫擔(dān)處質(zhì)量和擋風(fēng)面積均會(huì)發(fā)生突變。當(dāng)橫擔(dān)較短、塔高較低時(shí)，橫擔(dān)的存在對(duì)風(fēng)振系數(shù)取值的影響并不明顯；而當(dāng)橫擔(dān)較長時(shí)，桿塔顯然無法滿足沿高度分布均勻或規(guī)則變化的要求。同時(shí)《技術(shù)規(guī)定》僅考慮了順風(fēng)向桿塔風(fēng)荷載，無法考慮輸電塔橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載的計(jì)算。相比于常規(guī)鐵塔，500kV同塔多回輸電塔的結(jié)構(gòu)形式比較獨(dú)特(橫擔(dān)很長，本專利涉及的500kV同塔四回路直線塔高74. 5m，最長的橫擔(dān)向外側(cè)延伸21m)，具有如下風(fēng)荷載特征I)輸電塔迎風(fēng)面積和質(zhì)量突變嚴(yán)重，塔身及橫擔(dān)結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)無規(guī)范可遵循。2)超長橫擔(dān)對(duì)來流擾動(dòng)嚴(yán)重，輸電塔的橫風(fēng)向振動(dòng)效應(yīng)顯著。3)由于橫擔(dān)較長，振型出現(xiàn)的順序也有所不同，如常規(guī)塔的模態(tài)出現(xiàn)順序?yàn)闄M線向的I階彎曲、順線向的I階彎曲和I階扭轉(zhuǎn)。而500kV四回路直線輸電塔的模態(tài)順序?yàn)闄M線向的I階彎曲、I階扭轉(zhuǎn)和順線向的I階彎曲。也就是說，I階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的出現(xiàn)要比順線向I階彎曲模態(tài)的出現(xiàn)早，因此其風(fēng)致特性與常規(guī)輸電塔不同。4)由于扭轉(zhuǎn)模態(tài)的存在，需特別考慮輸電塔的抗扭設(shè)計(jì)。尤其是有風(fēng)偏角情況，塔的扭動(dòng)模態(tài)會(huì)得到較大的激發(fā)，應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)風(fēng)振效應(yīng)。顯然，常規(guī)設(shè)計(jì)方法無法適用于超長橫擔(dān)輸電塔的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，而提供一種輸電塔三維抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，該方法重點(diǎn)在于輸電塔各組件體型系數(shù)的測定和基于基底響應(yīng)力譜的三維等效節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載計(jì)算。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的該方法包含通過增減橫擔(dān)部件方法進(jìn)行剛性模型天平測力風(fēng)洞試驗(yàn)，測定超長橫擔(dān)輸電塔塔身和橫擔(dān)各風(fēng)向角下的體型系數(shù)；采用輸電塔節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載譜的沿高度分段估計(jì)方法得到基于基底響應(yīng)力譜的各節(jié)點(diǎn)順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載互功率譜，以節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載互功率譜為基礎(chǔ)，采用荷載-響應(yīng)相關(guān)法得到直接用于輸電塔抗風(fēng)設(shè)計(jì)的三維等效節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載。該方法的步驟是I)制作輸電塔剛性縮尺模型，進(jìn)行均勻流場天平測力風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)風(fēng)向角 0° 90°，每15°為一個(gè)測試工況；通過增減橫擔(dān)部件方式，采用測力天平測定輸電塔塔身和橫擔(dān)各風(fēng)向角下的體型系數(shù)；2)對(duì)全塔剛性模型進(jìn)行高頻動(dòng)態(tài)天平測力風(fēng)洞試驗(yàn)，測得輸電塔總體基底響應(yīng)力譜，利用輸電塔節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載譜的沿高度分段估計(jì)方法得到基于基底響應(yīng)力譜的各節(jié)點(diǎn)順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載互功率譜；3)得到各節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載互譜后，采用荷載-響應(yīng)相關(guān)法計(jì)算得到輸電塔各節(jié)點(diǎn)的等效風(fēng)荷載，該節(jié)點(diǎn)等效荷載包含了順、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向三維等效風(fēng)荷載，并可直接用于輸電塔的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。所述輸電塔節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載譜的沿高度分段估計(jì)方法，引入如下假定脈動(dòng)風(fēng)荷載無量綱自功率譜沿高度不變；忽略結(jié)構(gòu)振動(dòng)，只考慮風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用而忽略結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)的反作用；脈動(dòng)風(fēng)是均值為零的平穩(wěn)高斯過程；基于準(zhǔn)定常假設(shè)的脈動(dòng)風(fēng)荷載相干性可以用脈動(dòng)風(fēng)速的相干性來代替；所述荷載-響應(yīng)相關(guān)法計(jì)算過程將涉及不同風(fēng)向角下輸電塔體型系數(shù)的取值問題，體型系數(shù)采用風(fēng)洞試驗(yàn)測試結(jié)果。本發(fā)明所述輸電塔節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載譜的沿高度分段估計(jì)方法是試驗(yàn)測得的基底數(shù)據(jù)與各個(gè)節(jié)點(diǎn)處風(fēng)力互譜的關(guān)系為
N NSmx (/) = Σ Σ SFx (z,，z] ；/) z,zj
/=1 J=ISmz (/) = Σ Σ sFz (ζ,，zJ ；/) W( I )
/=1 j=\V (/) = Σ Σ Spn (ζ, , Zj;/)
/=ι y=iN為輸電塔沿高度分布的節(jié)點(diǎn)數(shù)，SFX(Zi，Zj ；f)為Zi, Zj位置的順風(fēng)向風(fēng)荷載互譜； Sfz(Zi, Zj ；f)為Zi, Zj位置的橫風(fēng)向風(fēng)荷載互譜；SFN(zi; Zj ；f)為Zi, Zj位置的扭矩互譜；這樣可以得到各個(gè)結(jié)點(diǎn)的風(fēng)荷載自譜和互譜。具體推導(dǎo)過程如下
5
假定脈動(dòng)風(fēng)荷載無量綱自功率譜沿高度不變，即
SFu (Zi, f、_ SFu ，f、_ V I^ O Λ
得到第i結(jié)點(diǎn)的風(fēng)荷載自譜為
認(rèn);/) = S;(/K⑷⑴
當(dāng)忽略脈動(dòng)風(fēng)二次項(xiàng)的影響時(shí)，結(jié)構(gòu)ζ高度處的的脈動(dòng)風(fēng)壓可表示為
p(z,t) = pu (z)u'(z,t) = ρ Η u'(z,t)(4)
輸電塔第i個(gè)結(jié)點(diǎn)上作用的脈動(dòng)風(fēng)荷載可以表示為
F = P{z,,t)cd {Z,)A{Z,) = P^h [j^\ cd (z,)a(z.)u,(zO = Eiz,)u'(z^t) (5
式中Cd(Zi)為第i個(gè)結(jié)點(diǎn)的風(fēng)荷載體型系數(shù)；A(Zi)為第i個(gè)結(jié)點(diǎn)的迎風(fēng)面面積。 則第i個(gè)結(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載均方根可以表示為Op(Zi)=E(Zi)Ou, (Zi)(6)不同高度處的風(fēng)荷載互功率譜可以寫成下面形式Sfu (ζ,,ζ/,/) =機(jī)u (z,;/) SPu (Zj; f)cohP (ζ,, Zj)(7)式中cohF(Zi，Zj)為Zi，Zj位置的節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載互相干函數(shù)。假設(shè)脈動(dòng)風(fēng)荷載相干性可以用脈動(dòng)風(fēng)速的相干性來代替，將式(3)代入式(7)得到SFu(Zi, Zj ;f) = σ F(Zi) σ F(Zj) S' F(f)coh(zi； Zj)(8)將式(6)代入式⑶得到SFu(ZijZj5D =E(Zi)E(Zj) σ u, (Zi)Ou, (Zj)S' F(f)coh(zi； Zj)(9)將式(9)代入式(I)即Smx(Z) = Y4Y4E(Z1)E (Zj ) σ, (ζ,.) σ , (ζ.) S’F (f)coh (ζ,., Zj )ziZj
/=1 j=\ 無量綱風(fēng)荷載自功率譜為
S，_^mx )_
_2]YLE{Zi)E(Zj) aW (Zj ) coh (zt，Z1 )ziZj
/=1 J=I將式(11)代入式(9)得到順風(fēng)向節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載互功率譜
。(___r、SMx{f)E{Z,)E[ZMu' (Z, ) ση' (Zj ) C0k (Ζ,，Ζ])^Fu\Zi^Zj^J ) = N N
ΣΣΕ(ζ>)Ε(ζ) aW iz,) ση' ) COh (ζ,, ζ] )ζιΖ]
/=1 7=1同理，假設(shè)橫風(fēng)向與扭轉(zhuǎn)向的風(fēng)荷載沿高度分布規(guī)律與順風(fēng)向風(fēng)荷載相同，可以得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)處橫風(fēng)向與扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載互功率譜
。(_ …、SMY{f)E{zl)E(zj)au,(zi) (Zj) coh (ζ,,ζ^⑴、入zi，zpJ)- N NC 13)
ΣΣ￡ ⑷￡(Zj) iz, ) ση' ) COh (ζ,, ζ] )ζιΖ]
/=1 7=1
e . . .Λ SN{f)E{Z,)E(ZJ) ση· (^, ) ^u· h ) ^Oh (ζ,, Zj )…、
「00471 ^FN\Zi^Zj^J ) - N NC 14)
YY4E(Z1)E (Zj) ση, (ζ,) ση, (Zj) coh (ζ,，Zj)
/=1 7=1與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是考慮了不同風(fēng)向角對(duì)體型系數(shù)的影響，通過風(fēng)洞試驗(yàn)真實(shí)測定了超長橫擔(dān)這類特殊部件的體型系數(shù)值；突破了規(guī)范的限制，充分考慮超長橫擔(dān)輸電塔的特點(diǎn)，不僅計(jì)算輸電塔順風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)，還同時(shí)計(jì)算了輸電塔橫風(fēng)向與扭轉(zhuǎn)向的風(fēng)振響應(yīng)，保證了超長橫擔(dān)輸電塔設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。


圖I是本發(fā)明所述超長橫擔(dān)輸電塔的正視圖；圖2是本發(fā)明所述超長橫擔(dān)輸電塔的俯視具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的介紹圖1、2所示，所述的輸電塔主 要包括塔身1和橫擔(dān)2等常規(guī)結(jié)構(gòu)內(nèi)容；其中圖2中所示的0為風(fēng)向角，P等于0度時(shí) 為順線向，0等于90度時(shí)為橫線向。結(jié)合圖1、2所示同塔四回輸電塔，詳細(xì)描述節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷 載互譜的分段估值方法。所述的輸電塔三維抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，它包括1)制作輸電塔剛性縮尺模型，進(jìn)行均勻流場天平測力風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)風(fēng)向角 0° 90°，每15°為一個(gè)測試工況；通過增減橫擔(dān)部件方式，如輸電塔全塔結(jié)構(gòu)、缺1/2橫 擔(dān)結(jié)構(gòu)、缺1橫擔(dān)結(jié)構(gòu)、缺3/2橫擔(dān)結(jié)構(gòu)、缺2橫擔(dān)結(jié)構(gòu)、無橫擔(dān)結(jié)構(gòu)等，采用測力天平測定 輸電塔塔身和橫擔(dān)各風(fēng)向角下的體型系數(shù)。2)對(duì)全塔剛性模型進(jìn)行高頻動(dòng)態(tài)天平測力風(fēng)洞試驗(yàn)，測得輸電塔總體基底響應(yīng)力 譜，并提出輸電塔節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載譜的沿高度分段估計(jì)方法；該方法引入如下假定脈動(dòng)風(fēng)荷 載無量綱自功率譜沿高度不變；忽略結(jié)構(gòu)振動(dòng)，只考慮風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用而忽略結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)的 反作用；脈動(dòng)風(fēng)是均值為零的平穩(wěn)高斯過程；基于準(zhǔn)定常假設(shè)的脈動(dòng)風(fēng)荷載相干性可以用 脈動(dòng)風(fēng)速的相干性來代替；利用分段估計(jì)方法可得到基于基底響應(yīng)力譜的各節(jié)點(diǎn)順風(fēng)向、 橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載互功率譜。3)得到各節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載互譜后，即可采用荷載-響應(yīng)相關(guān)法(LRC法)計(jì)算得到輸電 塔各節(jié)點(diǎn)的等效風(fēng)荷載，計(jì)算過程將涉及不同風(fēng)向角下輸電塔體型系數(shù)的取值問題，體型 系數(shù)采用風(fēng)洞試驗(yàn)測試結(jié)果；該節(jié)點(diǎn)等效荷載包含了順、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向三維等效風(fēng)荷載， 可直接用于輸電塔的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)測得的基底數(shù)據(jù)與各個(gè)節(jié)點(diǎn)處風(fēng)力互譜的關(guān)系為
權(quán)利要求
1.一種輸電塔三維抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，該方法包含通過增減橫擔(dān)部件方法進(jìn)行剛性模型天平測力風(fēng)洞試驗(yàn)，測定超長橫擔(dān)輸電塔塔身和橫擔(dān)各風(fēng)向角下的體型系數(shù)；采用輸電塔節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載譜的沿高度分段估計(jì)方法得到基于基底響應(yīng)力譜的各節(jié)點(diǎn)順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載互功率譜，以節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載互功率譜為基礎(chǔ)，采用荷載-響應(yīng)相關(guān)法得到直接用于輸電塔抗風(fēng)設(shè)計(jì)的三維等效節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的輸電塔三維抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于該方法的步驟是1)制作輸電塔剛性縮尺模型，進(jìn)行均勻流場天平測力風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)風(fēng)向角0° 90°，每15°為一個(gè)測試工況；通過增減橫擔(dān)部件方式，采用測力天平測定輸電塔塔身和橫擔(dān)各風(fēng)向角下的體型系數(shù)；2)對(duì)全塔剛性模型進(jìn)行高頻動(dòng)態(tài)天平測力風(fēng)洞試驗(yàn)，測得輸電塔總體基底響應(yīng)力譜， 利用輸電塔節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載譜的沿高度分段估計(jì)方法得到基于基底響應(yīng)力譜的各節(jié)點(diǎn)順風(fēng)向、 橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載互功率譜；3)得到各節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載互譜后，采用荷載-響應(yīng)相關(guān)法計(jì)算得到輸電塔各節(jié)點(diǎn)的等效風(fēng)荷載，該節(jié)點(diǎn)等效荷載包含了順、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向三維等效風(fēng)荷載，并可直接用于輸電塔的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸電塔三維抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述輸電塔節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載譜的沿高度分段估計(jì)方法，引入如下假定脈動(dòng)風(fēng)荷載無量綱自功率譜沿高度不變；忽略結(jié)構(gòu)振動(dòng)，只考慮風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用而忽略結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)的反作用；脈動(dòng)風(fēng)是均值為零的平穩(wěn)高斯過程；基于準(zhǔn)定常假設(shè)的脈動(dòng)風(fēng)荷載相干性可以用脈動(dòng)風(fēng)速的相干性來代替；所述荷載-響應(yīng)相關(guān)法計(jì)算過程將涉及不同風(fēng)向角下輸電塔體型系數(shù)的取值問題，體型系數(shù)采用風(fēng)洞試驗(yàn)測試結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的輸電塔三維抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述輸電塔節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載譜的沿高度分段估計(jì)方法是試驗(yàn)測得的基底數(shù)據(jù)與各個(gè)節(jié)點(diǎn)處風(fēng)力互譜的關(guān)系為SMX (/) = Σ Σ sFX (Z,，Z] ； f) Z,ZJ/=1 j=\SMZ (/) = Σ Σ SFZ (Ζ,，Ζ] ；/) Z,Zj( I )/=1 j=\^μγ(/)=Σ (ζ^/)/=1 J=IN為輸電塔沿高度分布的節(jié)點(diǎn)數(shù)，Sfx(zi； Zj ；f)為Zi，立置的順風(fēng)向風(fēng)荷載互譜； Sfz(Zi, Zj ；f)為Zi, Zj位置的橫風(fēng)向風(fēng)荷載互譜；SFN(zi; Zj ；f)為Zi, Zj位置的扭矩互譜；這樣可以得到各個(gè)結(jié)點(diǎn)的風(fēng)荷載自譜和互譜。具體推導(dǎo)過程如下假定脈動(dòng)風(fēng)荷載無量綱自功率譜沿高度不變，即SFu (Zi, f、_ SFu ，f、_ V I^ O Λ得到第i結(jié)點(diǎn)的風(fēng)荷載自譜為認(rèn);/) = S;(/K⑷⑴當(dāng)忽略脈動(dòng)風(fēng)二次項(xiàng)的影響時(shí)，結(jié)構(gòu)ζ高度處的的脈動(dòng)風(fēng)壓可表示為
全文摘要
一種輸電塔三維抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，該方法包含通過增減橫擔(dān)部件方法進(jìn)行剛性模型天平測力風(fēng)洞試驗(yàn)，測定超長橫擔(dān)輸電塔塔身和橫擔(dān)各風(fēng)向角下的體型系數(shù)；采用輸電塔節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載譜的沿高度分段估計(jì)方法得到基于基底響應(yīng)力譜的各節(jié)點(diǎn)順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載互功率譜，以節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載互功率譜為基礎(chǔ)，采用荷載－響應(yīng)相關(guān)法得到直接用于輸電塔抗風(fēng)設(shè)計(jì)的三維等效節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載；它考慮了不同風(fēng)向角對(duì)體型系數(shù)的影響，真實(shí)測定了超長橫擔(dān)這類特殊部件的體型系數(shù)值；突破了規(guī)范的限制，充分考慮超長橫擔(dān)輸電塔的特點(diǎn)，不僅計(jì)算輸電塔順風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)，還同時(shí)計(jì)算了輸電塔橫風(fēng)向與扭轉(zhuǎn)向的風(fēng)振響應(yīng)，保證了超長橫擔(dān)輸電塔設(shè)計(jì)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102609579SQ20121002172
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月31日
發(fā)明者應(yīng)建國, 歐曉暉, 沈國輝, 沈建國, 潘峰, 邢月龍, 郭勇, 高志林, 黃永林, 黃靜文 申請(qǐng)人:浙江省電力設(shè)計(jì)院