一種特高壓單柱拉線塔扭振頻率的兩自由度計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種拉線塔的扭振頻率計(jì)算方法，屬于拉線塔技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種 對特高壓單柱拉線塔中扭振頻率的計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)展特高壓輸電可滿足大規(guī)模、跨區(qū)域、遠(yuǎn)距離傳輸電力的需求。特高壓拉線塔具 有結(jié)構(gòu)簡單、受力性能好、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)越、施工方便等優(yōu)勢，具有良好的應(yīng)用前景，我國特高 壓線路宜采用拉線塔。單柱拉線塔相比雙柱懸索拉線塔、門型拉線塔等其它直流特高壓拉 線塔塔型，具有占地面積相對較小、結(jié)構(gòu)簡單、受力清晰等優(yōu)點(diǎn)。單柱拉線塔是適合直流特 高壓輸電的塔型。
[0003] 某特高壓工程推薦使用的單柱拉線塔的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該單柱拉線塔由塔頭、 主柱和拉線三部分組成。塔頭和主柱需要靠拉線的張力作用保持直立，拉線由于弧垂的存 在具有大變形特性，因此在風(fēng)荷載等橫向荷載作用下，主柱會產(chǎn)生較大的繞主柱底端鉸接 點(diǎn)的轉(zhuǎn)動；對于特高壓單柱拉線塔來說其荷載增大、橫擔(dān)尺寸增大、高度增加，在橫向荷載 作用下主柱也會有較大的變形。因此，特高壓單柱拉線塔的整體和主柱均具有高柔性，對動 荷載的作用也更加敏感，其動力特性值得關(guān)注。目前針對單柱拉線塔的動力特性研究，主要 是單柱拉線塔在各種風(fēng)荷載下的動力響應(yīng)，單柱拉線塔自振特性及機(jī)理的研究未見相關(guān)報(bào) 道。
[0004] 本課題組對單柱拉線塔的靜力特性進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，針對其動力特性進(jìn)行了一 系列研究：建立了特高壓拉線塔的有限元模型，通過模態(tài)分析，分析了特高壓單柱拉線塔的 固有頻率和振型等動力特性；搭建了單柱拉線塔試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并基于環(huán)境激勵對其進(jìn)行了模 態(tài)分析；采用線性濾波法模擬塔線體系風(fēng)荷載時程，采用Newmark法對單柱拉線塔塔線體 系的風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，分析了單柱拉線塔風(fēng)振響應(yīng)的時程規(guī)律。
[0005] 上述研究結(jié)果表明：特高壓單柱拉線塔的第一階振型與自立式輸電塔有著顯著不 同。自立式輸電塔的第一階振型一般多為彎曲振動，但單柱拉線塔由于拉線的支撐剛度較 小，且塔頭的轉(zhuǎn)動慣量較大，其第一階振型為扭轉(zhuǎn)振動；特高壓單柱拉線塔的扭振頻率較低 且位于風(fēng)功率譜值較大的頻段，在垂直于線路方向的90°大風(fēng)作用下，主柱發(fā)生了明顯的 繞軸線的扭轉(zhuǎn)振動。因此，相比于自立式輸電塔，扭轉(zhuǎn)振動特性是特高壓單柱拉線塔典型的 動力學(xué)特性之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種特高壓單柱拉線塔扭振頻率的兩自由度計(jì) 算方法，該方法采用兩自由度扭振模型計(jì)算得到特高壓單柱拉線塔的扭振頻率，計(jì)算結(jié)果 與精細(xì)化有限元模型得到的結(jié)果比較吻合，計(jì)算過程簡單，精度高，可用于特高壓單柱拉線 塔扭振頻率的計(jì)算。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種特高壓單柱拉線塔扭振 頻率的兩自由度計(jì)算方法，所述的單柱拉線塔包括主柱和橫擔(dān)，所述的主柱的中上部設(shè)有 與地面連接的八組拉線，八組拉線組成拉線系統(tǒng)，主柱的底端與基礎(chǔ)平面之間通過球形結(jié) 構(gòu)鉸接，其特征在于包括如下計(jì)算步驟： (1) 計(jì)算拉線系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度矣
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種特高壓單柱拉線塔扭振頻率的兩自由度計(jì)算方法，所述的單柱拉線塔包括主柱 和橫擔(dān)，所述的主柱的中上部設(shè)有與地面連接的八組拉線，八組拉線組成拉線系統(tǒng)，主柱的 底端與基礎(chǔ)平面之間通過球形結(jié)構(gòu)鉸接，其特征在于包括如下計(jì)算步驟： (1) 計(jì)算拉線系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度矣
其中：r為拉線系統(tǒng)所產(chǎn)生的扭矩，〃為主柱發(fā)生的扭轉(zhuǎn)角； (2) 當(dāng)單柱拉線塔發(fā)生扭振時，主柱、塔頭相對于主柱中心線的運(yùn)動可近似看做剛體轉(zhuǎn) 動，拉線系統(tǒng)也會隨之相應(yīng)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，因此拉線塔的轉(zhuǎn)動慣量分為兩部分：拉線掛點(diǎn)以 下主柱及拉線系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量乂和拉線掛點(diǎn)以上主柱及塔頭的轉(zhuǎn)動慣量/ 2; a) 拉線掛點(diǎn)以下主柱及拉線系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量乂 + Jg ⑵ 其中，為拉線掛點(diǎn)以下主柱的轉(zhuǎn)動慣量，Λ為拉線系統(tǒng)對主柱中心線的轉(zhuǎn)動慣量；
式中A為拉線掛點(diǎn)以下主柱角鋼的總數(shù)目，氧.為第4艮角鋼的質(zhì)量，Λ為第i根角鋼 的長度，<為第i根角鋼與主柱中心軸心的夾角，4為第i根角鋼中點(diǎn)到主柱中心軸心的 距離；
A為拉線掛點(diǎn)到主柱中心線的距離，為單根拉線的質(zhì)量； b) 拉線掛點(diǎn)以上主柱及塔頭的轉(zhuǎn)動慣量/2
式中/?為拉線掛點(diǎn)以上拉線塔角鋼的總數(shù)目，巧為第j根角鋼的質(zhì)量，Ty為第j根角 鋼的長度，為第j根角鋼與主柱中心軸心的夾角，4為第j根角鋼中點(diǎn)到主柱中心軸心 的距離； (3) 計(jì)算主柱的扭轉(zhuǎn)剛度4 主柱為桁架結(jié)構(gòu)，運(yùn)用將桁架模型轉(zhuǎn)換為薄板結(jié)構(gòu)的思想，主柱截面為正方形時主柱 的等效扭轉(zhuǎn)剛度為
其中：7為正方形主柱截面的節(jié)間總長，6為材料的剪切模量，為薄板的截面積， O L為薄板的厚度，幼主柱的寬度； (4)計(jì)算拉線塔的扭振頻率ω 考慮主柱的扭轉(zhuǎn)變形，將拉線塔的扭振問題簡化兩自由度模型，根據(jù)振動力學(xué)通用運(yùn) 動方程，并忽略阻尼矩陣可得該兩自由度系統(tǒng)振動的頻率方程為
聯(lián)立以上4個公式，即可解得特高壓單柱拉線塔的第一階扭振頻率的表達(dá)式。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種特高壓單柱拉線塔兩自由度扭振頻率的計(jì)算方法,其特 征在于所述的步驟1中，八組拉線的扭轉(zhuǎn)剛度為
式中，Λ為拉線的弦向長度，Λ為拉線錨地點(diǎn)到主柱中心線的距離，為弦向變形的 等效切線彈性模量，J為拉線的截面積； 其中，弦向變形的等效切線彈性模量瓦彥達(dá)為：
式中，盡為拉線材料的彈性模量，P為拉線的密度，^為重力加速度，為拉線與水平 面夾角，為拉線弦向應(yīng)力。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種特高壓單柱拉線塔兩自由度扭振頻率的計(jì)算方法,其特 征在于所述的步驟3中，當(dāng)桁架結(jié)構(gòu)為交叉斜材首位連接的布置形式時，其中薄板的厚度 表達(dá)為：
式中，及為材料的拉伸模量；a為1個節(jié)間的長度，為斜材長度；4為斜材截面積；4 為主材截面積。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種特高壓單柱拉線塔扭振頻率的兩自由度計(jì)算方法，屬于拉線塔技術(shù)領(lǐng)域，考慮主柱的扭轉(zhuǎn)變形，將拉線塔的扭振問題簡化為兩自由度模型，通過計(jì)算拉線的扭轉(zhuǎn)剛度，拉線的轉(zhuǎn)動慣量以及主柱的扭轉(zhuǎn)剛度，來計(jì)算拉線塔的第一階扭振頻率。本發(fā)明中的方法相對于單自由度模型來說，考慮了特高壓拉線塔主柱長細(xì)比較大，計(jì)算結(jié)果與有限元數(shù)值模擬得到的結(jié)果比較吻合，驗(yàn)證了模型簡化的合理性，可用于單柱拉線塔扭振頻率的計(jì)算。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104636603
【申請?zhí)枴緾N201510026066
【發(fā)明人】楊文剛, 王璋奇, 朱伯文
【申請人】華北電力大學(xué)（保定）
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月20日