[发明专利]大跨越输电塔线体系气动弹性模型设计方法

说明书

本发明公开了一种大跨越输电塔线体系气动弹性模型设计方法，基于刚性模型的边界层风洞试验数据，采用有限元模型分别计算输电塔放松Froude数相似准则，改变输电线弹性刚度和2种变比例输电线模型对风致响应的影响，设计出大跨越的气动弹性模型，进一步通过有限元模型分析钢管混凝土的材料非线性和梯度风高度对风致响应的影响。有益效果：通过增大输电线弹性刚度和采用精确的线长相似比，可以合理地设计出大跨越气动弹性模型；设计风速下考虑钢管混凝土的材料非线性对风致响应影响小，考虑梯度风高度后风致响应减小。

技术领域

本发明涉及输电线路模型设计技术领域，具体的说是一种大跨越输电塔线体系气动弹性模型设计方法。

背景技术

风荷载作用下，由于导线与输电塔的耦合运动、流体与运动结构的耦合、三维气动力之间的耦合，大跨越输电塔线体系成为相当复杂的耦联柔性体系。气动弹性模型风洞试验是深入研究各种风致耦合振动现象的有效手段。

有专业人士制作了刚性模型，模拟格构式输电塔外形，通过风洞试验研究密实度、风向角、风攻角等参数对阻力系数的影响，提出了阻力系数的计算公式，然而刚性模型测定的属于静态风效应。输电线风洞试验的研究，早期是通过节段模型获取阻力系数，然而模型风洞试验的结果通常要比实测结果大得多。有人认为模型比例和边界条件会引起这种差异，但是主要原因却没有发现。由于风洞实验室的限制，有人采用小比例设计方案制作全跨输电线的气动弹性模型，通过风洞试验研究其动力行为。然而，与桥梁的缆索不同，输电线单位长度的质量和刚度均很小，从而过小的相似比使其气动弹性模型在结构基本缩尺律和构件层面的缩尺律等方面都存在一些问题。由于输电线气动弹性模型设计的困难，为了克服这种困难，有人按照相似准则设计全塔气动弹性模型，通过风洞试验获得了风振响应和风振系数，但是研究结果未考虑输电线影响。

专业人士Loredo-Souza提出一种变比例的输电线模型设计方案，采用该方案，可以进一步缩小输电线模型的跨度，从而有效地解决了输电线气动弹性模型设计难题。在此基础上，诸多学者进行了塔线体系气动弹性模型的风洞试验。其中，梁枢果等人以500kV的某高压输电线路为背景，除了采用变比例输电线模型方案，其它缩尺率均满足相似准则，从而设计出精细的塔线体系气动弹性模型，研究了塔线耦联对输电塔风振响应的影响。同时，在大跨越输电塔线体系的风洞试验研究也取得了进展。其中，李正良以1000kV汉江大跨越特高压输电线路为工程背景，对主跨1650m，塔高181.8m的塔线体系，通过放松输电塔的Froude数相似准则进行了气动弹性模型风洞试验研究。邓洪洲以500kV江阴大跨越高压输电线路为工程背景，对主跨2300m，塔高346.5m，构件为角钢组合断面的塔线体系，通过气动弹性模型的风洞试验研究了塔线体系的风致响应和风振控制。郭勇以500kV舟山大跨越高压输电线路为工程背景，对主跨2750m，塔高370m的塔线体系，通过放松输电塔的弗劳德数(Froude数)相似准则进行气动弹性模型的风洞试验并结合时域和频域分析，研究了塔线体系的风致响应和风振控制。

以往的研究为输电塔线体系风洞试验的气动弹性模型设计提供了参考。对于塔高和跨度小的塔线体系而言，已经有了成熟的气动弹性模型设计方案，对于大跨越，目前还存在以下问题没有解决。

在现有技术中，为了模型制作的可行，需要放松苏通大跨越输电塔模型的Froude数相似准则，；基于同一风速原则，输电线模型不满足斯特劳哈尔数(Strouhal数)相似准则，进而气动阻尼不满足理论相似比；如果输电线垂跨比大，采用传统的变比例输电线模型设计会导致模型的气动阻力与理论值的误差大于5％；塔身主材采用钢管混凝土材料，高风速下混凝土会因为受拉失效，可能会影响实验结果的准确性；风洞实验室难以模拟梯度风高度以上的风剖面，风洞试验结果不准确，未考虑梯度风高度的影响。

发明内容