guowei@csu.edu.cn

Contact

Email:guowei@csu.edu.cn 
QQ:107393406 
Tel:18773186199
Add:湖南省长沙市天心区韶山南路22号,中南大学铁道校区土木工程学院,多功能振动台实验室

Home > Seismic and Damping

Seismic and Damping

格构式输电塔及输电塔—线体系风振响应研究测试测试

【Published time:2014/11/6】 【Read the number:513】

格构式输电塔及输电塔—线体系风振响应研究 点击下载

【摘要】:输电塔-线体系兼有质轻、高柔、大跨和小阻尼等特点,对风荷载十分敏感。输电线路的风致破坏现象时有发生。当前,对于格构式输电塔的具体抗风设计方法以及输电塔-线体系的风振响应均处于研究阶段,尚未建立起一个包括细节在内且公认有效的具体实施方案,甚至关于格构式输电塔横风向振动的作用机理还仍处于探讨阶段,尚未有统一定论。 本文从指出并完善广义气动力谱理论公式的固有缺陷入手,并通过三种典型格构式输电塔气动弹模型的风洞试验,主要对格构式输电塔横风向振动的作用机理、风振激励模型、位移响应实用计算模型以及内力响应新的计算方法等方面作了系统性研究。通过研究,不仅对横风向振动的作用机理有了更为清晰的认识,同时还为格构式输电塔风振响应计算提供了一个参数明确、实用性强且更加方便快捷的可行性实施方案;此外,通过三种典型格构式输电塔-线体系的风洞试验,对输电塔-线体系研究对象的合理选定、中塔(气动弹塔,下同)的风振特性及其风振响应规律等方面进行了研究,其中的部分内容具有“首次”和“发现”意义。本文工作主要包括如下几个方面:(1) 明确指出了当前消除基底力矩一阶振型共振贡献理论公式的固有缺陷,并对该公式进行了理论完善。首先,明确指出当前消除基底力矩一阶振型共振贡献理论公式的固有缺陷;然后,引入理应客观存在的且能够体现输入与输出相关性的交叉项,明确交代了具体推导过程,从而推导出相应的计算公式;进一步,明确指出了由此公式得到的广义力谱是已包括了气动阻尼在内的广义气动力谱,并给出物理解释和有助于理解的理论说明。因此,可不必为此对气动阻尼再进行评估。 (2)  全面且深入考究了格构式输电塔横风向振动的作用机理。首次明确指出了高频漩涡脱落在性质上的存在性及其在量化上的可忽略性;深入并全面分析了格构式输电塔横风向振动诱因,由此可知横风向振动是由于来流风与格构式输电塔相互作用过程中产生了一种垂直于来流方向的大尺度尾流所致,从而考证了邹良浩博士在结论层面上的研究结果;对紊流场与均匀流场试验结果进行对比分析,进而明确指出:紊流场中诱发格构式输电塔横风向振动的大尺度尾流主要是由于来流风中的脉动成分所致,而不是均匀流。这一点,使得对格构式输电塔横风向振动诱因的认识又更进了一步。 (3) 提出了求解格构式输电塔构件内力的新途径—“位移加载法”,建立了风振激励模型并推导出了风振位移响应计算模型。基于本文气动弹模型风洞试验结果以及完善了的广义气动力谱计算公式,首先建立了一阶广义气动力谱实用计算模型,同时给出了各风攻角工况下的具体拟合参数和广义气动力均方差系数;然后,定义“位置矩阵”和“广义气动力谱振型系数”这两个关键性参数,进而推导出了高阶广义气动力谱模型表达式;为便于工程应用,进一步推导出了风振位移响应实用计算模型,该模型可考虑高阶振型的贡献;最后,提出了理论严格合理且现实可行的“位移加载法”求解输电塔构件内力的新途径,其突出优点是:可完全避免传统方法中需要建立等效静力风荷载的这一步骤。 (4)  深入研究并发现了格构式输电塔-线体系中塔风振响应的特性及其规律。首先,通过试验对比分析,指出了有必要将五塔四线体系作以研究中塔的风振响应;通过风洞试验,深入并全面考察风速与弧垂这两种可变因素分别对顺风与横风向位移响应的影响,通过分析得到了一致性的变化规律;深入考察风速对顺风与横风向位移功率谱的影响,通过分析得到了具有发现性质的规律,并通过经典理论对这一规律进行合理解释与说明,进而给出了合理性推断。这一规律,在输电塔-线体系试验研究结果层面上具有“发现”意义;图列出若干不同风速下中塔的位移响应平面运动轨迹及其随时间变化的空间位移轨迹,并对文中各种风速下的轨迹图进行对比和归纳,由此发现了具有一致性的确定性变化规律和特征,这一工作结果具有“首次”意义。

关键词:输电塔-线体系; 抗风; 风振响应; 横风向振动; 气动弹模型; 风洞试验; 广义气动力谱; 漩涡脱落;尾流
分类号:TU347;TU311.3
                                                                                                       
【目录】
摘要4-6
Abstract6-13
1 绪论13-34
1.1 研究背景和意义13-19
1.1.1 研究背景13-14
1.1.2 研究必要性14-18
1.1.3 研究现实性18-19
1.2 基本理论和概念19-23
1.2.1 边界层风分类19-20
1.2.2 脉动风特性20-21
1.2.3 风分级及其特征21-22
1.2.4 输电塔基本分类22-23
1.3 国内外研究现状23-30
1.3.1 研究方法现状23
1.3.2 输电塔与塔-线体系计算模型研究现状23-24
1.3.3 输电塔塔头、塔身风振响应研究现状24-25
1.3.4 输电塔全塔风振响应研究现状25-27
1.3.5 输电塔-线体系风振响应研究现状27-30
1.4 尚存问题与本文主要研究内容30-34
1.4.1 尚存问题30-31
1.4.2 本文主要研究内容31-34
2 三种典型格构式输电塔及输电塔-线体系气动弹模型风洞试验34-53
2.1 引言34
2.2 三种典型格构式输电塔气动弹模型风洞试验34-44
2.2.1 Tj-2风洞简介34-35
2.2.2 风场模拟35-36
2.2.3 相似理论36-38
2.2.4 单塔原型38-39
2.2.5 单塔气动弹模型39-42
2.2.6 试验设备42-44
2.3 三种典型格构式输电塔-线体系气动弹模型风洞试验44-51
2.3.1 Tj-3风洞简介44-45
2.3.2 风场模拟45-46
2.3.3 导(地)线模型相似依据46-47
2.3.4 边塔模型与绝缘子47-48
2.3.5 塔-线体系布置方案48-49
2.3.6 塔-线体系气动弹模型49-51
2.4 输电塔与输电塔-线体系风攻角分析工况51-52
2.4.1 输电塔单塔风攻角51-52
2.4.2 塔-线体系风攻角52
2.5 解释与说明52
2.6 本章小结52-53
3 输电塔广义气动力谱理论公式的固有缺陷、完善与认识53-69
3.1 引言53
3.2 高频测力天平技术介绍及其应用范围最新进展53-58
3.2.1 高频测力天平技术传统应用范围及其当前新进展53-54
3.2.2 由刚性模型基底弯矩推导水平广义力谱和线位移原理简述54-56
3.2.3 由刚性模型基底扭矩推导扭转广义力谱和角位移原理简述56-58
3.3 当前消除非刚性基底力矩一阶振型共振贡献的方法及其理论缺陷58-62
3.3.1 消除非刚性模型基底弯矩一阶振型共振贡献的计算公式58-60
3.3.2 消除非刚性模型基底扭矩一阶振型共振贡献的计算公式60-61
3.3.3 消除非刚性模型基底力矩一阶振型共振贡献计算公式的缺陷61-62
3.4 对当前消除基底力矩一阶振型共振贡献计算公式的完善62-67
3.4.1 消除基底弯矩一阶振型共振贡献计算公式的理论完善62-64
3.4.2 消除基底扭矩一阶振型共振贡献计算公式的理论完善64-66
3.4.3 对由基底力矩谱消除一阶振型共振贡献得到的广义力谱的认识66-67
3.5 本章小结67-69
4 风-格构式输电塔相互作用机理研究69-87
4.1 引言69-70
4.2 Karman涡激共振简述70-73
4.2.1 雷诺数70
4.2.2 涡激振动及其特性70-72
4.2.3 涡脱主频率及其典型特征72
4.2.4 能谱分区及其典型特征72-73
4.3 格构式输电塔顺风与横风作用机理再研究73-83
4.3.1 格构式输电塔的弯矩谱与广义气动力谱73-77
4.3.2 顺风与横风向广义力动力谱高频段现象定性分析77-78
4.3.3 涡脱主频率的判断与高频段多峰现象的解释78
4.3.4 试验过程中的影响因素分析78-81
4.3.5 格构式输电塔顺横风作用机理定量分析81-83
4.4 格构式输电塔在均匀流场中的补充试验83-86
4.4.1 均匀流场中补充试验的缘由83
4.4.2 均匀流与紊流场试验结果对比分析83-86
4.5 本章小结86-87
5 格构式输电塔实用计算模型与求解内力的位移加载法87-113
5.1 引言87
5.2 格构式输电塔一阶广义气动力谱特性及其实用模型87-102
5.2.1 格构式输电塔一阶广义气动力谱特性87-93
5.2.2 格构式输电塔一阶广义气动力谱实用模型及其参数93-99
5.2.3 格构式输电塔的最不利风攻角判断99-102
5.3 格构式输电塔高阶广义气动力谱实用模型与共振分量表达式改进102-106
5.3.1 前提条件与说明102
5.3.2 格构式输电塔高阶广义气动力谱模型的推导102-105
5.3.3 利用广义气动力谱求解共振分量表达式的改进105-106
5.4 格构式输电塔可考虑高阶振型贡献的位移响应实用计算模型106-109
5.4.1 考虑高阶振型贡献的位移响应实用计算模型的推导106-108
5.4.2 位移响应实用计算模型显示表达式的确定108-109
5.5 格构式输电塔内力计算的"位移加载法"提出及其优点109-112
5.5.1 传统方法—等效静力风荷载法109-110
5.5.2 "位移加载法"的提出及其优点110
5.5.3 "位移加载法"的实现与算例验证110-112
5.6 本章小结112-113
6 格构式输电塔-线体系风振响应特性及其规律研究113-128
6.1 引言113-114
6.2 输电塔-线体系中塔的自振特性对比研究114-116
6.2.1 垂直导线向三塔两线与五塔四线体系中塔自振特性的对比分析114-115
6.2.2 平行导线向三塔两线与五塔四线体系中塔自振特性的对比分析115-116
6.3 输电塔-线体系中塔顺风向风振响应特性及其规律研究116-120
6.3.1 风速和弧垂对中塔顺风向风振响应的影响117-118
6.3.2 风速对中塔顺风向风振特性的影响规律118-120
6.4 输电塔-线体系中塔横风向风振响应特性及其规律研究120-122
6.4.1 风速和弧垂对中塔横风向风振响应的影响120-121
6.4.2 风速对中塔横风向风振特性的影响规律121-122
6.5 输电塔-线体系中塔的位移响应轨迹及其规律研究122-126
6.5.1 中塔顺、横风向平面位移轨迹及其受风速影响的变化规律122-124
6.5.2 中塔顺、横风向空间位移轨迹及其典型特征124-126
6.6 本章小结126-128
结论128-131
参考文献131-139
创新点摘要139-140
攻读博士学位期间发表学术论文情况140-143
致谢  
                                                                                                          
 
  【创新点】
     (1)明确指出了广义气动力谱理论公式的固有缺陷,并对该公式进行了理论完善,采用这一公式并通过本文气动弹模型风洞试
 验得到广义气动力谱,深入考究了格构式输电塔横风向振动作用机理。
              首先明确指出了当前广义气动力谱理论公式的固有缺陷。然后,引入了理应客观存在的且能够体现输入与输出相关性的交叉项,从而  推导出理论完善的计算公式;基于这一公式,对制作良好的三种典型格构式输电塔气动弹模型进行风洞试验,由此得到了足够多的广义气动力谱谱形,分析谱形规律和特点并排除可疑影响因素,明确指出并强调了高频漩涡脱落在性质上的存在性及其在量化上的可忽略性,从而考究了横风向振动原因是由于来流风与格构式输电塔相互作用过程中产生了一种垂直于来流方向的大尺度尾流所致。
    (2)提出了“位移加载法”求解输电塔内力的新途径,系统研究并推导出了格构式输电塔风振激励模型、考虑高阶振型贡献的风振位移响应计算模型。
             在本文(1)中所述工作基础之上,首先建立一阶广义气动力谱实用模型,具体给出了各风攻角相应拟合参数和广义力均方差系数;然后,定义两个关键性参数:位置矩阵和广义气动力谱振型系数,从而推导出高阶广义气动力谱模型表达式;进而,推导出可直接便于工程应用的风振位移响应实用计算模型;最后,提出 “位移加载法”求解输电塔内力的新途径,该方法理论严格合理、现实可行,可避免传统方法中需要建立等效静力风荷载这一步骤。
   (3)研究并发现了格构式输电塔-线体系(五塔四线)中塔的风振响应特性及其规律。
            指出有必要将五塔四线体系作为研究体系,并对三种格构式输电塔的五塔四线体系分别进行风洞试验;分析中塔(气动弹塔)顺风向位移功率谱,发现了塔架在风场中发生的结构软化效应;分析横风向位移功率谱,发现了导线刚度随风速增加而增大的时变性,同时观察到导线低频振动而诱发塔架横风向振动的迹象;给出风振位移响应随风速变化的平面运动轨迹和随时间变化的空间运动轨迹,并由此发现:随风速增大,横风向位移越接近甚至大于顺风向位移,空间位移轨迹轮廓呈“龙卷风”式螺旋柱状。
                                                                                 
 
【结束语】
      此文之成,赖吾所在课题组科研环境之宽松、学术氛围之浓厚、创新思想之活跃,而此离不开李宏男教授的精心创建与悉心营造。先生知识渊博、思想活跃、见解独道、言谈谦谨、和风细雨而又取法乎上,耳濡目染几年间让我多思、多悟,常思而进步小,有悟却远未通达,只好常劝慰自己:虽力不能及,亦可择路而行。吾文底功力浅薄,言词拿捏常不够精准,若允许在此作一总结,或许“君诗妙处吾能识,汝果欲学诗,功夫在诗外”可算恰到好处!
        王苏岩教授在作者论文进展等方面时常给予过问和关心。林皋院士、周晶教授、孔宪京教授、陈健云教授、柳春光教授、王国新教授等在学术造诣与学术氛围等方面客观上为作者提供了榜样力量和无形的熏陶。
        结识霍林生(博士、副教授)师兄,四年有余。与他接触,感触颇深、获益良多:“大胆质疑,小心论证”的思想对课题的进展一直起着至关重要的作用;中肯并具有建设性的建议助解了我的困惑;实实在在而又本质性的帮助解决了燃眉之急。不仅如此,多次一稍有想法就“烦扰”于他,无论是在他正常工作还是休息时间,霍师兄不仅不以此不悦,还总是甚有耐心地帮我理顺思路并适时加以点播,作者虽未常以言谢之词形式挂于口,却已埋在心里!霍师兄主观和客观上给予作者的帮助与作者的客观获益有着直接必然性的因果关系。
       同济大学顾明教授、黄鹏副教授、全涌副教授、周暄毅副教授,王钦华博士以及严志巍硕士等给予了作者诸多帮助,尤其是在同济大学风洞试验期间,也正是在此及时而又客观的帮助下才使得试验得以顺利进行;清华大学刘晶波教授、同济大学吕西林教授和北京工业大学杜修力教授在地震知识方面给予了具体而又具有启发性的帮助,根本上助解了作者的若干疑惑;哈尔滨工业大学武岳教授在风-结构流固耦合计算方面给予了建设性建议;大连海事大学王东升教授在桥梁震致碰撞效应方面提出了宝贵的方向性建议。此外,王教授的坦诚与直率也影响着作者;同济大学谢强教授在输电塔-线体系抗风方面,尤其是在作者整理博士论文最后阶段,给予了建设性建议;武汉大学邹良浩博士,与其多次交流中让我获益匪浅,邹兄的诚恳也让作者深深感动。
       生活、学习过程中,时常处于混沌状态:或是刻舟求剑、缘木求鱼,或是南辕北辙、掩耳盗铃,偶尔也似在望梅止渴。幸运的是,作者常接触的周边人很优秀,有机会与他们交流和(或)合作不仅让作者深感知识匮乏、见识浅薄,关键还会使作者思路变得更为明晰。
       几年间,作者得到了包括如上所述的过问、关心与帮助,作者为此深表谢意!
None
None