220 kV變電站架構(gòu)橫風(fēng)向共振原因分析及處理措施

胡春雷，張 彤，張紅珊

(河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031)

隨著鋼結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展及變電站設(shè)計(jì)水平的提高，鋼管結(jié)構(gòu)在變電站戶外配電裝置架構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，多邊形(圓形)鋼管梁也逐漸應(yīng)用于變電站構(gòu)架橫梁設(shè)計(jì)中。在常規(guī)變電站設(shè)計(jì)中，架構(gòu)橫梁多采用桁架結(jié)構(gòu)，一般只需要考慮順風(fēng)向發(fā)生的風(fēng)荷載作用，不需要考慮橫風(fēng)向產(chǎn)生的風(fēng)振，而選用多邊形(圓形)鋼管作為架構(gòu)橫梁時(shí)，橫風(fēng)向共振成為設(shè)計(jì)人員必須考慮的設(shè)計(jì)要素?，F(xiàn)結(jié)合工程實(shí)際，針對(duì)迪吉利220 kV變電站工程中多邊形鋼管架構(gòu)橫梁的振動(dòng)情況，對(duì)多邊形鋼管橫梁橫風(fēng)向風(fēng)振進(jìn)行分析，并給出橫風(fēng)向風(fēng)振誘發(fā)共振的預(yù)防及解決措施。

1 工程概述

迪吉利220 kV變電站在剛果共和國(guó)布拉柴市北部，距市區(qū)約10 km，建筑場(chǎng)地位于剛果(布)巴泰凱高原東南邊緣低緩丘陵地帶，地勢(shì)由東向西傾斜。地面標(biāo)高為226.3～230.0 m，地表被雜草所覆蓋，場(chǎng)地內(nèi)地形較平緩、開(kāi)闊。變電站內(nèi)規(guī)劃建設(shè)3臺(tái)主變壓器，此次建設(shè)2臺(tái)；220 kV配電裝置規(guī)劃建設(shè)出線4回，此次建設(shè)2回。

變電站架構(gòu)梁主體采用φ381 mm×5 mm的多邊形鋼管。架構(gòu)柱采用φ300 mm×5 mm的多邊形鋼管組成的“A”字型柱和帶端撐的“A”字型柱，構(gòu)架柱分段連接采用無(wú)肋法蘭連接。架構(gòu)梁、柱通過(guò)連接模塊采用高強(qiáng)螺栓剛性連接。鋼材型號(hào)為ASTM A572 GR65。220 kV進(jìn)出線架構(gòu)高度為15 m，跨度13 m。主變壓器架構(gòu)高度為15 m，跨度為15 m。變電站架構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速30 m/s，架構(gòu)梁、柱的設(shè)計(jì)安全系數(shù)大于等于1.40。

2 變電站架構(gòu)振動(dòng)原因分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)情況

由于變電站架構(gòu)采用鋼管橫梁模塊化設(shè)計(jì)，架構(gòu)安裝比較順利。2010年1月，迪吉利變電站3組出線架構(gòu)和2組主變壓器架構(gòu)不同程度的發(fā)生振動(dòng)，而且發(fā)生振動(dòng)時(shí)，通常伴有微風(fēng)。尤其在2010年1月12日下午，主變壓器的2組架構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，振動(dòng)頻率較快，伴有聲音，地線支架抖動(dòng)，構(gòu)架立桿舞動(dòng)。

2.2 原因分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)查發(fā)現(xiàn)：在架構(gòu)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，架構(gòu)安裝工作已經(jīng)結(jié)束，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)其它施工作業(yè)，沒(méi)有明顯的外力作用；架構(gòu)上未懸掛絕緣子串，也沒(méi)有掛進(jìn)出線導(dǎo)線、地線，處于裸架構(gòu)狀態(tài)；現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速不大，風(fēng)速、風(fēng)向比較穩(wěn)定；架構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度完全滿足順風(fēng)向風(fēng)力作用的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求；大風(fēng)作用下架構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生振動(dòng)。由于該變電站架構(gòu)橫梁主體為多邊形鋼管，在風(fēng)力作用下，流動(dòng)的空氣繞過(guò)橫梁，形成卡門(mén)渦街，在特定風(fēng)速下，空氣旋渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率接近或一致時(shí)，將誘發(fā)共振。因此，可初步判斷為架構(gòu)在橫風(fēng)向風(fēng)振作用下產(chǎn)生共振，但要準(zhǔn)確判定振動(dòng)的原因，還需要作進(jìn)一步的計(jì)算分析。

為此，利用STAAD通用軟件，計(jì)算變電站主變壓器架構(gòu)的自振周期，其中取第1振型自振周期T1=0.376 75 s。架構(gòu)橫梁直徑D=0.381 m，圓截面結(jié)構(gòu)斯脫羅哈數(shù)St=0.2，依據(jù)GB 50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(2006年版)[1]臨界風(fēng)速vcr=D/(T1·St)= 5.056 m/s，可計(jì)算出雷諾數(shù)Re=1.3×105<3×105,可判定為亞臨界微風(fēng)共振，這與現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)時(shí)風(fēng)速不大的情況吻合，驗(yàn)證了此次架構(gòu)振動(dòng)為橫風(fēng)向共振的推測(cè)。

3 變電站架構(gòu)橫風(fēng)向共振的影響

變電站架構(gòu)橫梁在風(fēng)力作用下形成卡門(mén)渦街，產(chǎn)生橫風(fēng)向旋渦脫落風(fēng)力，直接作用在架構(gòu)橫梁上，對(duì)變電站架構(gòu)安全產(chǎn)生威脅。在橫風(fēng)向風(fēng)振的作用下，橫風(fēng)向旋渦脫落風(fēng)力FV(z)可表示為順風(fēng)向風(fēng)力FH的函數(shù)，即：

FV(z)=1/2ρv2B(z)μL=FHB(z)μL

(1)

式中：ρ為空氣密度；v為風(fēng)力速度；B(z)為垂直流動(dòng)方向的截面尺度隨高度z的變化量(架構(gòu)設(shè)計(jì)中可取值B(z)=1)；μL為橫風(fēng)向升力系數(shù)，對(duì)于圓形截面μL取0.25[2-3]。根據(jù)式(1)，可以得出架構(gòu)橫梁的橫風(fēng)向旋渦脫落風(fēng)力FV和順風(fēng)向風(fēng)力FH的關(guān)系為：

FV=0.25FH

(2)

風(fēng)力產(chǎn)生的合力應(yīng)為FV和FH的矢量和，即：

(3)

可見(jiàn)橫風(fēng)向旋渦脫落風(fēng)力FV對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小，但實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)與風(fēng)速有關(guān)的旋渦脫落圓頻率ωs與架構(gòu)某一自振圓頻率ωi一致時(shí)，即使風(fēng)速增大，旋渦脫落頻率亦不改變，而在增大風(fēng)速的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，架構(gòu)處于共振狀態(tài)，此區(qū)域稱為“鎖住區(qū)域”(對(duì)于圓形截面結(jié)構(gòu)，風(fēng)速在1～1.3vcr之間為鎖住區(qū)域)。如果在結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)共振和鎖住區(qū)域，特別在風(fēng)速較大的跨臨界范圍出現(xiàn)鎖住區(qū)域，在該區(qū)域風(fēng)力作用下將產(chǎn)生共振，振動(dòng)力將比非共振狀態(tài)下的橫風(fēng)向旋渦脫落風(fēng)力大到10倍甚至幾十倍[3]，此時(shí)橫風(fēng)向旋渦脫落風(fēng)力將會(huì)影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定甚至破壞結(jié)構(gòu)。對(duì)于變電站架構(gòu)，亞臨界微風(fēng)共振力雖然不能夠破壞架構(gòu)主體，但長(zhǎng)時(shí)間共振可能導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂或螺栓松動(dòng)，直接威脅架構(gòu)的安全。

4 處理措施

根據(jù)理論分析，可通過(guò)破壞卡門(mén)渦街產(chǎn)生條件、調(diào)整架構(gòu)自振周期、增加鋼梁振動(dòng)模態(tài)阻尼等措施，避免架構(gòu)在卡門(mén)渦街作用下產(chǎn)生橫風(fēng)向共振，但由于破壞卡門(mén)渦街的產(chǎn)生條件將影響架構(gòu)的美觀。因此在工程實(shí)際中，一般采用以下3種實(shí)施方案：

a. 在變電站架構(gòu)安裝完成后及時(shí)懸掛絕緣子，改變架構(gòu)自振周期，若架構(gòu)安裝結(jié)束后電氣設(shè)備尚未進(jìn)場(chǎng)，可懸掛其他重物(如裝有水泥沙子的鐵桶)；

b. 在鋼梁管內(nèi)放置一定重量的鐵鏈，改變架構(gòu)自振周期，同時(shí)增加阻尼，該方案將增加結(jié)構(gòu)成本；

c. 在架構(gòu)橫梁或架構(gòu)柱內(nèi)灌入混凝土，改變架構(gòu)自振周期，該方案增加結(jié)構(gòu)成本較多，且增加重量大，需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。

通過(guò)比較可以看出，第1個(gè)方案在不調(diào)整主變壓器架構(gòu)的結(jié)構(gòu)、不增加成本的情況下，通過(guò)懸掛絕緣子串，防止產(chǎn)生架構(gòu)共振現(xiàn)象，是成本最低廉，對(duì)架構(gòu)影響最小的解決方案，為此采用該方案對(duì)迪吉利220 kV變電站進(jìn)行了施工處理，懸掛絕緣子串后，架構(gòu)未再發(fā)生振動(dòng)情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

為避免發(fā)生卡門(mén)渦街誘發(fā)共振的問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員應(yīng)理清共振發(fā)生的原因，分清共振的種類，認(rèn)清共振的危害。對(duì)于跨臨界的強(qiáng)風(fēng)共振，在設(shè)計(jì)上必須避免，必要時(shí)可以調(diào)整鋼梁的結(jié)構(gòu)形式，破壞卡門(mén)渦街的產(chǎn)生條件來(lái)避免誘發(fā)共振；對(duì)于亞臨界微風(fēng)共振，如果在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)存在亞臨界的微風(fēng)共振發(fā)生的可能，應(yīng)在施工圖中注明施工安裝注意事項(xiàng)，避免由于施工習(xí)慣，導(dǎo)致在裸架構(gòu)狀態(tài)下發(fā)生橫風(fēng)向共振。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該意識(shí)到變電站架構(gòu)自身的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)階段可通過(guò)增加架構(gòu)強(qiáng)度、設(shè)置阻尼器等手段，以避免亞臨界的微風(fēng)共振的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2] 陳 萌，管品武，趙更歧.橫風(fēng)向旋渦脫落的共振分析及在工程上的應(yīng)用[J].世界地震工程，2004, 20(3)：95-99.

[3] 張相庭.橫風(fēng)向旋渦脫落共振響應(yīng)分析及在規(guī)范上的應(yīng)用[J].建筑科學(xué)，2000年12月,16(6)：22-25.