內(nèi)懸浮外拉線(xiàn)抱桿風(fēng)振響應(yīng)研究

徐金城, 耿淑偉, 肖 峰, 周煥林

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.國(guó)家電網(wǎng)公司 交流建設(shè)分公司,北京 100052)

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內(nèi)懸浮外拉線(xiàn)抱桿風(fēng)振響應(yīng)研究

徐金城1, 耿淑偉1, 肖 峰2, 周煥林1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.國(guó)家電網(wǎng)公司 交流建設(shè)分公司,北京 100052)

內(nèi)懸浮外拉線(xiàn)抱桿作為一種特種起重設(shè)備,廣泛應(yīng)用于電力建設(shè)中。抱桿具有較大的長(zhǎng)細(xì)比和特殊的約束形式,因此對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析是十分必要的。文章基于線(xiàn)性濾波法,利用Matlab模擬脈動(dòng)風(fēng)荷載,施加于ANSYS建立的抱桿模型上,對(duì)抱桿進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析。通過(guò)分析,揭示了抱桿的風(fēng)振特性,給出其在工作狀態(tài)下的風(fēng)振系數(shù),為抱桿的設(shè)計(jì)和使用提供參考。

內(nèi)懸浮外拉線(xiàn)抱桿;線(xiàn)性濾波法;風(fēng)振響應(yīng);風(fēng)振系數(shù)

0 引 言

隨著我國(guó)特高壓電力建設(shè)的日益發(fā)展,國(guó)家電網(wǎng)對(duì)特高壓的投資建設(shè)也越來(lái)越大。內(nèi)懸浮外拉線(xiàn)抱桿作為一種特種起重設(shè)備,其成本與其他起重設(shè)備相比低廉且組裝方便,因此在輸電線(xiàn)路的施工過(guò)程中,采用其分解組立輸電塔成為一種常用的方法。

國(guó)家電網(wǎng)在浙北—福州1 000 kV輸電線(xiàn)路鐵塔的建設(shè)過(guò)程中,17個(gè)標(biāo)段組塔方案中的多數(shù)標(biāo)段都采用了內(nèi)懸浮外拉線(xiàn)抱桿進(jìn)行組塔。由于內(nèi)懸浮外拉線(xiàn)抱桿在工程中的大量使用,它在施工過(guò)程中的安全性日益引起人們的重視。抱桿由于其較大的長(zhǎng)細(xì)比和特殊的約束形式,在高空中作業(yè)與高層建筑一樣,風(fēng)荷載是其主要的動(dòng)力荷載,在靜力分析的基礎(chǔ)上需要針對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的風(fēng)振響應(yīng)分析,以保證其在施工過(guò)程中的安全,從而保障施工人員的人身安全,避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失,保障電力建設(shè)安全、有序進(jìn)行。然而,目前關(guān)于抱桿的風(fēng)振響應(yīng)分析較少,因此針對(duì)內(nèi)懸浮外拉線(xiàn)抱桿進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析是十分必要的。

本文以安徽送變電工程公司自行設(shè)計(jì)、制造的內(nèi)懸浮外拉線(xiàn)抱桿(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“抱桿”)為例,采用線(xiàn)性濾波法模擬各節(jié)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)荷載時(shí)程[1],以節(jié)點(diǎn)荷載方式施加于有限元模型[2],對(duì)抱桿進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析,為其設(shè)計(jì)和使用提供一定的參考。

1 抱桿模型介紹

抱桿模型采用ANSYS有限元軟件建立,主材、斜材、腹桿采用BEAM188單元(三維線(xiàn)性梁?jiǎn)卧?,承托繩、外拉線(xiàn)采用LINK10單元(3D僅受拉桿單元),抱桿端部加強(qiáng)板采用SHELL63單元(彈性殼單元),有限元模型如圖3所示。其中,單元2401至2404為承托繩,單元2405至2408為外拉線(xiàn),圖中箭頭表示在吊重作用下,抱桿頂端沿各方向上的分力。

1.外拉線(xiàn) 2.抱桿 3.承托繩 4.牽引繩 5.地滑車(chē) 6.控制繩 7.吊件 8.起吊滑車(chē)組

1.外拉線(xiàn) 2.上錐段 3.標(biāo)準(zhǔn)節(jié) 4.下錐段 5.承托繩

圖3 抱桿有限元模型

2 風(fēng)荷載模擬

采用線(xiàn)性濾波法模擬風(fēng)速時(shí)程,風(fēng)速譜采用Kaimal譜[3]。以安徽地區(qū)為例,地面粗糙類(lèi)別為B類(lèi),地面粗糙度取0.03,10 m高度處的10 min平均風(fēng)速取10 m/s(5級(jí)風(fēng))[4]。利用Matlab軟件編程模擬得到不同高度處的風(fēng)速時(shí)程曲線(xiàn)[5-6],94.3、110.3 m高度處脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程如圖4所示。

圖4 94.3、110.3 m高度處脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程曲線(xiàn)

根據(jù)懸浮抱桿最大工作高度120 m,將其分為6段,上下錐段各1段,中間標(biāo)準(zhǔn)節(jié)分為4段,分別模擬各段中點(diǎn)所在高度處的風(fēng)速時(shí)程。由于篇幅所限,僅列舉了94.3 m高處、110.3 m高處(抱桿中段標(biāo)準(zhǔn)節(jié)2處高度)的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程,2處高度對(duì)應(yīng)抱桿位置如圖5所示。

圖5 94.3、110.3 m高度示意圖

在t時(shí)刻,作用于抱桿i段的風(fēng)荷載計(jì)算公式為:

(1)

根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[4],作用在抱桿上的工作狀態(tài)下的風(fēng)荷載計(jì)算公式為:

Pi=Cpi(t)Ai

(2)

于是,可以得出:

(3)

查起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范,取風(fēng)力系數(shù)C=1.7,計(jì)算得到各段實(shí)體迎風(fēng)面面積Ai,代入(3)式便可得到抱桿各段的風(fēng)荷載時(shí)程曲線(xiàn)。

3 風(fēng)振響應(yīng)

3.1 模態(tài)分析

運(yùn)用ANSYS的模態(tài)分析功能對(duì)建立的抱桿有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析,計(jì)算得到前5階主要振型及固有頻率。抱桿的各階模態(tài)固有頻率及周期見(jiàn)表1所列,前5階模態(tài)振型如圖6所示。

表1 結(jié)構(gòu)固有頻率及模態(tài)類(lèi)型

圖6 抱桿前5階模態(tài)

因?yàn)楸U兩端均由鋼絞線(xiàn)連接,各點(diǎn)約束都可以看做鉸接,抗扭剛度較差,所以導(dǎo)致一階振型為扭轉(zhuǎn)。實(shí)際工程中,需要通過(guò)給抱桿外拉線(xiàn)施加預(yù)緊力的方式來(lái)提高其整體抗扭剛度,從而達(dá)到抗扭的目的。又因?yàn)楸U模型關(guān)于YOZ平面對(duì)稱(chēng),所以二、三階模態(tài)的固有頻率相同,四、五階模態(tài)同樣如此。

3.2 位移時(shí)程分析

將模擬得到的風(fēng)荷載時(shí)程,沿Z軸正向,以節(jié)點(diǎn)力的方式施加于結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面的各節(jié)點(diǎn)。選取抱桿底部節(jié)點(diǎn)1、中部節(jié)點(diǎn)1291和頂部節(jié)點(diǎn)3599,通過(guò)ANSYS時(shí)間歷程后處理,得到底部、中部、頂部位移時(shí)程,如圖7所示。

圖7 各部分位移時(shí)程曲線(xiàn)

由于各點(diǎn)位移均取3個(gè)方向的合位移,抱桿在自重和吊重作用下,產(chǎn)生一個(gè)較大的位移,風(fēng)荷載在此基礎(chǔ)上施加于結(jié)構(gòu)上。因此,各點(diǎn)位移均為正值,在自重和吊重作用下的平衡位置呈現(xiàn)往復(fù)振動(dòng)形式。對(duì)比抱桿各部分位移時(shí)程可以看出,抱桿中、上部位移響應(yīng)較大,底部位移響應(yīng)較小。抱桿底部承托繩長(zhǎng)度相對(duì)頂部外拉線(xiàn)較短,所以底部位移響應(yīng)比頂部小很多,抱桿中部沒(méi)有其他約束,因此位移響應(yīng)也較大。建議施工過(guò)程中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和控制抱桿的中、上部位移,以確保輸電塔的施工安全。

本文將抱桿分為底部、頂部錐段各為1段,中部標(biāo)準(zhǔn)節(jié)平均分為8段,共10段,由下到上取11個(gè)節(jié)點(diǎn),將200 s內(nèi)各節(jié)點(diǎn)位移的平均值和僅脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下的均方根值進(jìn)行比較,各節(jié)點(diǎn)位移平均值和均方根值如圖8所示。

從圖8可以看出,位移平均值隨著高度的增加而增大,說(shuō)明抱桿在工作狀態(tài)下中上部位移較大,底部位移較小。位移均方根值中間大兩端小,說(shuō)明在風(fēng)荷載的作用下,抱桿中部振動(dòng)幅度最大,越往兩端振幅越小。抱桿設(shè)計(jì)和組裝過(guò)程中,建議加強(qiáng)中間段標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的連接,避免風(fēng)振引起的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接失效而造成的工程事故。

圖8 節(jié)點(diǎn)位移平均值與均方根值

3.3 風(fēng)振系數(shù)分析

風(fēng)振系數(shù)β是指結(jié)構(gòu)總響應(yīng)(位移、荷載、內(nèi)力、力矩)與平均風(fēng)壓引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的比值,常用的風(fēng)振系數(shù)有位移風(fēng)振系數(shù)和荷載風(fēng)振系數(shù)[7-8]。本文主要研究位移風(fēng)振系數(shù)βDi,其定義式為:

(4)

其中,UDi、USi分別為動(dòng)力位移和靜力位移;μ為峰值保證因子,本文取3.0[9];σSi為僅脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下節(jié)點(diǎn)i的動(dòng)位移UDt的均方根值,其計(jì)算公式為:

(5)

沿抱桿高度的風(fēng)振系數(shù)分布如圖9所示。

圖9 抱桿各高度風(fēng)振系數(shù)

抱桿在最大吊重80 kN、最大工作高度120 m狀態(tài)下的位移風(fēng)振系數(shù)見(jiàn)表2所列,由結(jié)果可以看出,抱桿各高度處的風(fēng)振系數(shù)中間大兩端小,這與抱桿兩端采用的約束方式有關(guān)。其中,86.3 m高度處的風(fēng)振系數(shù)最大,為1.28。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,建議工作狀態(tài)下,抱桿各高度處的風(fēng)振系數(shù)均取1.3。

表2 抱桿各高度風(fēng)振系數(shù)

4 結(jié) 論

本文基于線(xiàn)性濾波法,利用Matlab模擬各點(diǎn)風(fēng)速時(shí)程,并運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)內(nèi)懸浮外拉線(xiàn)抱桿進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析,得到以下結(jié)論:

(1) 由模態(tài)分析結(jié)果可以得出,抱桿的抗扭剛度較弱,在抱桿的安裝過(guò)程中,建議在外拉線(xiàn)和承托繩上施加預(yù)緊力,以提高其整體抗扭剛度。

(2) 工作狀態(tài)下,抱桿中上部位移較大,底部位移較小。建議施工過(guò)程中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)、控制抱桿的中上部位移,以確保輸電塔的施工安全。在風(fēng)荷載作用下,抱桿中部振幅最大,越往兩端振幅越小。在設(shè)計(jì)和組裝抱桿過(guò)程中,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)中間段標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的連接,避免風(fēng)振引起的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接失效而造成的工程事故。

(3) 工作狀態(tài)下,抱桿各高度處的風(fēng)振系數(shù)中間大兩端小;根據(jù)計(jì)算結(jié)果,建議各高度處的風(fēng)振系數(shù)均取1.3。

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(責(zé)任編輯 張淑艷)

Research on wind-induced response for inner suspended and outer guyed holding poles

XU Jincheng1, GENG Shuwei1, XIAO Feng2, ZHOU Huanlin1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.State Grid AC Engineering Construction Company, Beijing 100052, China)

The inner suspended and outer guyed holding pole is a kind of special hoisting machine which has been widely used in the electric industry. The holding pole has a large slenderness ratio and a special form of constraints, so it is necessary to analyze the wind-induced vibration response of the structure. Based on the linear filtering method, the fluctuating wind load is obtained by Matlab, and then it is applied to the model of the holding pole established by ANSYS to analyze the wind-induced response. The characteristic of wind-induced vibration of the holding pole is revealed and the wind-induced vibration coefficient of the holding pole in working condition is given. These results can provide a reference for the design and use of holding poles.

inner suspended and outer guyed holding pole; linear filtering method; wind-induced response; wind-induced vibration coefficient

2015-04-28；

2015-06-29

國(guó)家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司科技資助項(xiàng)目(SGZB0000JLJS1400072)

徐金城(1989-),男,安徽肥東人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 周煥林(1973-),男,安徽宿松人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.019

TH212

A

1003-5060(2016)11-1531-05