典型輸電鐵塔風(fēng)振系數(shù)研究

管明文

[摘 要]：風(fēng)振系數(shù)反映了脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用效應(yīng)，目前國(guó)內(nèi)輸電鐵塔設(shè)計(jì)主要依據(jù)《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，兩者差異性較大。本文結(jié)合有限元計(jì)算和理論分析，對(duì)兩種規(guī)范計(jì)算的風(fēng)振系數(shù)值進(jìn)行比較分析，并給出風(fēng)振系數(shù)的取值建議。

[關(guān)鍵詞]： 風(fēng)振系數(shù)，有限元計(jì)算，模態(tài)分析

1、序言

風(fēng)荷載是輸電鐵塔設(shè)計(jì)的重要荷載，風(fēng)振系數(shù)對(duì)風(fēng)荷載大小起著關(guān)鍵性的作用，風(fēng)振系數(shù)反映了脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用效應(yīng)，然而，風(fēng)振系數(shù)合理取值一直是輸電鐵塔設(shè)計(jì)中一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)輸電鐵塔風(fēng)荷載設(shè)計(jì)主要依據(jù)《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》和《建筑荷載規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，兩者取值有較大的差異性。本文結(jié)合有限元計(jì)算和理論分析，對(duì)兩種規(guī)范計(jì)算的風(fēng)振系數(shù)值進(jìn)行比較分析。

2、輸電鐵塔風(fēng)振系數(shù)

2.1風(fēng)振系數(shù)

風(fēng)振系數(shù)反映脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用大小，與結(jié)構(gòu)的自振特性有關(guān)。《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T5154-2012）（下文簡(jiǎn)稱《桿塔規(guī)定》）中規(guī)定：當(dāng)桿塔全高不超過(guò)60m時(shí)，對(duì)全高采用一個(gè)系數(shù);當(dāng)桿塔全高超過(guò)60m時(shí)，應(yīng)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）（下文簡(jiǎn)稱《荷載規(guī)范》）采用由下到上逐段增大的數(shù)值，對(duì)于自立式桿塔，加權(quán)平均值不應(yīng)小于1.6。

2.2桿塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法

《桿塔規(guī)定》中規(guī)定：對(duì)桿塔本身，當(dāng)全高不超過(guò)60m時(shí)，全高采用一個(gè)系數(shù);當(dāng)桿塔全高超過(guò)60m時(shí)，應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范《荷載規(guī)范》采用由下到上逐段增大的數(shù)值。由于輸電鐵塔結(jié)構(gòu)截面沿高度并非連續(xù)變化，因此計(jì)算時(shí)，將桿塔劃分為n段，那么每一段的風(fēng)振系數(shù)可表示為：

對(duì)于迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的寬度沿高度按直線變化或接近直線變化，而質(zhì)量沿高度連續(xù)規(guī)律變化的高聳結(jié)構(gòu)，計(jì)算Bz時(shí)應(yīng)乘以修正系數(shù)Qb和Qv。Qb可按下式計(jì)算：

那么，全塔的風(fēng)振系數(shù)可表示為《桿塔規(guī)定》中并未對(duì)全高大于60m的塔風(fēng)振系數(shù)做出明確規(guī)定，需參照《荷載規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定。因此，有必要對(duì)桿塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行專門分析，結(jié)合理論分析和有限的模擬，得到適合于架空鐵塔的計(jì)算方法。

2.3自振周期的有限元分析

取某一直線塔，采用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析，得到鐵塔的前三階模態(tài)的自振頻率和自振周期。

采用《荷載規(guī)范》附錄F.1.1的計(jì)算方法，計(jì)算第一階振型的自振周期的公式如下：

H—塔的全高，對(duì)于桿塔結(jié)構(gòu)可取上限，即系數(shù)取0.013。

由上表可知，采用《荷載規(guī)范》計(jì)算的自振周期比通過(guò)有限元分析的自振周期大。

3、算例分析

以某直線塔為例，全高60m，根開(kāi)12m，塔頭寬度2.4m，塔高與根開(kāi)之比為5（滿足高寬比4～6的要求）。按B類地形粗糙度考慮，按《桿塔規(guī)定》中要求：風(fēng)振系數(shù)取1.6。以下按《荷載規(guī)范》中的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算：

取基本風(fēng)壓，地面粗糙度修正系數(shù)，結(jié)構(gòu)阻尼比，計(jì)算處的風(fēng)振系數(shù)：則脈動(dòng)風(fēng)荷載的共振分量因子為根據(jù)《荷載規(guī)范》中的規(guī)定，計(jì)算水平系數(shù)和豎直系數(shù)分別為：

30m米處的第一階振型系數(shù)為按B類地形，系數(shù)和分別取0.91和0.218，30m處風(fēng)壓高度系數(shù)為1.39，則脈動(dòng)風(fēng)荷載的背景分量因子為：

所以，30m米處的風(fēng)振系數(shù)為：由于桿塔質(zhì)量近似沿高度連續(xù)變化，考慮修正系數(shù)Qb和Qv后，得到30米處風(fēng)振系數(shù)的修正值為1.55。其它高度處的風(fēng)振系數(shù)如下表：

由上表的計(jì)算結(jié)果可知，《桿塔規(guī)定》與《荷載規(guī)范》風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算結(jié)果差異較大。除塔高60m時(shí)兩者取值較為接近，當(dāng)塔高30m-50m時(shí)，《荷載規(guī)范》取值增大3.5%-15.7%.

4、結(jié)論

4.1 風(fēng)振系數(shù)與結(jié)構(gòu)的自振特性有關(guān)，通過(guò)有限元分析得到的自振周期比《荷載規(guī)范》計(jì)算值小，規(guī)范值更接近風(fēng)的脈動(dòng)周期，故按規(guī)范取值結(jié)構(gòu)更合理。

4.2 在塔高60m以下的輸電鐵塔設(shè)計(jì)中，建議按《荷載規(guī)范》計(jì)算風(fēng)振系數(shù)。

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

[1] GB50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[2] DL/T5154-2012 架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012.

[3] 張相庭. 結(jié)構(gòu)風(fēng)壓和風(fēng)振計(jì)算[M]. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1985.

[4] 王力爭(zhēng). 輸電鐵塔順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法的對(duì)比分析[J]. 電力建設(shè)，1996.