臺風(fēng)風(fēng)場與B類風(fēng)場作用下輸電塔風(fēng)效應(yīng)對比研究

鄭家松 翁蘭溪 鄭寧敏 唐自強 武奮前 蔡虬瑞 陳伏彬

摘 ? 要：在邊界層風(fēng)洞中開展了臺風(fēng)風(fēng)場與B類風(fēng)場條件下某角鋼輸電塔氣彈模型試驗，采用諧波合成法模擬了不同高度的風(fēng)速時程，在時域內(nèi)進(jìn)行了輸電塔結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)計算，對比研究了兩類風(fēng)場條件下的風(fēng)致響應(yīng)與風(fēng)振系數(shù). 研究結(jié)果表明：輸電塔風(fēng)致加速度響應(yīng)隨著來流風(fēng)速的增大而明顯增大，臺風(fēng)風(fēng)場條件下加速度響應(yīng)更為劇烈，比B類風(fēng)場條件大約20%～30%;B類風(fēng)場條件下風(fēng)振系數(shù)為1.59，臺風(fēng)風(fēng)場條件下達(dá)到1.85，總體增幅達(dá)到16%;數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果較為吻合. 因此，臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)的輸電塔設(shè)計應(yīng)考慮臺風(fēng)高湍流引起的動力風(fēng)荷載增大效應(yīng).

關(guān)鍵詞：輸電塔;臺風(fēng)風(fēng)場;風(fēng)致響應(yīng);風(fēng)振系數(shù);風(fēng)洞試驗;諧波合成法

中圖分類號：TU973.32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Wind tunnel tests on a aeroelastic model of steel angle transmission tower under typhoon wind field and terrain B wind field were carried out，and then the time series of wind velocity for different height of the transmission tower were simulated by Weighted Amplitude Wave Superposition（WAWS） method and the wind-induced responses were calculated with FEM in time domain. The comparisons of wind-induced response and wind vibration factor between typhoon wind field and terrain B wind field were conducted. The results indicate that the wind-induced acceleration responses enlarge significantly with wind velocity increase，the wind-induced acceleration response under typhoon wind field is more intensive than that under terrain B wind field，and the amplification is up to 20%～30% . The highly weighted wind vibration factor with value of 1.59 under terrain B wind field，and the value of 1.85 under typhoon wind field are found ，the amplification is up to 16% in total. The results from numerical simulation are in good agreement with that from the wind tunnel tests. Therefore，the design of transmission tower in typhoon-prone areas should take the fluctuating wind load magnification effect into consideration.

Key words：transmission tower;typhoon wind field;wind-induced response;wind vibration factor;wind tunnel test;Weighted Amplitude Wave Superposition（WAWS）

輸電線路系統(tǒng)故障可給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟和社會帶來巨大災(zāi)難，且由強/臺風(fēng)、雷暴或者龍卷風(fēng)作用引起的輸電塔線系統(tǒng)倒塌占據(jù)絕大部分;同時，這些造成輸電塔線系統(tǒng)破壞的強風(fēng)參數(shù)范圍很廣（如風(fēng)速剖面、湍流剖面等），其對輸電塔線系統(tǒng)的作用不同，造成相關(guān)的研究工作更加復(fù)雜[1].因此研究在強/臺風(fēng)作用下輸電塔線系統(tǒng)的抗風(fēng)性能是保障電力系統(tǒng)安全運營的首要基礎(chǔ).

國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了大量卓有成效的研究工作，為輸電塔線系統(tǒng)在強風(fēng)作用下安全工作提供了技術(shù)支撐. Mara等[2]利用大氣邊界層風(fēng)和下?lián)舯┝鲀煞N流場深入研究了來流風(fēng)向?qū)旊娝Y(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)的影響，指出傳統(tǒng)的大氣邊界層風(fēng)場可近似地用于下?lián)舯┝髯饔孟碌目癸L(fēng)能力評估;Yang等[3]研究了斜風(fēng)對輸電塔風(fēng)效應(yīng)影響;Fu等[4]基于Kikuchi等[5]提出的模型參數(shù)開展了風(fēng)、雨耦合作用下的輸電塔線系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)雨荷載提高了輸電塔線系統(tǒng)位移響應(yīng)，幅度高達(dá)22%;王述良[6]、梁樞果[7]等研究了輸電塔-線體系在強風(fēng)作用下的風(fēng)致響應(yīng)，指出輸電塔與導(dǎo)線間存在明顯的非線性耦合，導(dǎo)線對塔-線體系影響不可忽視;樓文娟[8]、沈國輝[9]等通過剛性模型研究輸電塔體型系數(shù)，發(fā)現(xiàn)均勻流場中角鋼桿件體型系數(shù)試驗值大于我國規(guī)范取值接近國外規(guī)范[8]取值， B類流場中圓鋼塔的體型系數(shù)結(jié)果合理，表明流場對試驗結(jié)果影響顯著[9];張慶華等[10]研究了兩類風(fēng)振系數(shù)的差異，發(fā)現(xiàn)基于加速度響應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)大于基于位移響應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)，二者均小于荷載規(guī)范值[11];樓文娟[12]和鄧洪洲[13]等均開展了良態(tài)風(fēng)與臺風(fēng)風(fēng)場條件下風(fēng)振系數(shù)的對比研究，前者指出臺風(fēng)風(fēng)場條件下風(fēng)振系數(shù)比B類風(fēng)場大約25%，后者也發(fā)現(xiàn)了同樣規(guī)律，但放大系數(shù)約為7%;張宏杰等[14]對比分析了不同流場下的桿塔構(gòu)件的內(nèi)力，指出臺風(fēng)作用下桿塔的內(nèi)力提高了20%. 隨著數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展，風(fēng)速時程模擬也廣泛應(yīng)用于輸電塔線系統(tǒng)抗風(fēng)研究中，Zhang等基于輸電線路現(xiàn)場破壞情況，通過模擬不同高度風(fēng)速時程，基于規(guī)范考慮截面體型系數(shù)，開展了輸電塔線系統(tǒng)有限元分析，評估其極限承載能力并識別了薄弱位置[15]; Li等應(yīng)用

高斯過程模擬脈動風(fēng)速，并用于輸電塔線在強風(fēng)作用下的風(fēng)效應(yīng)評估中，取得較好效果[16].

本文基于某輸電塔氣彈模型，研究了不同流場與不同來流風(fēng)向下的桿塔結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)與風(fēng)振系數(shù)，并與數(shù)值模擬進(jìn)行了對比. 本研究豐富了臺風(fēng)作用下的輸電塔結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究成果，為其安全設(shè)計提供有效的技術(shù)支撐.

1 ? 氣彈模型風(fēng)洞試驗

1.1 ? 模型設(shè)計與制作

試驗對象塔呼高33 m，根開10.9 m，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示. 根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)洞截面尺寸與輸電塔原型尺寸，確定模型縮尺比為1 ∶ 40.

1.2 ? 模型標(biāo)定

本文對模型動力標(biāo)定采用結(jié)構(gòu)靜力拉伸的方法，通過拉線的辦法使結(jié)構(gòu)發(fā)生初位移后突然剪斷拉線讓結(jié)構(gòu)自由振動. 模態(tài)試驗過程加速度傳感器的采樣頻率為500 Hz，6個通道的加速度傳感器信號同步采集，通過濾波處理之后進(jìn)行EMD經(jīng)驗分解，采用隨機減量法獲取自由振動衰減信號，利用Hilbert變換對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別. 圖3給出了輸電塔兩個主軸方向的自由衰減曲線，表2給出了輸電塔動力標(biāo)定試驗?zāi)B(tài)識別結(jié)果. 需要指出的是原型頻率結(jié)果為有限元分析結(jié)果. 從表2可以看出，實測頻率與理論頻率吻合較好.

1.3 ? 風(fēng)場模擬

試驗流場采用被動模擬技術(shù)，采用尖劈和粗糙元模擬了《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[11]規(guī)定的B類風(fēng)場;基于前人關(guān)于臺風(fēng)研究成果[12-13]，臺風(fēng)風(fēng)場采用尖劈、擋板和粗糙元的3種組合，亦采用被動模擬方式進(jìn)行風(fēng)場模擬. 常規(guī)B類風(fēng)場和臺風(fēng)風(fēng)場模擬結(jié)果分別如圖4和圖5所示.

兩類風(fēng)場條件下，均采集了4組風(fēng)速下的加速度響應(yīng). 其中B類風(fēng)場參考風(fēng)速為：3.081 m/s、4.024 m/s、5.017 m/s、6.214 m/s、6.972 m/s（對應(yīng)實際20.669 m/s、26.995 m/s、33.66 m/s、41.6879 m/s、46.7731 m/s）;臺風(fēng)風(fēng)場參考風(fēng)速為：3.079 m/s、4.026 m/s、5.038 m/s、5.930 m/s、6.920 m/s（對應(yīng)實際20.656 m/s、27.009 m/s、33.800m/s、39.782 m/s、46.424 m/s）. 參考點位置為0.75 m，對應(yīng)實際高度為30 m.

2 ? 數(shù)值模擬

諧波合成法（WAWS）主要思想為利用三角函數(shù)的線性組合，通過對一系列余弦函數(shù)序列求和的辦法模擬隨機脈動風(fēng)荷載[18-19]，該方法具有較高精度且無條件穩(wěn)定等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于輸電塔風(fēng)致效應(yīng)的數(shù)值模擬中[20].基于諧波合成法獲得不同高度處的風(fēng)速，轉(zhuǎn)化為不同高度處的風(fēng)壓力，根據(jù)規(guī)范方法（如公式（1）所示）獲得不同高度處的節(jié)點力[15]，施加到有限元模型上（有限元模型如圖7所示）.

? 表4給出最不利風(fēng)向下（0°風(fēng)向角）3個典型高度處風(fēng)振系數(shù)的試驗值與時域分析結(jié)果，同時給出了3種規(guī)范下的風(fēng)振系數(shù)取值. 這里需要著重指出的是，在計算風(fēng)振系數(shù)時，其保證因子均取為4.0.?

從表4可以看出：對于整體風(fēng)振系數(shù)，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的計算值最大，《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的計算值次之，《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》的計算值最小，但均大于常規(guī)B類風(fēng)場試驗值，小于臺風(fēng)風(fēng)場試驗值;時域分析結(jié)果與試驗值較為吻合;臺風(fēng)風(fēng)場條件下的風(fēng)振系數(shù)試驗值比常規(guī)風(fēng)場大約16%，時域分析值大約10%，放大效應(yīng)介于樓文娟等人[12]的試驗結(jié)果與鄧洪洲等人[13]的試驗結(jié)果之間，驗證了強風(fēng)參數(shù)與研究對象的差異對研究結(jié)果的影響[1].

4 ? 結(jié) ? 論

1）高湍流的臺風(fēng)作用下，輸電塔風(fēng)致加速度響應(yīng)明顯高于常規(guī)B類風(fēng)場條件，增幅達(dá)到20%～30%.

2）B類風(fēng)場條件下輸電塔風(fēng)振系數(shù)試驗值與《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[21]較為吻合，取為1.6;臺風(fēng)風(fēng)場下的風(fēng)振系數(shù)明顯高于B類風(fēng)場，達(dá)到了1.85，因此在臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)進(jìn)行輸電塔結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮高湍流臺風(fēng)風(fēng)場的影響.

3）數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合，表明諧波合成法是一種有效的風(fēng)速時程模擬方法，能有效應(yīng)用于輸電塔抗風(fēng)研究中.

4）不同地貌情況下，臺風(fēng)特性各異，其流場特征有較大差異，仍需更多實測的臺風(fēng)信息確定合適的流場特征，以開展此類結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗，提供更為豐富的臺風(fēng)作用下輸電塔結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的技術(shù)支撐.

5）需要指出的是，本文在開展風(fēng)致響應(yīng)計算時并未考慮氣動阻尼的影響，研究表明氣動阻尼能降低輸電塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)致效應(yīng)[12]. 因此，研究精細(xì)化氣動阻尼及其對輸電塔系統(tǒng)的影響是下一步的一個重點工作.

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