鋼管塔桿件渦振對節(jié)點(diǎn)板疲勞壽命影響研究

李 捷，張宏杰，韓軍科，李茂華，劉海鋒，牛華偉

(1.國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031 ；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100055；3.湖南大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410082)

煤炭資源是能源礦產(chǎn)資源之一。在世界一次能源消費(fèi)量中占25%。2000年底，世界煤炭總產(chǎn)量為46.61億t，消費(fèi)量46.59億t，貿(mào)易量5.9億t。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，電力、冶金、建材、化工等行業(yè)的高速發(fā)展導(dǎo)致了對煤炭需求的大幅度增加，煤炭開采對電力需求日益增大，電網(wǎng)工程不斷擴(kuò)大，鋼管塔結(jié)構(gòu)數(shù)量不斷增多，煤礦堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)日益緊迫[1]。在某些地形平坦的區(qū)域，每當(dāng)進(jìn)入風(fēng)速風(fēng)向適宜且氣溫較低的季節(jié)，都會誘發(fā)圓形鋼管塔桿件發(fā)生渦激共振。渦激共振是一種限幅振動(dòng)，不會造成鋼管桿件的強(qiáng)度破壞，但持續(xù)發(fā)生將引起鋼管桿件或節(jié)點(diǎn)板的疲勞破壞。因此，在兼顧經(jīng)濟(jì)性的前提下，為盡可能避免渦振的發(fā)生，輸電線路鋼管塔設(shè)計(jì)規(guī)范[2]，對鋼管桿件的起振臨界風(fēng)速進(jìn)行了控制，要求一階起振臨界風(fēng)速不低于8m/s。并依據(jù)這一原則，對鋼管桿件長細(xì)比進(jìn)行了控制。但是，鋼管桿件起振臨界風(fēng)速受兩端約束型式影響較為突出[3]，而對于某些兩端節(jié)點(diǎn)板剛度較小的輔助材，其兩端十分接近鉸接約束，這類輔助材的起振臨界風(fēng)速很低。文獻(xiàn)[2]中提供的附表A.1規(guī)定，長細(xì)比為148的兩端鉸接桿件起振臨界風(fēng)速僅為5.16m/s，在自然環(huán)境中比較易于發(fā)生渦振。而渦振發(fā)生后，如何準(zhǔn)確計(jì)算渦激力，如何估算鋼管桿件或節(jié)點(diǎn)板疲勞壽命，就成為一個(gè)不容回避的問題。

關(guān)于各種約束型式的鋼管塔桿件起振臨界風(fēng)速及渦激力的計(jì)算，楊靖波等[4，5]已經(jīng)開展了較多研究工作，部分研究成果已經(jīng)寫入規(guī)范中。鄧洪洲等[6-8]在計(jì)算渦激力的基礎(chǔ)上，還結(jié)合一定的氣象條件，開展了鋼管塔桿件的疲勞壽命估算工作。這些工作的開展都為分析實(shí)際發(fā)生的渦振疲勞破壞事件提供了基礎(chǔ)理論依據(jù)。但是，涉及到工程中各種計(jì)算參數(shù)的選取[9，10]，還有一些參數(shù)有待研究。例如，有關(guān)不同雷諾數(shù)條件下的氣動(dòng)升力系數(shù)取值問題，就對渦激力的影響十分顯著[11，12]，而這一取值的變化范圍較大[13]，這就給渦激力的準(zhǔn)確計(jì)算帶來了較多不確定性。

再者，結(jié)構(gòu)疲勞破壞總是從應(yīng)力集中點(diǎn)處開始[14]，以往研究的疲勞結(jié)構(gòu)斷面型式，采用理論計(jì)算即可獲取較為準(zhǔn)確的最大應(yīng)力幅值。由于鋼管塔設(shè)計(jì)中采用的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造型式較為復(fù)雜，理論計(jì)算難于獲取準(zhǔn)確的理論解，需要開展針對性的實(shí)體仿真分析，以明確最小開裂點(diǎn)位處的應(yīng)力狀態(tài)。

在此背景下，本文結(jié)合工程實(shí)踐中發(fā)生的鋼管塔塔單根桿件渦振造成節(jié)點(diǎn)板疲勞破壞的事件，收集了當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速風(fēng)向信息，開展了渦振桿件所在鐵塔節(jié)間的桁架梁單元?jiǎng)恿μ匦苑治?，基于兩端鉸接約束條件計(jì)算了桿件渦激力荷載，并基于實(shí)體建模仿真分析，獲取了應(yīng)力集中點(diǎn)處的最大應(yīng)力幅值，給出了可能引起鋼管桿件兩端節(jié)點(diǎn)板疲勞開裂的成因，并為后續(xù)開展此類事件成因分析提出了研究建議。

1 發(fā)生渦振的鋼管塔工程背景

1.1 發(fā)生渦振的桿件位置及破壞情況

2019年4月，某交流輸變電線路建成后，發(fā)生了少數(shù)吊桿的渦激共振(圖1中1409#吊桿)。從吊桿的功能來看，其主要用來防止與其相連的水平橫隔面發(fā)生過大的豎向位移，其所受軸力很小。因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，滿足構(gòu)造要求即可，圖1中 1409#吊桿為圓形鋼管桿件，計(jì)算長度為8.567m，管徑0.168m，壁厚0.004m，計(jì)算長細(xì)比為148，形心高度離地43m。

圖1 發(fā)生渦振的吊桿所在位置示意

圖2 節(jié)點(diǎn)板開裂照片

渦振從2019年5月份被觀察到，至2019年11月份運(yùn)維檢修人員上塔檢查，發(fā)現(xiàn)1409#吊桿與下橫隔面水平材相連的1411#節(jié)點(diǎn)板發(fā)生了開裂(圖2)。開裂位置屬于節(jié)點(diǎn)板加勁肋突出部位的熱影響區(qū)。以往輸電線路工程中，鋼管塔部分桿件發(fā)生渦振也是有的，但從未發(fā)生過此類連接板開裂的事件，而且此次是在建成后不足4～5個(gè)月的時(shí)間就發(fā)生了開裂。鋼管渦激振動(dòng)斷裂板件材質(zhì)分析顯示，材質(zhì)力學(xué)性能均達(dá)標(biāo)，焊縫組織未見異常，斷口電鏡掃描提示多源疲勞開裂。渦振疲勞如此迅速，其成因有待開展研究。發(fā)生斷裂的1411#節(jié)點(diǎn)板細(xì)部構(gòu)造如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)板細(xì)部構(gòu)造圖(mm)

1.2 周邊地理氣象信息收集與分析

收集了距離本工程較近的濮陽氣象站風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。濮陽氣象站設(shè)立于1953年，地理坐標(biāo)東經(jīng)115°01′，北緯35°42′，觀測場海拔高度為53.1m，觀測項(xiàng)目較齊全。2009年至2019年間風(fēng)速小于4.4m/s的風(fēng)速占比分布情況如圖4所示。由圖4可知，4.4m/s的風(fēng)速樣本占比超過了94%?？紤]當(dāng)?shù)氐鼐€條件，按照B類地貌高度，將風(fēng)速向1409#吊桿所在的高度范圍內(nèi)修正(離地38.9～46.8m)，則吊桿高度處風(fēng)速修正系數(shù)在1.23～1.26之間，則吊桿高度處大于5.4m/s風(fēng)速的發(fā)生概率不大于6%?？紤]到吊桿與水平面的夾角已經(jīng)達(dá)到64°，近似豎直放置，絕大多數(shù)風(fēng)向下都較為適宜誘發(fā)渦振，因此假定全風(fēng)向角下吊桿均有可能發(fā)生渦振。

圖4 當(dāng)?shù)匦∮?.4m/s風(fēng)速樣本發(fā)生概率

2 渦激振型的確定

發(fā)生渦振的吊桿接近鉛垂放置，在全風(fēng)向角作用下，一階弱軸與一階強(qiáng)軸均有可能在較低風(fēng)速下發(fā)生渦振，因此，需要通過對吊桿振型頻率與實(shí)測振動(dòng)信號的綜合分析，確定是強(qiáng)軸還是弱軸發(fā)生了振動(dòng)。

2.1 吊桿一階弱軸與一階強(qiáng)軸振型分析

為真實(shí)模擬吊桿所在節(jié)間其他桿件對吊桿振動(dòng)特性的影響，建立了整個(gè)桁架節(jié)間的有限元模型(圖5)，并提取了吊桿一階弱軸與一階強(qiáng)軸對應(yīng)振型與頻率(圖6)。

圖5 吊桿動(dòng)力特性分析有限元模型

圖6 吊桿一階弱軸與強(qiáng)軸振型

由圖6可知，吊桿的1階弱軸振動(dòng)頻率為6.21Hz，振型為垂直于斜桿所在V面的面外半波正弦振動(dòng)；1階強(qiáng)軸振動(dòng)頻率為9.86Hz，振型為平行于斜桿所在V面的面內(nèi)半波正弦振動(dòng)。

2.2 基于振動(dòng)視頻的渦振鎖定頻率識別

采用振動(dòng)視頻識別分析軟件，對現(xiàn)場拍攝到的吊桿典型振動(dòng)視頻進(jìn)行了分析工作，得到了樣本頻譜中出現(xiàn)次數(shù)較多的兩類振動(dòng)頻譜如圖7所示。

圖7 識別到的兩類振動(dòng)頻譜圖

2.3 渦振鎖定頻率

綜合有限元分析與現(xiàn)場振動(dòng)視頻識別結(jié)果，基本可以判定，鎖定頻率7.5Hz的振動(dòng)為一階弱軸振動(dòng)，鎖定頻率9.96Hz的振動(dòng)為一階強(qiáng)軸振動(dòng)，兩種振動(dòng)在實(shí)際使用環(huán)境中都有發(fā)生。后續(xù)將分別對應(yīng)兩種渦振，計(jì)算1411#節(jié)點(diǎn)板開裂位置處的應(yīng)力幅。

3 吊桿渦激力的計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[5]桿件渦激力計(jì)算公式如下：

pdj(x)=ρA(2πnj)2qjφj(x)=

式中，φj(x)為j階振型形函數(shù)；ρa(bǔ)為空氣密度；ξj為j階振型阻尼比；x為桿件距離一端的距離；L為桿件計(jì)算長度；D為鋼管直徑；CLs應(yīng)為圓形截面氣動(dòng)升力系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差；Vcrj為j階振型渦振風(fēng)速，采用式(2)計(jì)算。

式中，St為斯托雷哈數(shù)，圓形截面在亞臨界區(qū)可取為0.2。

由式(1)可知，在桿件結(jié)構(gòu)參數(shù)已固定的情況下，渦激力還受到CLs和Vcrj這兩個(gè)與渦振狀態(tài)相關(guān)的參數(shù)的影響。既有研究表明，渦振風(fēng)速范圍大約維持在1～1.3Vcrj之間[14]，且圓形截面的最大振幅基本在渦振風(fēng)速鎖定范圍的中間位置出現(xiàn)[15，16]。因此，1.15Vcrj對應(yīng)可能出現(xiàn)的最大渦激力。則對應(yīng)一階弱軸最大渦激力的風(fēng)速為6.3m/s，一階強(qiáng)軸最大渦激力的風(fēng)速為8.4m/s。結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)速資料，發(fā)生一階弱軸渦振的概率明顯高于一階強(qiáng)軸，但兩種渦振的發(fā)生概率之和不會超過6%。

其次，有關(guān)CLs的取值，其不僅受到雷諾數(shù)效應(yīng)的影響[17]，還受到鋼管渦振幅值的影響，文獻(xiàn)[13]給出了CLs隨雷諾數(shù)的變化曲線，可知CLs會在0.1～0.6之間變化。出于尋找可能造成節(jié)點(diǎn)板疲勞開裂最大荷載的考慮，本文將CLs取為0.6，這與文獻(xiàn)[5]的取值一致。

圖8 吊桿加載

4 節(jié)點(diǎn)板實(shí)體建模應(yīng)力分析

建立節(jié)點(diǎn)板實(shí)體模型，而后通過求解渦激荷載作用下吊桿傳遞給鋼管特定截面處的剪力和彎矩，并施加在鋼管截面實(shí)體模型邊界處，從而實(shí)現(xiàn)渦激荷載作用下的節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力仿真分析。一階弱軸渦激荷載與一階強(qiáng)軸渦激荷載作用下的節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力分布如圖9所示。

圖9 弱軸與強(qiáng)軸渦激荷載作用下的節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力云圖

經(jīng)計(jì)算，肋板處開裂截面，9.96Hz對應(yīng)渦激力荷載雖然較大，但平行于板面加載時(shí)，由于強(qiáng)軸截面抗彎慣性矩較大，其對應(yīng)的應(yīng)力幅僅為7.7MPa，7.5Hz渦振對應(yīng)的渦激力雖然較小，但垂直于板面加載時(shí)，弱軸截面抗彎慣性矩較小，其對應(yīng)的應(yīng)力幅達(dá)到了77.83MPa。

5 節(jié)點(diǎn)板最短開裂時(shí)間估算

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定[18]，在應(yīng)力幅已知的情況下，計(jì)算疲勞壽命，采用式(3)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，與鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范附錄E中第7項(xiàng)第5類構(gòu)件和連接類別相似，故將C取為1.47×1012，β取為3。

不考慮風(fēng)向和自然界紊流度的影響，并假定全年6%適宜渦振發(fā)生的風(fēng)速條件下均發(fā)生了渦振，對2018年11月1日至2019年10月31日間，可能發(fā)生的渦振次數(shù)進(jìn)行了估算。最大容許渦振次數(shù)的計(jì)算結(jié)果及其與各月累積渦振次數(shù)的對比情況見表1。

由表1可知，當(dāng)弱軸發(fā)生渦振時(shí)，節(jié)點(diǎn)板疲勞開裂的最大容許渦振次數(shù)只有312.1萬次。以當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，理想情況下在2月份的累積渦振次數(shù)已達(dá)391.7萬次，理論上1411#節(jié)點(diǎn)板可能在鋼管塔完工后的4～5個(gè)月時(shí)間內(nèi)因渦振發(fā)生疲勞斷裂。

表1 2018年11月至2019年10月渦振發(fā)生頻次統(tǒng)計(jì)

6 結(jié) 論

本文針對輸電線路鋼管塔桿件渦振引起節(jié)點(diǎn)板疲勞開裂事件，進(jìn)行了周邊環(huán)境分析、渦振頻率識別、渦激力計(jì)算、節(jié)點(diǎn)板實(shí)體模型應(yīng)力分析以及最短開裂時(shí)間估算等工作。通過上述研究工作，從理論上給出了節(jié)點(diǎn)板疲勞開裂的主要原因在于：當(dāng)桿件弱軸渦振時(shí)，節(jié)點(diǎn)板中間位置加勁肋最外緣處有明顯的應(yīng)力集中，當(dāng)渦激力的升力系數(shù)取為0.6時(shí)，最大應(yīng)力幅可達(dá)77.83MPa，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中的第5類構(gòu)件疲勞壽命計(jì)算公式，1411連板加勁肋附近區(qū)域理論上有可能在4～5個(gè)月的時(shí)間內(nèi)發(fā)生疲勞開裂，這與斷口電鏡掃描提示的多源疲勞開裂相吻合。

本次事件的發(fā)生，也提醒相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，需要從以下幾個(gè)方面予以關(guān)注和改進(jìn)：

1)按照當(dāng)前鋼管塔設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，部分桿件的渦振是必然會發(fā)生的，需要考慮在規(guī)范中，增加渦振振幅控制指標(biāo)或添置必要的渦振控制措施，尤其是非受力控制的近似兩端鉸接的桿件，這種需求尤為迫切。

2)渦振受自然環(huán)境影響顯著，發(fā)生具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，傳統(tǒng)的在線監(jiān)測設(shè)備缺乏對渦振捕捉所需的靈活性，這使得當(dāng)前對于渦振鎖定頻率及振型的判定處于無據(jù)可依的境況，需要開發(fā)更為靈活的渦振特征快速診斷裝置，以評估是否發(fā)生了能引起結(jié)構(gòu)迅速疲勞的渦振。否則，放任大幅渦振的持續(xù)發(fā)生，節(jié)點(diǎn)板、桿件或其他薄弱點(diǎn)處的疲勞開裂將只是時(shí)間問題。

3)應(yīng)當(dāng)盡量避免采用單插板節(jié)點(diǎn)板，或者優(yōu)先采用不存在明顯弱軸的節(jié)點(diǎn)板型式。