下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝w系的風振響應(yīng)與優(yōu)化設(shè)計研究進展

朱曉虎，胡 晨，周方圓，王靜峰，胡培芳，劉 用

(1.國網(wǎng)安徽眾興電力設(shè)計有限公司，安徽 合肥 230031； 2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，安徽 合肥 230031；3.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009； 4.先進鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟快速增長，人們對電力能源的需求量大幅度增長。為滿足用電需求、完善電網(wǎng)配置，近年來大量建設(shè)了超高壓輸電塔-線體系。輸電塔體系作為近地面柔性結(jié)構(gòu)的典型代表對極端強風非常敏感，在極端強風作用下輸電塔結(jié)構(gòu)容易發(fā)生桿件局部破壞、塔頭損壞甚至塔體倒塌破壞等，導致線路故障且修復(fù)困難。

下?lián)舯┝髯鳛闃O端強風的一種，是由強下沉氣流猛烈沖擊地面形成的近地面短時破壞性強風[1],具有突發(fā)性強、范圍小、生命周期短、出流強度大等特點。下?lián)舯┝鳂O端強風災(zāi)害，可導致房屋破壞、輸電塔及通信塔倒塌等(圖1)，造成巨大的經(jīng)濟損失，嚴重影響人們的生產(chǎn)生活。其中，輸電塔結(jié)構(gòu)由于具有結(jié)構(gòu)高、柔性強和阻尼小等特點，在下?lián)舯┝髯饔孟嘛L振響應(yīng)顯著，風致災(zāi)害尤為嚴重。

為此，本文從下?lián)舯┝黠L場特性的角度出發(fā)，介紹了其風速特征及理論與數(shù)值分析方法，概括總結(jié)了在下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝w系的風振響應(yīng)，分析了輸電塔優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)手段,旨在為下?lián)舯┝鲝婏L作用下輸電塔性能研究提供參考依據(jù)。

圖1 下?lián)舯┝黠L災(zāi)現(xiàn)場

1 下?lián)舯┝黠L場特性

隨著下?lián)舯┝髟斐傻膹婏L災(zāi)害逐漸被人們重視，一系列關(guān)于下?lián)舯┝鞯膶崪y研究、物理試驗、數(shù)值模擬及解析模型紛紛開展起來，全方位地探究下?lián)舯┝鞯娘L場特征，為建筑結(jié)構(gòu)[2]、輸電塔體系[3]和橋梁結(jié)構(gòu)[4]等工程結(jié)構(gòu)的抗下?lián)舯┝鞣治龅於嘶A(chǔ)。

伊利諾伊州北部強降水氣象研究[5](Northern Illinois Meteorological Research on Downbursts,NIMROD)是國際上第一個觀測下?lián)舯┝鞯默F(xiàn)場實測科研項目。該項目雖未成功獲得尺度小、生命周期短的微下?lián)舯┝鞯膭恿μ卣鳎C實了下?lián)舯┝鞯念l發(fā)性。[6]聯(lián)合機場天氣研究(Joint Airport Weather Studies,JAWS)項目通過分析180多個下?lián)舯┝靼咐l(fā)現(xiàn)了其持時短的時間特征，以及其風速隨高度增加先增大后減小等速度特征。Hjelmfelt[7]通過總結(jié)JAWS項目下?lián)舯┝鲗崪y數(shù)據(jù),繪制了一個典型的下?lián)舯┝黠L速剖面,如圖2所示。FAA-LINCOLN 實驗室運營志愿者研究(FAA-Lincoln Laboratory Operational Weather Studies，F(xiàn)LOWS)[8]項目發(fā)現(xiàn)了下?lián)舯┝髁鲌鼋Y(jié)構(gòu)具有對稱或近似對稱的特征。李宏海等[9]統(tǒng)計分析了1971—2000年的中國707座氣象基站資料，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)全國各地區(qū)每年平均發(fā)生下?lián)舯┝?0.7天，證明了下?lián)舯┝髟谖覈哂休^高的頻發(fā)性，結(jié)合我國下?lián)舯┝鲿r空分布特征和下?lián)舯┝骼勰昶骄鞌?shù)，將我國下?lián)舯┝黠L荷載劃分為低發(fā)區(qū)、高發(fā)區(qū)和頻發(fā)區(qū)三個區(qū)域。

圖2 下?lián)舯┝黠L速剖面(Hjelmfelt繪制)

目前，實現(xiàn)下?lián)舯┝魑锢碓囼災(zāi)M的方式主要有兩種，分別是重力流模擬和沖擊射流模擬。在結(jié)構(gòu)風工程領(lǐng)域，學者們側(cè)重于研究下?lián)舯┝鳑_擊地面后擴展階段的風場特征，探究下?lián)舯┝骶植繌婏L荷載對工程結(jié)構(gòu)的風致效應(yīng)，往往多采用空氣沖擊射流模型模擬下?lián)舯┝黠L場。多項下?lián)舯┝魑锢碓囼灲Y(jié)果表明，沖擊風的風速、直徑、射流高度、入射傾角，以及地形地勢、地面傾斜度與粗糙度等對下?lián)舯┝黠L場有重要的影響[10-13]。

在下?lián)舯┝鞯难芯恐?，?shù)值模擬是一種經(jīng)濟且便利的研究手段，用來探究下?lián)舯┝魑⒂^的流場特征。早期，Selvam等[14]、Nicholls等[15]和Wood等[16]分別采用了2D軸對稱的k-epsilon湍流模型、2D軸對稱的大渦模擬方法和DRS(Differential Reynolds Stress)湍流模型對比分析不同模擬方法的優(yōu)缺點。2D軸對稱風場數(shù)值模型有著嚴苛的適用性，大多數(shù)實際風場難以滿足二維空間風場的簡化條件，限制了下?lián)舯┝黠L場特征的研究。近年來，計算機技術(shù)快速發(fā)展，大力推動了3D空間下?lián)舯┝黠L場模擬分析的發(fā)展。Anabor等[17]通過大渦模擬方法開展了下?lián)舯┝魅S風場數(shù)值模擬，跟蹤了下?lián)舯┝餮葑冞^程，能夠較好地模擬還原出下?lián)舯┝黠L場中的脈動特性及渦旋狀態(tài)。瞿偉廉等[18-20]采用計算流體動力學軟件Fluent探究了下?lián)舯┝鲾U散的細部微觀風場結(jié)構(gòu)，分析了瞬時風速分布及風場初始條件的影響。鐘永力等[21]對比分析了靜止型與移動型的下?lián)舯┝黠L場特性，結(jié)果表明由于下?lián)舯┝黠L暴中心的移動導致渦旋衰減較慢、局部風速較大。

最早，Oseguera及Bowles等[22]提出了一個下?lián)舯┝髌骄L速的軸對稱理論模型，簡稱OB模型。Vicroy等[23]改進了OB模型的形狀函數(shù)，定義了一個與實際風速剖面更符合的OBV理論模型。但OB和OBV理論模型尚未考慮雷暴中心移動對下?lián)舯┝黠L速的影響。為此，Holmes等[24]認為下?lián)舯┝黠L速為其徑向平均風速與雷暴中心移動速度矢量和，忽略了脈動風速的影響。Chen等[25-28]采用幅值調(diào)幅函數(shù)和標準高斯分布過程計算下?lián)舯┝鞯牧憔得}動風時程，提出了下?lián)舯┝鞯娘L速時程U(z,t)計算方法，表達式如下：

(1)

u(z,t)=α(z,t)·k(z,t)

(2)

2 下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝w系的風振響應(yīng)

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，我國絕大部分地區(qū)均會受到下?lián)舯┝鲝妼α魈鞖獾挠绊?，尤其在西南部地區(qū)最為頻繁，平均每周1次以上。下?lián)舯┝鞯娘L速剖面區(qū)別于大氣邊界層近地風風，時變平均風速差異大，如圖3所示，脈動性較強，對工程結(jié)構(gòu)具有極大的破壞性，尤其是對于高聳、輕柔的輸電塔體系而言。然而，目前尚無下?lián)舯┝鳂O端強風荷載設(shè)計的相關(guān)規(guī)范，大量建設(shè)的輸電塔結(jié)構(gòu)仍采用大氣邊界層平穩(wěn)風荷載設(shè)計方法[29，30]，無法保證輸電塔體系對抗下?lián)舯┝鞯陌踩?。為此，研究者們開展了下?lián)舯┝鳂O端強風下輸電塔體系的風振響應(yīng)研究。

圖3 下?lián)舯┝髋c近地風平均風剖面對比

樓文娟等[31，32]以輸電塔體系為研究對象，對比分析了時域與頻域風振響應(yīng)分析方法，結(jié)果表明時域分析法更適合輸電塔線體系的動力風振響應(yīng)研究。

吉柏鋒等[33]對輸電塔結(jié)構(gòu)進行了下?lián)舯┝鳂O端強風荷載作用下的彈塑性分析，分析發(fā)現(xiàn)塔身中上部的斜腹桿和主桿失穩(wěn)破壞是導致輸電塔結(jié)構(gòu)倒塌破壞的主要原因。

何典等[34]采用擬靜力方法分析了下?lián)舯┝髯饔孟缕降?、山坡、山體不同地形輸電塔體系的破壞過程，以及風向角、檔距對輸電塔線承載能力的影響。

洪飛等[35]基于諧波合成法研究了下?lián)舯┝髅}動風速對塔線體系的影響，對比分析了下?lián)舯┝髋c大氣邊界層良態(tài)風對塔線體系風振響應(yīng)的差異。

郭勇等[36，37]將輸電塔的風振響應(yīng)分解為共振分量和背景風量，采用理論計算和試驗研究方法，分析了在下?lián)舯┝鳂O端強風荷載作用下輸電線對這兩部分分量的影響，并提出了一種塔線體系的簡化計算方法。

謝強等[38，39]研究了單塔和塔線體系在均勻流場和紊流場的風致響應(yīng),通過分析不同風攻角、流場及風速工況下塔線體系動力響應(yīng)數(shù)據(jù),總結(jié)出了導線、絕緣子和輸電塔風致振動規(guī)律，通過功率譜密度分析，揭示了輸電塔線耦聯(lián)體系的風荷載傳遞機制。

魏文暉等[40]基于能量法開展了下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝€體系的倒塌全過程分析，通過特征能量函數(shù)的動力穩(wěn)定性判定準則可準確迅速預(yù)測輸電塔線體系整體倒塌的時間。

王唯等[41]基于有限質(zhì)點進行了輸電塔線體系抗下?lián)舯┝鲃恿憫?yīng)分析，模擬了單塔和塔線耦合體現(xiàn)的倒塌全過程。

3 輸電塔體系優(yōu)化設(shè)計

輸電塔體系在下?lián)舯┝鳂O端強風作用下具有顯著的響應(yīng)特性，桿材會發(fā)生不同程度的破壞。有必要在滿足安全使用要求的前提下，進行輸電塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，降低結(jié)構(gòu)用鋼量，預(yù)防結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌等破壞，推動電力工業(yè)向著安全、綠色、環(huán)保的目標進一步發(fā)展。

輸電塔結(jié)構(gòu)作為一種特殊的工程結(jié)構(gòu)，其優(yōu)化設(shè)計包括對塔身截面、形狀、拓撲優(yōu)化和減振控制。

樊社新等[42]以鋼材重量為目標函數(shù)，采用滿應(yīng)力準則和動態(tài)規(guī)劃法相結(jié)合的方法對輸電塔截面進行優(yōu)化設(shè)計。目前，我國有關(guān)設(shè)計軟件主要是以滿應(yīng)力準則進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化策略較為單一。

祝曉燕等[43]基于非線性規(guī)劃法采取分層優(yōu)化交替進行，給出了多種工況下的輸電塔形狀優(yōu)化。后來，隨著各種啟發(fā)式算法的推廣應(yīng)用，各種算法用來對輸電塔結(jié)構(gòu)形狀進行優(yōu)化。

文獻[44]中以桿件截面尺寸和節(jié)點坐標為設(shè)計變量，以塔身重量為目標函數(shù)，進行輸電塔結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化。

張卓群等[45]基于蟻群算法提出了一種可同時進行截面、形狀、拓撲、布局優(yōu)化的輸電塔結(jié)構(gòu)局部優(yōu)化設(shè)計方法。在蟻群算法的基礎(chǔ)上，林又新等[46]結(jié)合經(jīng)典的旅行商問題建立了一種離散系統(tǒng)的拓撲優(yōu)化方法，通過算例驗算證實了該拓撲方法對平面和空間的輸電塔結(jié)構(gòu)具有良好的優(yōu)化效果。

輸電塔結(jié)構(gòu)常布置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)、黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器等耗能設(shè)備消耗一部分振動能量，減小主體結(jié)構(gòu)的振動。TMD易于安裝、設(shè)計方便、經(jīng)濟高效等優(yōu)點，但僅對有限振型的減振效果良好。胡松等[47]采用多個調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(MTMD)進行大跨越輸電塔結(jié)構(gòu)的風振控制分析。陳亦等[48]分析了MTMD和黏彈性阻尼器對輸電塔結(jié)構(gòu)風振控制的聯(lián)合效果。康元品等[49]對比了5種黏滯阻尼器的布置方式，評估其對山區(qū)轉(zhuǎn)角塔的風振控制效果，得出黏滯阻尼器的最優(yōu)布置方案。雷旭等[50]為減輕輸電塔斷電線的沖擊效應(yīng)和較大的風致振動問題，設(shè)計了一種彈簧板式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，通過數(shù)值模擬和風洞試驗方法對比分析了有無該阻尼器對輸電塔結(jié)構(gòu)風致振動的影響。

4 研究展望

本文從下?lián)舯┝鲝婏L風場特性、輸電塔風振響應(yīng)及優(yōu)化設(shè)計三個方面總結(jié)了下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝w系的研究成果，但結(jié)合相關(guān)工程實際案例發(fā)現(xiàn)仍有一些問題亟須解決。為此，提出了如下研究展望：

(1) 我國常受到下?lián)舯┝鳛?zāi)害侵襲，但目前有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中尚無下?lián)舯┝鲝婏L荷載的設(shè)計計算方法，需提出一種方便設(shè)計使用的下?lián)舯┝黠L荷載計算方法。

(2) 目前，大多數(shù)輸電塔結(jié)構(gòu)采用良態(tài)風進行抗風設(shè)計，其對抗下?lián)舯┝鲝娒}動風的安全性能需要全面評估，如何建立一種安全、可靠、方便的輸電塔結(jié)構(gòu)抗下?lián)舯┝髂芰Φ脑u估方法。

(3) 輸電塔體系復(fù)雜，其抗風性能影響因素眾多，如何考慮結(jié)構(gòu)已有部分缺陷，諸如連接節(jié)點螺栓松動、滑移，對輸電塔體系抗下?lián)舯┝鞯撵o力性能和動力響應(yīng)的影響。