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多棱插接式钢管塔风振反应分析及振动控制

贾照远  
【摘要】:多棱插接式钢管塔具有外形美观、施工方便、占地面积小、运行维护工作量少等突出优点,国外广泛用作输电线路特别是城区电网的主要杆形,我国也已开始大量使用,具有良好的发展前景。 风荷载是钢管塔的最主要荷载,钢管塔在风作用下的振动是影响结构设计和工作性能的最主要因素。传统方法仅靠加强承重结构来抵抗风振是很不经济的,对结构进行振动控制才是一种积极、低花费、高收益的方法。本课题旨在通过简单易行的“风振阻尼减振技术”来降低结构用钢量,减少高耸塔桅结构的体积,遏止风振带来对输电线路钢管塔、微波通讯塔等高耸结构钢管塔的破坏,以及引起的电路、通讯中断等恶劣后果。 本文首先阐述了平均风与脉动风荷载理论,根据随机振动理论,按照M.Shinozuka方法仿真得到了作用于钢管塔的多维互相关脉动风荷载时程样本曲线,并对其进行了检验。在充分熟悉结构构造和国内外规范的相关规定基础上,用精细的空间壳体有限元模型进行了静力、变形、自振频率及振型计算,基于计算所得的振型向量和模拟的风荷载时程,采用线性状态空间描述法结合MATLAB程序进行了钢管塔风振时程分析。 为了有效抑制“风振”、降低用钢量,本文在比较多种被动控制装置的基础上提出在结构顶部安装钢球动力减振器(Ball Vibration Absorber)来减小位移反应。运用D'Alembert原理和动力学普遍方程推导了钢球减振器体系自振频率的计算公式和振动微分方程,用单自由度位移激励强迫振动模型阐述了该减振体系的减振机理。根据结构—BVA体系风振控制的动力方程,在时域范围内考察了BVA的减振效果。为初步探讨BVA的减振效果,对模拟塔减振前后自由振动衰减曲线进行了实测,试验证明安装BVA以后结构阻尼可达原结构的3~5倍。应用随机振动理论在频域范围内进行了响应分析,基于减振系数β_x和等效阻尼比ζ_e两个重要指标,分别研究了质量比μ_d、频率比λ_d、减振器阻尼比ζ_d和安装位置φk_1等参数对减振效果的影响规律。通过结构阻尼比ζ与脉动增大系数ξ的关系,建立了钢管塔风振阻尼减振控制的实用设计方法,算例表明该实用设计方法简捷有效,可直接用于工程设计。 总之,BVA克服了TMD和质量摆难于安装于钢管塔顶部较小空间的缺点,具备各个方向上的制振能力,可以显著增加高耸钢管塔结构的阻尼,作为一种构造简单、无需维护、造价低廉的动力吸振装置,钢球减振器可以有效地抑制钢管塔的风振反应,在塔桅结构风振控制中有很好的应用前景。本文较为全面地分析了钢管塔风振控制问题,研究成果可以为行业规范和钢结构设计规范、高耸结构设计规范的修订完善提供必要的理论基础。


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