大跨越输电塔线体系的风振响应及振动控制研究

【摘要】：大跨越输电塔线体系作为高压电能输送的载体,是重要的生命线工程。与通常的架空线路相比,大跨越塔线体系具有塔体结构高、跨度大的特点,塔体的高柔特性决定了风荷载是其主要动力荷载,而塔线间的相互作用,使这类体系在风载作用下的振动响应十分复杂。 本文以规划中的世界第一高塔—舟山大跨越输电塔为工程背景,建立了塔线耦合体系的空间有限元模型,分别采用梁单元、杆单元、悬链线索单元对输电塔、绝缘子和输电线进行了精确的模拟。同时采用离散刚度法设计制作了塔线体系的气动弹性模型,并在紊流风场中,进行了多个风向角、多个风速下的单塔和塔线体系气弹模型风洞试验。 通过对塔线体系风振响应的时域分析和试验研究,将输电塔的响应分解为共振分量与背景分量,并分别考虑了塔线耦合作用对这两部分分量的影响。针对背景与共振响应各自的特征,进一步提出了塔线体系的简化计算方法:背景分量的计算可以应用准静态假定,采用方差分析法得出;通过建立塔线体系的等效计算模型—悬吊摆系统,使共振分量的计算获得简化。以简化方法为基础,采用频域方法对塔线体系的风振响应进行了计算。通过对计算结果的分析,得出了一些重要的结论,对塔线体系的实际工程设计具有重要的指导意义。 针对塔线体系的动力特性,采用被动耗能装置—粘弹性阻尼器对体系的风振响应进行了振动控制研究,重点讨论了阻尼器的位置优化问题。利用本文提出的改进适应性权重:代间比较权重,并将遗传算法与劣出优入算法相结合,形成了一种多目标优化的混合遗传算法。选取塔线体系脉动位移的H_2和H_∞范数、阻尼器的总量与阻尼器平均耗能作为优化目标函数,得到了阻尼器的优化布置方案,并通过受控体系的气弹模型风洞试验对风振控制效果进行了验证。计算和试验结果均表明,该方案可以取得较好的减振效果,从而为将来塔线体系风振控制系统的实际安装提供了理论依据。