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特高压输电塔风振响应及等效风荷载研究

肖正直  
【摘要】: 输电塔线体系的抗灾害性研究尚处于初期,无论是灾害荷载作用机理,还是结构分析方法、设计理论、振动控制等方面均存在很多缺陷,致使输电塔的倒塔破坏时有发生,经济损失巨大,严重影响国民经济建设和生活秩序。风荷载又是其主要的动力荷载,动力风效应分析的正确性和精度将直接影响到结构的安全与合理。因此有必要对输电塔线体系的风荷载作用模型、风振响应、等效风荷载及风洞实验进行深入研究。本文围绕输电塔的风振响应和等效风荷载,主要开展了以下几个方面的工作: (1)初步解决了格构式输电塔气弹模型设计的难题。由于格构式输电塔结构质量轻、刚度大,采用传统的气动弹性模型设计方法无法实现输电塔结构的气弹模型设计,刚性节段加“V”型弹簧片法能很好地模拟输电塔结构的动力特性。 (2)气动阻尼是输电塔结构风振响应分析的重要参数,通过HHT方法结合RDT法实现了输电塔线体系环境激励下的气动阻尼的识别,为输电塔线体系的风振响应分析提供了基础。 (3)根据高频天平技术原理及基于准定常假设条件下,推导了输电塔风荷载空间分布的计算公式,为输电塔的风致振动研究提供了一条重要途径,也是对高频天平测力实验局限性的一种可靠方便的扩展。 (4)通过自振特性分析确定了弯剪型层模型作为输电塔动力计算的简化模型;根据准定常假设认为来流在结构表面重分布可以忽略,结构上一点所受的顺风向脉动风荷载只与该点来流的风速有关,确定了输电塔顺风向风荷载作用模型。作用在结构上的横风向风荷载和扭转风荷载主要由紊流风、分离剪切流与结构侧面相互作用、尾流激励以及漩涡随机脱落等共同作用的结果,结构自身的形状对其影响较大,因此横风向风荷载及扭转风荷载不在适用于用横风向风速谱直接转化得到,根据高频天平测力实验得到的基底弯矩,通过分段估计法得到了横风向风荷载的分布。发展了用于输电塔耦合抖振分析的有限元CQC法、SRSS法和虚拟激励法。 (5)谐波合成法是一种精度较高且无条件稳定的随机过程模拟方法,本文在单维多变量随机风场合成方法的基础上,引入了纵向与竖向脉动风速的交叉谱的影响;经过对模拟样本的谱密度函数、相关函数检验验证,该方法能准确有效地模拟出符合要求的多维多变量随机样本;在此基础上实现了输电塔线体系时域抖振分析。 (6)发展了基于荷载响应相关法的输电塔顺风向的等效风荷载研究。考虑输电塔结构截面收缩的影响,推导了简单输电塔结构顺风向、横风向及扭转方向的一阶广义荷载谱的振型修正系数。基于分段估计法推导的三维风荷载互谱,研究了输电塔结构三个正交方向的等效风荷载。


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