CN111651804B - 考虑塔线耦合影响的常规输电线路设计风载荷计算方法 - Google Patents

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CN111651804B CN202010245662.0A CN202010245662A CN111651804B CN 111651804 B CN111651804 B CN 111651804B CN 202010245662 A CN202010245662 A CN 202010245662A CN 111651804 B CN111651804 B CN 111651804B
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Abstract

本发明公开了一种考虑塔线耦合影响的常规输电线路设计风载荷计算方法，步骤为：搭建常规输电塔的塔线体系，获取塔线体系的物理参数；基于塔线耦合影响因子，求取杆塔等效阻尼系数、塔线体系常规输电塔的风振系数、塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数；塔线体系风荷载脉动折减系数；对塔线体系常规输电塔的风振系数、风偏角的风振系数进行修正计算，得到塔线体系常规输电塔的修正风振系数和塔线体系输电线的修正风振系数；在等效振动惯性力作用下计算塔线体系中常规输电塔的设计风荷载；基于塔线分离法计算输电线设计风荷载。有益效果：单塔设计精度高，可靠。

Description

考虑塔线耦合影响的常规输电线路设计风载荷计算方法
技术领域
本发明涉及技术领域，具体的说是一种考虑塔线耦合影响的常规输电线路设计风载荷计算方法。
背景技术
常规输电塔，是与超高输电塔相比较，其塔高在梯度风高度范围内，未采用钢管混凝土复合材料的输电塔。相对而言，常规输电塔在输电线路中更加普遍地被采用。
采用杆塔设计规范计算的风荷载简明、方便、省时，现阶段该方法仍被设计人员广泛采用。通过规范计算的风荷载应该具有能够使输电塔的风振响应和实际最大风振响应等效的作用。采用准确的效静力风荷载进行杆塔设计是保证输电线路正常运行的前提。现有电力相关标准中：例如文献(1)GB 50545-2010. 110kV～750kV架空输电线路设计规范[S].北京:中国计划出版社,2010；(2) GB 50665-2011.1000kV架空输电线路设计规范[S].北京:中国计划出版社, 2011；(3)DL/T 5154-2012.架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S].北京:中国计划出版社,2012和(4)DL/T 5504-2015.特高压架空输电线路大跨越设计技术规定[S].北京:中国计划出版社,2015中给出了60m以下的单塔风振系数的取值，并推荐了60m以上时采用荷载规范计算风振系数。荷载规范的风振系数适用于外形和质量有规律变化的密实建筑物。输电塔为格构式构筑物，横担和横隔面的质量和挡风面积对风振系数的影响大。另外，采用钢管混凝土是荷载规范计算风振系数时没有考虑到的。采用随机振动理论计算输电塔的等效静力风荷载时，表达式涉及复杂的多重积分，并且输电塔的外形和质量分布不规律，很难用一个统一的表达式概括。并且，导线发生风振时的气动阻尼随平均风速的增加而增大，风振响应的共振分量因气动阻尼而大幅降低，计算中可忽略不计。并且常规输电塔组成的单塔体系还需要考虑塔线耦合效应产生的，这对最终计算出高精度的单塔体系风荷载具有重要的意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种考虑塔线耦合影响的常规输电线路设计风载荷计算方法，来提高塔线体系风载荷计算精度。为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种考虑塔线耦合影响的常规输电线路设计风载荷计算方法，具体步骤为： S1：搭建常规输电塔的塔线体系，并获取塔线体系的常规输电塔、输电线、绝缘子串的物理参数；上述数据至少包括常规输电塔所在地面粗糙度类别、设定 10m高度处的平均分速
Figure GDA0003711662950000021
常规输电塔的总高度H、跟开b1、横担个数nc、横担平均外伸长度
Figure GDA0003711662950000022
以及输电塔与导线、绝缘子串的布置方案；还包括导线线性和导线线长等。S2：基于塔线耦合影响因子，根据塔线体系中杆塔等效阻尼系数δe；S3：将步骤S2得到的塔线体系中杆塔等效阻尼系数δe来替换阻尼系数ζ1，求取塔线体系常规输电塔的风振系数β(z)；考虑线形与线长影响因子，计算塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数β；S4：考虑塔线耦合效应，求取塔线体系风荷载脉动折减系数εc；S5：根据步骤S4得到的塔线体系风荷载脉动折减系数，对步骤S3中的塔线体系常规输电塔的风振系数、塔线体系输电线的风振系数进行修正计算，得到塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)和塔线体系输电线的修正风振系数β*；S6：基于塔线分离法，在等效振动惯性力作用下计算塔线体系中常规输电塔的设计风荷载fESWL(z)和输电线的设计风荷载WX。
再进一步的技术方案，步骤S2的具体步骤为：
S21：根据步骤S1的常规输电塔的塔线体系，得到常规输电塔塔线体系计算模型图；所述塔线体系计算模型中的杆塔为密实结构，塔身为正方形的变截面，由下至上尺寸变小，横担为等截面；所述塔线体系计算模型中的导线两端等高，与固定铰支座连接；所述塔线体系计算模型中的杆塔高度为H，横担悬臂长度为lca，绝缘子长度为lin，导线跨度为L。导线挂点无高差。S22：设定输电线和绝缘子串振动的假设条件，得到的常规输电塔塔线体系中输电线和绝缘子串的振型图以及迎风面、被风面输电线和绝缘子串的广义质量、广义刚度和广义阻尼；并将常规输电塔塔线体系中输电线和绝缘子串组合形成索结构体系；所述导线和绝缘子串振动的假设条件为：迎风面和背风面的导线在风荷载下的振动同步；绝缘子串的频率和阻尼比由导线控制，与导线的一致。所述迎风面、被风面导线的广义质量计算公式为：
Figure GDA0003711662950000031
所述迎风面、被风面导线的广义刚度计算公式为：
Figure GDA0003711662950000032
所述迎风面、被风面导线的广义阻尼计算公式为：
Figure GDA0003711662950000033
mc为单根导线单位线长的质量；单根导线振型
Figure GDA0003711662950000034
γg为导线的自重比载；σ0为导线的水平初应力；Γ为导线的线长，
Figure GDA0003711662950000035
ζc＝ζsc+ζac；ζsc为导线结构阻尼比；ζac为导线启动阻尼比；Nc为分裂导线的个数；Tw为平均风状态下单根导线的水平张力；ζc为导线阻尼比；所述迎风面、被风面绝缘子串的广义质量计算公式为：
Figure GDA0003711662950000041
所述迎风面、被风面绝缘子串的广义刚度计算公式为：
Figure GDA0003711662950000042
所述迎风面、被风面绝缘子串的广义阻尼计算公式为：
Figure GDA0003711662950000043
其中，min为绝缘子串单位高度质量；Din为绝缘子串迎风外径；绝缘子串振型
Figure GDA0003711662950000044
H-lin≤z≤H；ζin为绝缘子串阻尼比；
Figure GDA0003711662950000045
lin为绝缘子长度；其中，索结构体系对应的广义质量、广义刚度和广义阻尼的计算公式为：
Figure GDA0003711662950000046
本发明中，下标ci表示索结构。
S23：将步骤S22得到的数据构建索结构体系结合杆塔结构组成塔线耦合简化计算模型；S24：基于杆塔结构组成塔线耦合简化计算模型，求取常规输电塔塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量的均方值和单塔时杆塔顺风向位移共振分量的均方值；从而得到二者的比例式；所述塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量的均方值的计算公式为：
Figure GDA0003711662950000047
Figure GDA0003711662950000048
Figure GDA0003711662950000049
Figure GDA00037116629500000410
杆塔1阶模态的振型φt(z)＝(z/H)2，0≤z≤H；
Figure GDA00037116629500000411
为杆塔的广义质量，
Figure GDA00037116629500000412
Mca为横担的质量，mt(z)为随高度变化的杆塔单位高度质量；coh(z1,z2)为z1和z2高度处两点的脉动风速的相干函数；Sf(nt)为归一化风速谱，nt为杆塔脉动风速的频率；
Figure GDA0003711662950000051
σv'为脉动风速的标准差；
Figure GDA0003711662950000052
为索结构与杆塔的广义质量比值，
Figure GDA0003711662950000053
λn为索结构与杆塔的频率比值；λn＝nci/nt；导线悬挂于杆塔的顶部，
Figure GDA0003711662950000054
ζt为总阻尼比；ζt＝ζst+ζat；ζst为杆塔结构阻尼比；ωt为杆塔无阻尼振动的圆频率；δci为索结构总阻尼比，近视取导线阻尼比，ζci≈ζc，ζc＝ζsc+ζac；
ρa为空气密度，μs(z)为风压随高度变化系数；bs(z)为随高度变化的迎风面宽度；
Figure GDA0003711662950000055
随高度变化的平均风速，σv'为脉动风速的标准差；
ζat为杆塔气动阻尼比；
Figure GDA0003711662950000056
As，ca为横担的挡风面积；所述单塔时杆塔顺风向位移共振分量的均方值为：
Figure GDA0003711662950000057
所述塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量和所述单塔时杆塔顺风向位移共振分量的比例式为：
Figure GDA0003711662950000058
S25：基于步骤S24得到的计算公式，推导常规输电塔悬挂输电线后塔线等效阻尼系数的计算公式，并计算塔线体系中杆塔等效阻尼系数。计算公式的步骤为：悬挂导线后杆塔的等效阻尼比为：
Figure GDA0003711662950000059
其中，ρ与ζe的关系为：
Figure GDA00037116629500000510
对于输电塔线体系而言，索结构为柔性体系，卓越频率远小于杆塔的频率；则忽略λn的高阶项；杆塔的阻尼比约为0.01，索结构的阻尼比小于1，则忽略
Figure GDA0003711662950000061
项；导线悬挂于杆塔的顶部，
Figure GDA0003711662950000062
故悬挂导线后塔线等效阻尼系数的计算公式为：
Figure GDA0003711662950000063
再进一步的技术方案，步骤S3求取塔线体系常规输电塔的风振系数β(z)的步骤为：S311：根据步骤S1中常规输电塔的物理参数，确定常规输电塔所在地面粗糙度类别，设定10m高度处的平均分速
Figure GDA0003711662950000064
常规输电塔的总高度H；跟开b1；横担个数nc；横担平均外伸长度
Figure GDA0003711662950000065
自立式输电塔分为横隔面、横担和剩余塔身3部分；横隔面、横担、剩余塔身的质量和挡风面积沿高度的分布规律不同，在计算过程中需要区别对待。S312：构建常规输电塔的风荷载的计算模型，通过水平均布荷载作用下结构的挠曲线获得常规输电塔0°风向角的1阶侧弯振型φ1(z)；
Figure GDA0003711662950000066
z为实际高度值。对于该弯曲振型，有如下积分关系：
Figure GDA0003711662950000067
根据荷载规范引入背景分量因子 Bz(z)，进而计算输电塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρx和脉动风荷载在竖直方向的相关系数ρz；
根据荷载规范引入的共振分量因子R；确定地面粗糙度指数α；峰值因子 gs；10m高度处的湍流度I10；
Figure GDA0003711662950000068
b为外轮廓宽度；共振分量因子R 的计算公式为：
Figure GDA0003711662950000069
其中，ξ1＝ζe；
Figure GDA00037116629500000610
n 为脉动风速的频率；当塔高H确定时，Bz(z)的表达式为：
Figure GDA0003711662950000071
S314：根据地面粗糙度类别获取背景分量因子的中间变量γ的拟合系数kγ和 aγ；根据常规输电塔的宽度、深度得到风振系数考虑整体外形变化的修正系数θv；根据常规输电塔的横担平均外伸长度、总高度、横担个数得到风振系数考虑附加面积的修正系数θa与风振系数考虑附加质量的修正系数θm的乘积θl；
S315：简化并得到剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的计算公式并计算得到对应的剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的θb(z)；计算得到横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θb(zI)和横隔面的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θb(zJ)；
其中，
Figure GDA0003711662950000072
S316：根据塔身的实际高度值z，结合步骤S315对应得到的风振系数考虑局部外形变化的修正系数计算公式计算所述背景分量因子Bz(z)，具体计算公式为：
Figure GDA0003711662950000073
其中，
Figure GDA0003711662950000074
θv是风振系数考虑整体外形变化的修正系数；θη是风振系数考虑脉动风空间相关性的修正系数；
其中，
Figure GDA0003711662950000075
Figure GDA0003711662950000081
S317：计算风振系数β(z)；
Figure GDA0003711662950000082
其中，gs为峰值因子。
再进一步的技术方案，塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数步骤为β；S321：根据步骤S1中常规输电塔塔线体系的输电线、绝缘子串的物理参数，以重力和平均风荷载作用下作为导线和悬垂绝缘子串计算的初始条件，通过LRC方法确定悬垂绝缘子串风偏角的计算模型；所述导线物理参数至少包括导线型号、导线计算截面积、导线弹性模量、线密度、导线外径；所述输电塔上的绝缘子串物理参数至少包括绝缘子串长度、绝缘子串弹性模量、绝缘子串质量、绝缘子串挡风面积。S322：计算常规输电塔塔线体系中输电塔之间导线单位面积的等效静力风荷载；所述输电塔之间导线单位面积的等效静力风荷载 pESWL的计算公式为：
Figure GDA0003711662950000083
式中，(:,i)表示矩阵的第i列元素；
Figure GDA0003711662950000084
为等效背景风压；
Figure GDA0003711662950000085
为平均风荷载；导线在风荷载作用下的振动方程矩阵表达式为：
Figure GDA0003711662950000086
式中，
Figure GDA0003711662950000087
Y′分别为脉动风荷载作用下导线节点顺风向的加速度、速度和位移；
Figure GDA0003711662950000088
为平均风荷载作用下导线节点顺风向的位移；
M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K刚度矩阵；Ls为节点从属面积矩阵；
导线在脉动风荷载作用下的振动方程矩阵表达式为：
Figure GDA0003711662950000091
根据上述内容可以得到等效静力风荷载计算悬垂绝缘子串的最大风偏角；等效静力风荷载计算悬垂绝缘子串的最大风偏角的计算公式为：
Figure GDA0003711662950000092
式中，
Figure GDA0003711662950000093
为脉动风荷载作用下B点的顺风向峰值位移
Figure GDA0003711662950000094
lAB为A、B 两点间的绝缘子串长度；
Figure GDA0003711662950000095
Figure GDA0003711662950000096
为平均风荷载作用下B点的顺风向位移，
Figure GDA0003711662950000097
Figure GDA0003711662950000098
为平均风偏角；具体计算公式为：
Figure GDA0003711662950000099
Figure GDA00037116629500000910
Gv分别为目标点处悬垂绝缘子串的平均风荷载和竖向重力荷载；
Figure GDA00037116629500000911
Wv分别为目标点处导线传递给悬垂绝缘子串的平均风荷载和竖向荷载。
S323：计算塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数β；
Figure GDA00037116629500000912
∑c表示对计算域内的元素进行求和；Γc为计算域内导线的线长；
Figure GDA00037116629500000913
为平均风荷载；
Figure GDA00037116629500000914
为等效背景风压。
另外的，为了设计塔线体系最好求取到等效静力风荷载计算悬垂绝缘子串的最大风偏角
Figure GDA00037116629500000915
具体的：
Figure GDA00037116629500000916
式中，
Figure GDA00037116629500000917
为脉动风荷载作用下B点的顺风向峰值位移
Figure GDA00037116629500000918
lAB为A、B两点间的绝缘子串长度；
Figure GDA00037116629500000919
Figure GDA00037116629500000920
为平均风荷载作用下B点的顺风向位移，
Figure GDA00037116629500000921
Figure GDA00037116629500000922
为平均风偏角；具体计算公式为：
Figure GDA00037116629500000923
Figure GDA00037116629500000924
Gv分别为目标点处悬垂绝缘子串的平均风荷载和竖向重力荷载；
Figure GDA00037116629500000925
Wv分别为目标点处导线传递给悬垂绝缘子串的平均风荷载和竖向荷载。
再进一步的技术方案为：塔线体系风荷载脉动折减系数εc的计算步骤为：
S41：构建常规输电塔塔线体系计算模型，并得到塔线体系计算模型图；
S42：根据常规输电塔，建立杆塔响应与杆塔风振系数的关系，得到塔高H 处建立杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值σut(H)与杆塔风振系数β(H)的关系式；
Figure GDA0003711662950000101
其中，ω0为基本风压；μz(H)为风压随常规单塔高度变化系数；μs(H)为杆塔随高度阻力系数；bs(H)随高度变化的迎风面宽度；gs为峰值因子；ω1为顺风向1阶模态的自振圆频率；m(H)为随高度变化的单位高度质量；当导线悬挂于杆塔顶部时，建立导线与导线风振系数的关系，得到导线荷载引起塔顶位移的均方根值σuc(H)的计算公式；
Figure GDA0003711662950000102
其中，Np为导线的相数；μsc为导线阻力系数；μz(Hc)为风压随导线高度变化系数Nc为分裂导线的个数；Dc为子导线/ 地线的计算外径；Lp为水平档距；H为塔高高度；Et为弹性模量。σut(z)与杆塔风振系数β(z)的关系为：
Figure GDA0003711662950000103
在塔高H处建立σut(H)与β(H)的关系：
Figure GDA0003711662950000104
S43：根据步骤S41得到的内容，采用SRSS的方法确定塔线体系下杆塔的峰值响应计算公式；
S44：基于步骤S43的塔线体系下杆塔的峰值响应计算公式，采用塔线分离方法，引入杆塔风荷载脉动折减系数，并得到所述杆塔的峰值响应计算公式的等价峰值响应计算公式：
Figure GDA0003711662950000105
Figure GDA0003711662950000106
表示杆塔荷载引起的峰值响应，
Figure GDA0003711662950000107
表示输电线荷载引起的峰值响应。
S45：以塔顶位移响应为目标，对步骤S44得到的所述杆塔的峰值响应计算公式的等价峰值响应计算公式进一步更新，得到带未知导线荷载引起塔顶位移的均方根值和未知杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值的脉动折减系数更新计算公式；
S46：将步骤S42中的计算得到的导线荷载引起塔顶位移的均方根值和杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值带入步骤S45得到脉动折减系数的更新计算公式中，得到脉动折减系数的最终计算公式，并计算杆塔风荷载脉动折减系数；
Figure GDA0003711662950000111
其中，
Figure GDA0003711662950000112
再进一步的技术方案，所述塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)和所述塔线体系输电线的修正风振系数β*的计算公式为：
Figure GDA0003711662950000113
再进一步的技术方案，在等效振动惯性力作用下计算塔线体系中常规输电塔的设计风荷载fESWL(z)与所述塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)的关系式为：
Figure GDA0003711662950000114
其中，ξ1＝ξe；
Figure GDA0003711662950000115
Figure GDA0003711662950000116
Figure GDA0003711662950000117
Figure GDA0003711662950000118
Sf(n)为归一化风速谱，
Figure GDA0003711662950000119
Iz(z)为z高度处的脉动风湍流密度；
Figure GDA00037116629500001110
I10为10m高度处的脉动风湍流密度；x′1为公式
Figure GDA00037116629500001111
中，n＝n1时的取值，n1为输电塔的1阶模态频率；u1和ηxz1是与风场湍流特性和空间相关性等有关的系数，分别称为综合影响系数和空间相关性折减系数。
再进一步的技术方案，基于塔线分离法计算输电线设计风荷载WX的计算公式为：
Figure GDA0003711662950000121
其中，β＝α'βc；式中，α′为取值小于1的风压不均匀系数；μsc为导线阻力系数；βc为风荷载调整系数，计算风偏角时取1；Dc为子导线/地线的计算外径；Lp为杆塔的水平档距；Bl为覆冰时风荷载的增大系数；ω0为基本风压；μz为风压随高度变化系数；Bl为覆冰时风荷载的增大系数；Nc为分裂导线的个数；θ为风向角。
本发明的有益效果：采用等效振动惯性力法，并对阻尼系数进行精细化计算以及考虑考虑塔线耦合效应产生的情况，对塔线体系中常规输电塔设计风荷载进行计算。通过塔线分离法，并且考虑了阻尼系数进行精细化计算以及考虑考虑塔线耦合效应产生的情况对塔线体系输电线设计风荷载进行计算，使最终设计出的塔线体系更为接近实际，设计精度高。
附图说明
图1是塔线体系计算模型图；
图2是导线和绝缘子串的振型图；
图3是塔线耦合简化计算模型图；
图4是常规输电塔计算图；
图5是悬垂绝缘子串风偏角计算模型示意图；
图6是本发明计算流程图；
图7是塔线体系中杆塔等效阻尼系数计算流程图；
图8是塔线体系常规输电塔的风振系数计算流程图；
图9是塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数计算流程图；
图10是塔线体系风荷载脉动折减系数计算流程图；
图11为风向角的定义图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
一种考虑塔线耦合影响的常规输电线路设计风载荷计算方法，结合图6可以看出，具体步骤为：S1：搭建常规输电塔的塔线体系，并获取塔线体系的常规输电塔、输电线、绝缘子串的物理参数；
结合图1可以看出为常规输电塔的塔线体系。在本实施例中，物理参数为： H＝90m，
Figure GDA0003711662950000131
As，ca＝0.372mm2，Mca＝5514.522kg，
Figure GDA0003711662950000132
μz(z)＝1，lin＝10m，L＝700m，Nc＝6，mc＝1.917kg/m，Dc＝0.032m，μsc＝1，T0＝70500.446N， min＝123.808kg/m，Din＝0.36m，α＝0.15，
Figure GDA0003711662950000133
以上参数中T0为导线的水平初张力。来流风向为90°，杆塔不考虑被风面的风荷载，横担的被风面风荷载与迎风面风荷载相同，不考虑遮挡效应。杆塔和导线的体形系数取1。
S2：基于塔线耦合影响因子，根据塔线体系中杆塔等效阻尼系数ζe；具体的，结合图7可以看出，步骤S2的具体步骤为：S21：根据步骤S1的常规输电塔的塔线体系，得到常规输电塔塔线体系计算模型图，详见图2。所述塔线体系计算模型中的杆塔为密实结构，塔身为正方形的变截面，由下至上尺寸变小，横担为等截面；所述塔线体系计算模型中的导线两端等高，与固定铰支座连接；所述塔线体系计算模型中常规输电塔的总高度为H，横担悬臂长度为lca，绝缘子长度为lin，导线跨度为L；导线挂点无高差。S22：设定输电线和绝缘子串振动的假设条件，得到的常规输电塔塔线体系中输电线和绝缘子串的振型图以及迎风面、被风面输电线和绝缘子串的广义质量、广义刚度和广义阻尼；并将常规输电塔塔线体系中输电线和绝缘子串组合形成索结构体系；迎风面、被风面导线的广义质量计算公式为：
Figure GDA0003711662950000141
所述迎风面、被风面导线的广义刚度计算公式为：
Figure GDA0003711662950000142
所述迎风面、被风面导线的广义阻尼计算公式为：
Figure GDA0003711662950000143
mc为单根导线单位线长的质量；单根导线振型
Figure GDA0003711662950000144
γg为导线的自重比载；σ0为导线的水平初应力；Γ为导线的线长，
Figure GDA0003711662950000145
ζc＝ζsc+ζac；ζsc为导线结构阻尼比；ζac为导线启动阻尼比；Nc为分裂导线的个数；Tw为平均风状态下单根导线的水平张力；ζc为导线阻尼比；
所述迎风面、被风面绝缘子串的广义质量计算公式为：
Figure GDA0003711662950000146
所述迎风面、被风面绝缘子串的广义刚度计算公式为：
Figure GDA0003711662950000147
所述迎风面、被风面绝缘子串的广义阻尼计算公式为：
Figure GDA0003711662950000148
其中，min为绝缘子串单位高度质量；Din为绝缘子串迎风外径；绝缘子串振型
Figure GDA0003711662950000149
H-lin≤z≤H；ζin为绝缘子串阻尼比；
Figure GDA00037116629500001410
lin为绝缘子长度；其中，索结构体系对应的广义质量、广义刚度和广义阻尼的计算公式为：
Figure GDA00037116629500001411
S23：将步骤S22得到的数据构建索结构体系结合杆塔结构组成塔线耦合简化计算模型，在本实施例中，该模型详见图3；S24：基于杆塔结构组成塔线耦合简化计算模型，求取常规输电塔塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量的均方值和单塔时杆塔顺风向位移共振分量的均方值；从而得到二者的比例式；所述塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量和所述单塔时杆塔顺风向位移共振分量的比例式为：
Figure GDA0003711662950000151
所述单塔时杆塔顺风向位移共振分量的均方值为：
Figure GDA0003711662950000152
所述塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量的均方值的计算公式为：
Figure GDA0003711662950000153
S25：基于步骤S24得到的计算公式，推导常规输电塔悬挂输电线后塔线等效阻尼系数的计算公式，并计算塔线体系中杆塔等效阻尼系数。
塔线体系中杆塔等效阻尼系数计算公式为：
Figure GDA0003711662950000154
对于输电塔线体系而言，索结构为柔性体系，卓越频率远小于杆塔的频率。因此，公式(1)可以忽略λn的高阶项。此外，杆塔的阻尼比约为0.01，索结构的阻尼比小于1，可以忽略
Figure GDA0003711662950000155
项。对于图3的计算模型，导线悬挂于杆塔的顶部，
Figure GDA0003711662950000156
此时，公式(1)可以简化为：
Figure GDA0003711662950000157
S3：结合图8可以看出，将步骤S2得到的塔线体系中杆塔等效阻尼系数δe来替换阻尼系数ζ1，求取塔线体系常规输电塔的风振系数β(z)；在本实施例中，结合图4可以看出，为常规输电塔计算图；具体步骤：S311：根据步骤S1中常规输电塔的物理参数，确定常规输电塔所在地面粗糙度类别，设定10m高度处的平均分速
Figure GDA0003711662950000161
常规输电塔的总高度H；跟开b1；横担个数nc；横担平均外伸长度
Figure GDA0003711662950000162
S312：构建常规输电塔的风荷载的计算模型，通过水平均布荷载作用下结构的挠曲线获得常规输电塔0°风向角的1阶侧弯振型φ1(z)；
Figure GDA0003711662950000163
z为实际高度值；
在本发明中，结合图10可以定义，当来流风平行于横担轴向时风向角θ＝0°，当来流风平行于导线走向时风向角θ＝90°。其中，x向表示横担轴向， y向表示顺线向。
风振系数随风向角的变化不大，并且风向角对塔身风振系数和横担风振系数的影响是相反的，对整塔而言该影响可以抵消。电力相关标准中仅考虑0o风向角下输电塔的风振系数。因此，可以忽略风向角对风振系数的影响，其它风向角下的等效静力风荷载通过DL/T 5154中的风荷载分配系数确定。
其中，电力相关标准包括：GB 50545-2010.110kV～750kV架空输电线路设计规范[S].北京:中国计划出版社,2010；GB 50665-2011.1000kV架空输电线路设计规范[S].北京:中国计划出版社,2011；DL/T 5154-2012.架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S].北京:中国计划出版社,2012；DL/T 5504-2015.特高压架空输电线路大跨越设计技术规定[S].北京:中国计划出版社,2015。
S313：根据荷载规范引入背景分量因子Bz(z)，进而计算输电塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρx和脉动风荷载在竖直方向的相关系数ρz；
S314：根据地面粗糙度类别获取背景分量因子的中间变量γ的拟合系数kγ和aγ；详见表1；根据常规输电塔的宽度、深度得到风振系数考虑整体外形变化的修正系数θv；取值详见表2；根据常规输电塔的横担平均外伸长度、总高度、横担个数得到风振系数考虑附加面积的修正系数θa与风振系数考虑附加质量的修正系数θm的乘积θl；取值详见表4。
表1 ky和ay的取值
地面粗糙度类别 A B C D
k<sub>y</sub> 1.276 0.910 0.404 0.155
a<sub>y</sub> 0.186 0.218 0.292 0.376
Figure GDA0003711662950000171
表2常规输电塔的宽度深度均沿高度作同一规律变化时θv的值
b<sub>s</sub>(H)/b<sub>s</sub>(0) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
θ<sub>v</sub> 1.00 1.10 1.20 1.32 1.50 1.75 2.08 2.53 3.30 5.60
根据常规输电塔的横担平均外伸长度、总高度、横担个数得到风振系数考虑附加面积的修正系数θa与风振系数考虑附加质量的修正系数θm的乘积θl；
Figure GDA0003711662950000172
Figure GDA0003711662950000173
表4常规输电塔的θl取值
Figure GDA0003711662950000174
S315：简化并得到剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的计算公式并计算得到对应的剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的θb(z)；计算得到横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θb(zI)和横隔面的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θb(zJ)；
其中，
Figure GDA0003711662950000181
S316：根据塔身的实际高度值z，结合步骤S315对应得到的风振系数考虑局部外形变化的修正系数计算公式计算所述背景分量因子Bz(z)，具体计算公式为：
Figure GDA0003711662950000182
其中，
Figure GDA0003711662950000183
θv是风振系数考虑整体外形变化的修正系数，取值详见表2；θη是风振系数考虑脉动风空间相关性的修正系数；θη是风振系数考虑脉动风空间相关性的修正系数，取值详见表3。
表3常规输电塔的θn取值
Figure GDA0003711662950000184
其中，
Figure GDA0003711662950000185
Figure GDA0003711662950000191
S317：计算风振系数β(z)；其中，风振系数表达式为：
Figure GDA0003711662950000192
在本实施例，计算塔线体系输电线的风振系数β计算公式为；
Figure GDA0003711662950000193
Figure GDA0003711662950000194
∑c表示对计算域内的元素进行求和；Γc为计算域内导线的线长；
Figure GDA0003711662950000195
为平均风荷载；
Figure GDA0003711662950000196
为等效背景风压。
本实施例中，结合图9可以看出，计算塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数β的步骤为：S321：根据步骤S1中常规输电塔塔线体系的输电线、绝缘子串的物理参数，以重力和平均风荷载作用下作为导线和悬垂绝缘子串计算的初始条件，通过LRC方法确定悬垂绝缘子串风偏角的计算模型；具体见图 5.S322：计算常规输电塔塔线体系中输电塔之间导线单位面积的等效静力风荷载；输电塔之间导线单位面积的等效静力风荷载pESWL的计算公式为：
Figure GDA0003711662950000197
式中，(:,i)表示矩阵的第i列元素；
Figure GDA0003711662950000198
为等效背景风压；
Figure GDA0003711662950000199
为平均风荷载；导线在风荷载作用下的振动方程矩阵表达式为：
Figure GDA00037116629500001910
式中，
Figure GDA00037116629500001911
Y′分别为脉动风荷载作用下导线节点顺风向的加速度、速度和位移；
Figure GDA0003711662950000201
为平均风荷载作用下导线节点顺风向的位移；M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K刚度矩阵；Ls为节点从属面积矩阵；导线在脉动风荷载作用下的振动方程矩阵表达式为：
Figure GDA0003711662950000202
323：计算悬垂绝缘子串的风振系数；
Figure GDA0003711662950000203
∑c表示对计算域内的元素进行求和；Γc为计算域内导线的线长；
Figure GDA0003711662950000204
为平均风荷载；
Figure GDA0003711662950000205
为等效背景风压。本实施例中，DL/T 5154的导/地线的水平风荷载标准值表达式为：
Figure GDA0003711662950000206
其中，β＝α'βc；
式中，α′为取值小于1的风压不均匀系数；μsc为阻力系数；βc为风荷载调整系数，计算风偏角时取1；Dc为子导线/地线的计算外径；Lp为杆塔的水平档距；Bl为覆冰时风荷载的增大系数。
α′βc和荷载规范中β的物理意义一致，考虑了脉动的风动力效应。通过考虑风压不均匀性的平均风荷载乘以βc，以此确定导/地线的等效静力风荷载。因此，α′βc＝β。根据物理意义，
Figure GDA0003711662950000207
采用LRC计算的β不是常数，为方便设计使用，根据pESWL的分布特性，采用平均化方式处理，计算一致β。pESWL在目标点位置凸出，在远离目标点位置逼近于
Figure GDA0003711662950000208
为非均匀分布。为此，设定计算域，将目标点的等效静力风荷载在计算域内进行平均化处理。当目标点与邻近杆塔导线挂点的高差为0时，选取目标点水平档距为其计算域。有高差时，目标点位置处的等效静力风荷载显得更加凸出，从而选取目标点左右1/4跨为其计算域。
S4：考虑塔线耦合效应，求取塔线体系风荷载脉动折减系数εc，结合图10 可以看出，具体为：S41：构建常规输电塔塔线体系计算模型，并得到塔线体系计算模型图详见图1；所述塔线体系计算模型中的杆塔为密实结构，塔身为正方形的变截面，由下至上尺寸变小，横担为等截面；所述塔线体系计算模型中的导线两端等高，与固定铰支座连接；所述塔线体系计算模型中的杆塔高度为H，横担悬臂长度为lca，绝缘子长度为lin，导线跨度为L。导线挂点无高差；
S42：根据常规输电塔，建立杆塔响应与杆塔风振系数的关系，得到塔高H 处建立杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值σut(H)与杆塔风振系数β(H)的关系式；当导线悬挂于杆塔顶部时，建立导线与导线风振系数的关系，得到导线荷载引起塔顶位移的均方根值σuc(H)的计算公式；
Figure GDA0003711662950000211
其中，ω0为基本风压；μz(H)为风压随常规单塔高度变化系数；μs(H)为杆塔随高度阻力系数；bs(H)随高度变化的迎风面宽度；gs为峰值因子；ω1为顺风向1阶模态的自振圆频率；m(H)为随高度变化的单位高度质量；所述导线荷载引起塔顶位移的均方根值σuc(H)的计算公式为：
Figure GDA0003711662950000212
其中，Np为导线的相数；μsc为导线阻力系数；μz(Hc)为风压随导线高度变化系数Nc为分裂导线的个数；Dc为子导线/地线的计算外径；Lp为水平档距；H 为塔高高度；Et为弹性模量。S43：根据步骤S41得到的内容，采用SRSS的方法确定塔线体系下杆塔的峰值响应计算公式；
Figure GDA0003711662950000213
其中，所述
Figure GDA0003711662950000214
为由杆塔平均风荷载引起的杆塔响应；
Figure GDA0003711662950000215
为由导线平均风荷载引起的杆塔响应；
Figure GDA0003711662950000216
为塔线体系平均风荷载引起的杆塔响应σr为塔线体系下杆塔响应的标准差；gs为峰值因子；σrt为由杆塔脉动风荷载引起的塔体均方根响应；σrc为由导线脉动风荷载引起的塔体均方根响应。S44：基于步骤S43的塔线体系下杆塔的峰值响应计算公式，采用塔线分离方法，引入杆塔风荷载脉动折减系数，并得到所述杆塔的峰值响应计算公式的等价峰值响应计算公式；
Figure GDA0003711662950000217
Figure GDA0003711662950000218
Figure GDA0003711662950000219
表示杆塔荷载引起的峰值响应，
Figure GDA00037116629500002110
表示输电线荷载引起的峰值响应。S45：以塔顶位移响应为目标，对步骤S44得到的所述杆塔的峰值响应计算公式的等价峰值响应计算公式进一步更新，得到带未知导线荷载引起塔顶位移的均方根值和未知杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值的脉动折减系数更新计算公式；
S46：将步骤S42中的计算得到的导线荷载引起塔顶位移的均方根值和杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值带入步骤S45得到脉动折减系数的更新计算公式中，得到脉动折减系数的最终计算公式，并计算杆塔风荷载脉动折减系数；计算杆塔风荷载脉动折减系数的公式为：
Figure GDA0003711662950000221
其中，
Figure GDA0003711662950000222
在本实施例中，所述塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)和所述塔线体系输电线的修正风振系数β*的计算公式为：
Figure GDA0003711662950000223
在等效振动惯性力作用下计算得到塔线体系中常规输电塔的设计风荷载 fESWL(z)与所述塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)的关系式存在：
Figure GDA0003711662950000224
其中，ξ1＝ξe；
Figure GDA0003711662950000225
Figure GDA0003711662950000226
Figure GDA0003711662950000227
Figure GDA0003711662950000231
Sf(n)为归一化风速谱，
Figure GDA0003711662950000232
Iz(z)为z高度处的脉动风湍流密度；
Figure GDA0003711662950000233
I10为10m高度处的脉动风湍流密度；x′1为公式
Figure GDA0003711662950000234
中，n＝n1时的取值，n1为输电塔的1阶模态频率；
u1和ηxz1是与风场湍流特性和空间相关性等有关的系数，分别称为综合影响系数和空间相关性折减系数。
在本实施例中，基于塔线分离法计算输电线设计风荷载WX的计算公式为：
Figure GDA0003711662950000235
其中，β＝α'βc；α′为取值小于1的风压不均匀系数；μsc为导线阻力系数；βc为风荷载调整系数，计算风偏角时取1；Dc为子导线/地线的计算外径；Lp为杆塔的水平档距；Bl为覆冰时风荷载的增大系数；ω0为基本风压；μz为风压随高度变化系数；Bl为覆冰时风荷载的增大系数；Nc为分裂导线的个数；θ为风向角。
综上可以基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷，对常规输电塔进行设计。
应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种考虑塔线耦合影响的常规输电线路设计风载荷计算方法，其特征在于：具体步骤为：
S1：搭建常规输电塔的塔线体系，并获取塔线体系的常规输电塔、输电线、绝缘子串的物理参数；
S2：基于塔线耦合影响因子，根据塔线体系中杆塔等效阻尼系数δe；
S3：将步骤S2得到的塔线体系中杆塔等效阻尼系数δe来替换阻尼系数ζ1，求取塔线体系常规输电塔的风振系数β(z)；
考虑线形与线长影响因子，计算塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数β；
其中，步骤S3求取塔线体系常规输电塔的风振系数β(z)的步骤为：
S311：根据步骤S1中常规输电塔的物理参数，确定常规输电塔所在地面粗糙度类别，设定10m高度处的平均分速
Figure FDA0003711662940000011
常规输电塔的总高度H；跟开b1；横担个数nc；横担平均外伸长度
Figure FDA0003711662940000012
S312：构建常规输电塔的风荷载的计算模型，通过水平均布荷载作用下结构的挠曲线获得常规输电塔0°风向角的1阶侧弯振型φ1(z)；
Figure FDA0003711662940000013
z为实际高度值
S313：根据荷载规范引入背景分量因子Bz(z)，进而计算输电塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρx和脉动风荷载在竖直方向的相关系数ρz；
根据荷载规范引入的共振分量因子R；确定地面粗糙度指数α；峰值因子gs；10m高度处的湍流度I10；
Figure FDA0003711662940000021
b为外轮廓宽度；共振分量因子R的计算公式为：
Figure FDA0003711662940000022
其中，ξ1＝δe；
Figure FDA0003711662940000023
n为脉动风速的频率；
S314：根据地面粗糙度类别获取背景分量因子的中间变量γ的拟合系数kγ和aγ；根据常规输电塔的宽度、深度得到风振系数考虑整体外形变化的修正系数θv；根据常规输电塔的横担平均外伸长度、总高度、横担个数得到风振系数考虑附加面积的修正系数θa与风振系数考虑附加质量的修正系数θm的乘积θl；
S315：简化并得到剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的计算公式并计算得到对应的剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的θb(z)；
计算得到横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θb(zI)和横隔面的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θb(zJ)；
其中，
Figure FDA0003711662940000024
S316：根据塔身的实际高度值z，结合步骤S315对应得到的风振系数考虑局部外形变化的修正系数计算公式计算所述背景分量因子Bz(z)，具体计算公式为：
Figure FDA0003711662940000025
其中，
Figure FDA0003711662940000026
θν是风振系数考虑整体外形变化的修正系数；θη是风振系数考虑脉动风空间相关性的修正系数；
其中，
Figure FDA0003711662940000031
Figure FDA0003711662940000032
S317：计算风振系数β(z)；
Figure FDA0003711662940000033
其中，gs为峰值因子；
S4：考虑塔线耦合效应，求取塔线体系风荷载脉动折减系数εc；
S5：根据步骤S4得到的塔线体系风荷载脉动折减系数，对步骤S3中的塔线体系常规输电塔的风振系数、风偏角的风振系数β进行修正计算，得到塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)和塔线体系输电线的修正风振系数β*；
S6：基于塔线分离法，在等效振动惯性力作用下计算塔线体系中常规输电塔的设计风荷载fESWL(z)和输电线的设计风荷载WX。
2.根据权利要求1所述的考虑塔线耦合影响的常规输电线路设计风载荷计算方法，其特征在于：步骤S2的具体步骤为：
S21：根据步骤S1的常规输电塔的塔线体系，得到常规输电塔塔线体系计算模型图；
所述塔线体系计算模型中的杆塔为密实结构，塔身为正方形的变截面，由下至上尺寸变小，横担为等截面；所述塔线体系计算模型中的导线两端等高，与固定铰支座连接；所述塔线体系计算模型中常规输电塔的总高度为H，横担悬臂长度为lca，绝缘子长度为lin，导线跨度为L；导线挂点无高差；
S22：设定输电线和绝缘子串振动的假设条件，得到的常规输电塔塔线体系中输电线和绝缘子串的振型图以及迎风面、被风面输电线和绝缘子串的广义质量、广义刚度和广义阻尼；并将常规输电塔塔线体系中输电线和绝缘子串组合形成索结构体系；
所述迎风面、被风面导线的广义质量计算公式为：
Figure FDA0003711662940000041
所述迎风面、被风面导线的广义刚度计算公式为：
Figure FDA0003711662940000042
所述迎风面、被风面导线的广义阻尼计算公式为：
Figure FDA0003711662940000043
mc为单根导线单位线长的质量；单根导线振型
Figure FDA0003711662940000044
γg为导线的自重比载；σ0为导线的水平初应力；Γ为导线的线长，
Figure FDA0003711662940000045
ζsc为导线结构阻尼比；ζac为导线启动阻尼比；Nc为分裂导线的个数；Tw为平均风状态下单根导线的水平张力；ζc为导线阻尼比；
所述迎风面、被风面绝缘子串的广义质量计算公式为：
Figure FDA0003711662940000046
所述迎风面、被风面绝缘子串的广义刚度计算公式为：
Figure FDA0003711662940000047
所述迎风面、被风面绝缘子串的广义阻尼计算公式为：
Figure FDA0003711662940000048
其中，min为绝缘子串单位高度质量；Din为绝缘子串迎风外径；绝缘子串振型
Figure FDA0003711662940000051
H-lin≤z≤H；ζin为绝缘子串阻尼比；
Figure FDA0003711662940000052
lin为绝缘子长度；其中，索结构体系对应的广义质量、广义刚度和广义阻尼的计算公式为：
Figure FDA0003711662940000053
S23：将步骤S22得到的数据构建索结构体系结合杆塔结构组成塔线耦合简化计算模型；
S24：基于杆塔结构组成塔线耦合简化计算模型，求取常规输电塔塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量的均方值和单塔时杆塔顺风向位移共振分量的均方值；从而得到二者的比例式；
S25：基于步骤S24得到的计算公式，推导常规输电塔悬挂输电线后塔线等效阻尼系数的计算公式，并计算塔线体系中杆塔等效阻尼系数。
3.根据权利要求2所述的考虑塔线耦合影响的常规输电线路设计风载荷计算方法，其特征在于：步骤S24中所述塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量的均方值的计算公式为：
Figure FDA0003711662940000054
Figure FDA0003711662940000055
其中，
Figure FDA0003711662940000056
Figure FDA0003711662940000057
λn＝nci/nt；
Figure FDA0003711662940000061
Figure FDA0003711662940000062
Figure FDA0003711662940000063
Figure FDA0003711662940000064
杆塔1阶模态的振型φi(z)＝(z/H)2，0≤z≤H；
Figure FDA00037116629400000611
为杆塔的广义质量，
Figure FDA0003711662940000065
Mca为横担的质量，mt(z)为随高度变化的杆塔单位高度质量；
coh(z1,z2)为z1和z2高度处两点的脉动风速的相干函数；
Sf(nt)为归一化风速谱，nt为杆塔脉动风速的频率；
Figure FDA0003711662940000066
σv′为脉动风速的标准差；
Figure FDA00037116629400000612
为索结构与杆塔的广义质量比值，
Figure FDA0003711662940000067
λn为索结构与杆塔的频率比值；λn＝nci/nt；
ζt为总阻尼比；
Figure FDA0003711662940000068
ζst为杆塔结构阻尼比；ωt为杆塔无阻尼振动的圆频率；ζci为索结构总阻尼比，近视取导线阻尼比，ζci≈ζc，ζc＝ζsc+ζac；
ρa为空气密度，μs(z)为风压随高度变化系数；bs(z)为随高度变化的迎风面宽度；
Figure FDA0003711662940000069
随高度变化的平均风速，σv′为脉动风速的标准差；
ζat为杆塔气动阻尼比；
Figure FDA00037116629400000610
As，ca为横担的挡风面积；
所述单塔时杆塔顺风向位移共振分量的均方值为：
Figure FDA0003711662940000071
其中，
Figure FDA0003711662940000072
所述塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量和所述单塔时杆塔顺风向位移共振分量的比例式为：
Figure FDA0003711662940000073
步骤S25中推导常规输电塔悬挂导线后塔线等效阻尼系数的计算公式的步骤为：
悬挂导线后杆塔的等效阻尼比为：
Figure FDA0003711662940000074
其中，ρ与ζe的关系为：
Figure FDA0003711662940000075
对于输电塔线体系而言，索结构为柔性体系，卓越频率远小于杆塔的频率；则忽略λn的高阶项；杆塔的阻尼比约为0.01，索结构的阻尼比小于1，则忽略
Figure FDA0003711662940000076
项；
导线悬挂于杆塔的顶部，
Figure FDA0003711662940000077
故悬挂导线后塔线等效阻尼系数的计算公式为：
Figure FDA0003711662940000078
4.根据权利要求1或3所述的考虑塔线耦合影响的常规输电线路设计风载荷计算方法，其特征在于：塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数β的步骤为：
S321：根据步骤S1中常规输电塔塔线体系的输电线、绝缘子串的物理参数，以重力和平均风荷载作用下作为导线和悬垂绝缘子串计算的初始条件，通过LRC方法确定悬垂绝缘子串风偏角的计算模型；
S322：计算常规输电塔塔线体系中输电塔之间导线单位面积的等效静力风荷载；
所述输电塔之间导线单位面积的等效静力风荷载pESWL的计算公式为：
Figure FDA0003711662940000081
式中，(:,i)表示矩阵的第i列元素；
Figure FDA00037116629400000810
为等效背景风压；
Figure FDA0003711662940000082
为平均风荷载；
导线在风荷载作用下的振动方程矩阵表达式为：
Figure FDA0003711662940000083
式中，
Figure FDA0003711662940000084
分别为脉动风荷载作用下导线节点顺风向的加速度、速度和位移；
Figure FDA0003711662940000085
为平均风荷载作用下导线节点顺风向的位移；
M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K刚度矩阵；Ls为节点从属面积矩阵；
导线在脉动风荷载作用下的振动方程矩阵表达式为：
Figure FDA0003711662940000086
S323：计算悬垂绝缘子串的风振系数；
Figure FDA0003711662940000087
Figure FDA0003711662940000088
Figure FDA0003711662940000089
∑c表示对计算域内的元素进行求和；Γc为计算域内导线的线长。
5.根据权利要求1所述的考虑塔线耦合影响的常规输电线路设计风载荷计算方法，其特征在于：塔线体系风荷载脉动折减系数εc的计算步骤为：
S41：构建常规输电塔塔线体系计算模型，并得到塔线体系计算模型图；
S42：根据常规输电塔，建立杆塔响应与杆塔风振系数的关系，得到塔高H处建立杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值σut(H)与杆塔风振系数β(H)的关系式；
当导线悬挂于杆塔顶部时，建立导线与导线风振系数的关系，得到导线荷载引起塔顶位移的均方根值σuc(H)的计算公式；
S43：根据步骤S41得到的内容，采用SRSS的方法确定塔线体系下杆塔的峰值响应计算公式；
S44：基于步骤S43的塔线体系下杆塔的峰值响应计算公式，采用塔线分离方法，引入杆塔风荷载脉动折减系数，并得到所述杆塔的峰值响应计算公式的等价峰值响应计算公式；
S45：以塔顶位移响应为目标，对步骤S44得到的所述杆塔的峰值响应计算公式的等价峰值响应计算公式进一步更新，得到带未知导线荷载引起塔顶位移的均方根值和未知杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值的脉动折减系数更新计算公式；
S46：将步骤S42中的计算得到的导线荷载引起塔顶位移的均方根值和杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值带入步骤S45得到脉动折减系数的更新计算公式中，得到脉动折减系数的最终计算公式，并计算杆塔风荷载脉动折减系数；
Figure FDA0003711662940000091
其中，
Figure FDA0003711662940000101
6.根据权利要求1所述的考虑塔线耦合影响的常规输电线路设计风载荷计算方法，其特征在于：
所述塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)和所述塔线体系输电线的修正风振系数β*的计算公式为：
Figure FDA0003711662940000102
7.根据权利要求1所述的考虑塔线耦合影响的常规输电线路设计风载荷计算方法，其特征在于：在等效振动惯性力作用下计算得到塔线体系中常规输电塔的设计风荷载fESWL(z)与所述塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)的关系式存在：
所述常规输电塔的塔线体系中常规输电塔设计风荷载fESWL(z)与所述塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)的关系式为：
Figure FDA0003711662940000103
其中，ξ1＝ξe；
Figure FDA0003711662940000104
Figure FDA0003711662940000105
Figure FDA0003711662940000106
bs(z)＝bs(0)μb，(z)；
Figure FDA0003711662940000111
m(z)＝m(0)μm(z)；
Figure FDA0003711662940000112
Sf(n)为归一化风速谱，
Figure FDA0003711662940000113
Iz(z)为z高度处的脉动风湍流密度；
Figure FDA0003711662940000114
I10为10m高度处的脉动风湍流密度；x′1为公式
Figure FDA0003711662940000115
中，n＝n1时的取值，n1为输电塔的1阶模态频率；
u1和ηxz1是与风场湍流特性和空间相关性有关的系数，分别称为综合影响系数和空间相关性折减系数。
8.根据权利要求1所述的考虑塔线耦合影响的常规输电线路设计风载荷计算方法，其特征在于：基于塔线分离法计算输电线设计风荷载WX的计算公式为：
Figure FDA0003711662940000116
其中，β＝α′βc；α′为取值小于1的风压不均匀系数；μsc为导线阻力系数；βc为风荷载调整系数，计算风偏角时取1；Dc为子导线/地线的计算外径；Lp为杆塔的水平档距；ω0为基本风压；μz为风压随高度变化系数；Bl为覆冰时风荷载的增大系数；Nc为分裂导线的个数；θ为风向角。
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