CN111651808B - 考虑梯度风和混凝土质量影响的超高输电塔风振系数简化计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑梯度风和混凝土质量影响的超高输电塔风振系数简化计算方法，通过将输电塔分为剩余塔身、横隔面和横担3部分，通过分别考虑3部分的影响来逐步完善输电塔设计风振系数的计算模型。通过对复杂的多重积分函数进行非线性拟合和建立剩余塔身、横担和横隔面之间的空间分布关系的简化模型，达到简化计算目的。考虑超高输电塔梯度风高度因素和钢管中混凝土作为附加质量因素，获取修正系数θ_b、θ_l和θ_η，推导了带悬挑横担的输电塔的风振系数设计公式。计算步骤简单且最终设计效果好。

Description

考虑梯度风和混凝土质量影响的超高输电塔风振系数简化计 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梯度风和混凝土质量影响的超高输电塔风振系数简化计算方法。

背景技术

超高输电塔是与常规输电塔相比较，其塔高超出梯度风高度的输电塔。

动力时程分析可以获得结构的风振响应，但是采用杆塔设计规范计算的风振系数简明、方便、省时，现阶段该方法仍被设计人员广泛采用。通过规范计算的风振系数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。采用准确的风振系数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.等推荐了塔高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。在现有技术中，输电塔采用钢管混凝土和塔高超过规范对梯度风高度的限制也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。因此，对于采用钢管混凝土和塔高超过规范对梯度风高度的限制的超高输电塔提出简洁、准确的输电塔风振系数计算公式是具有挑战的。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种考虑梯度风和混凝土质量影响的超高输电塔风振系数简化计算方法，考虑梯度风和混凝土质量影响因素，提出简洁、准确的输电塔风振系数计算公式。

为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种考虑梯度风和混凝土质量影响的超高输电塔风振系数简化计算方法，其特征在于具体步骤为：

S1：确定超高输电塔的计算参数，并确定超高输电塔所在地面粗糙度类别，设定10m高度处的平均分速

超高输电塔的总高度H；跟开b₁；横担个数n_c；横担平均外伸长度

S2：通过水平均布荷载作用下结构的挠曲线获得步骤S1中的超高输电塔0°风向角的1阶侧弯振型φ₁(z)；

S3：根据荷载规范引入背景分量因子B_z(z)，进而计算超高输电塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρ_x；

比较超高输电塔塔高和梯度风高度，计算脉动风荷载在竖直方向的相关系数ρ_z；

根据荷载规范引入并计算共振分量因子R；

确定地面粗糙度指数α；峰值因子g_s；10m高度处的湍流度I₁₀；

S4：根据步骤S1中超高输电塔所在地面粗糙度类别，获取背景分量因子的中间变量γ的拟合系数k_γ、a_γ、l_γ、m_γ和b_γ；

考虑超高输电塔梯度风影响因素，求取风振系数考虑整体外形变化的修正系数θ_v；

考虑超高输电塔梯度风高度因素和钢管中混凝土作为附加质量因素，求取修正系数θ_l，该修正系数θ_l为风振系数考虑附加面积的修正系数θ_a和风振系数考虑附加质量的修正系数θ_m的乘积；

S5：考虑钢管中混凝土作为附加质量因素，求取在剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的θ_b(z)、横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θ_b(z_I)和横隔面的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θ_b(z_J)；

S6：根据步骤S5获取的修正系数对应求取在z高度处的背景分量因子B_z(z)；

S7：根据z高度处的背景分量因子B_z(z)，结合超高输电塔的设计风振系数计算公式求取对应的风振系数。

进一步的技术方案，在步骤S2中，超高输电塔0°风向角的1阶侧弯振型φ₁(z)的计算公式为：

其中，H为超高输电塔的总高度；z为当前所在高度值。

再进一步的技术方案，在步骤S3中，超高输电塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρ_x计算公式为：

b为外轮廓宽度；

超高输电塔塔高的脉动风荷载在竖直方向的相关系数ρ_z的计算公式为：

H_g为梯度风高度；

共振分量因子R的计算公式为：

其中，

n为脉动风速的频率。

再进一步的技术方案，步骤S5中剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的θ_b(z)的计算公式为：

横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θ_b(z_I)的计算公式为：

横隔面的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θ_b(z_J)的计算公式为：

再进一步的技术方案，步骤S6中，背景分量因子B_z(z)的计算公式为：

μ_zg为梯度风高度处的风压高度变化系数。

再进一步的技术方案，超高输电塔的各部位设计风振系数计算公式为：

g_s为峰值因子，其根据荷载规范取值。

本发明的有益效果：通过将输电塔分为剩余塔身、横隔面和横担3部分，通过分别考虑3部分的影响来逐步完善输电塔设计风振系数的计算模型。通过对复杂的多重积分函数进行非线性拟合和建立剩余塔身、横担和横隔面之间的空间分布关系的简化模型，达到简化计算目的。考虑超高输电塔梯度风高度因素和钢管中混凝土作为附加质量因素，获取修正系数θ_b、θ_l和θ_η，推导了带悬挑横担的输电塔的风振系数设计公式。计算步骤简单且最终设计效果好。

附图说明

图1是本发明超高输电塔计算示意图；

图2是超高输电塔在不同粗糙度类别下γ(H)的拟合值和数值解对比示意图；

图3是超高输电塔

和μ_m沿高度的分布示意图

图4是超高塔的横隔面、横担和混凝土的

μ_M、μ_m'分布示意图

图5是基于惯性力法的超高输电塔的风振系数分布示意图；

图6是超高输电塔的ANSYS有限元模型示意图；

图7是超高塔的时域位移最大值与基于惯性力法计算的位移最大值对比示意图；

图8是基于惯性力法的超高输电塔的风振系数与最大位移示意图；

图9是本发明风振系数计算流程图；

图10为风向角定义图。

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。

从图1可以看出，为超高输电塔计算示意图，其中，b₁为跟开；b₂为横担单肢的外伸长度；H为总高；H_n为呼高；H_g为梯度风高度；H'为混凝土灌溉高度；△H₁为横担近塔端厚度；△H₂为相邻横担的中心距；M₁(x₁,z₁)和M₂(x₂,z₂)为空间任意两点。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。

在计算单塔的等效静力风载荷的一般表达式时存在：

计算输电塔的风振响应时，可以仅考虑1阶模态参振。在来流风荷载作用下，输电塔顺风向1阶模态的振动方程表达式为：

式中，q₁(t)为1阶振型的时变模态坐标；

为1阶振型的广义质量，

φ₁(z)为z高度处的1阶模态振型系数；

为1阶振型的广义模态阻尼系数，

ζ₁为1阶振型的阻尼比；

为1阶振型的广义刚度，

为1阶振型的时变广义风荷载，

f(z,t)为顺风向z高度处的单位高度的时变风阻力，

为顺风向z高度处的单位高度的平均风阻力，f′(z,t)为顺风向z高度处的单位高度的瞬时脉动风阻力。

在准定常假定下，

和f′(z,t)的表达式为：

式中，b(z)为z高度处的外轮廓宽度；v'(x,z,t)为(x,z)位置的瞬时脉动风速；δ(z)为z高度处的密实度；b_s(z)为单位高度挡风面积，＝b(z)δ(z)。

由平均风荷载引起的输电塔响应可以采用静力方程求解，由脉动风荷载作用引起的输电塔响应可以基于随机振动理论在频域下进行求解。由维纳-辛钦关系，M₁和M₂两点的1阶模态的广义脉动风荷载功率谱表达式为：

式中，上横线表示对时间求平均；上标“'”表示从总量中扣除平均分量后的脉动分量；n为脉动风速的频率；coh(x₁,z₁,x₂,z₂,n)为M₁和M₂两点的脉动风速的相干函数；S_v'(x,z,n)为脉动风速功率谱。

为了与现有荷载规范体系保持一致，采用Davenport提出的风速谱，该风速谱与空间位置无关，具体表达式为：

式中，k为地面粗糙度系数，

是脉动风速的方差，

是10m高度的平均风速；ω₁₀是10m高度的平均风压。

同样地，采用荷载规范推荐由Shiotani提出的与频率无关的相干函数，具体表达式为：

coh(x₁,z₁,x₂,z₂)＝coh_x(x₁,x₂)coh_z(z₁,z₂), (1.8)

将Davenport提出的风速谱和Shiotani提出的相干函数代入公式(1.4)，得到：

通过频响函数，得到q₁(t)的功率谱表达式：

式中，H₁(in)为输电塔1阶模态的频响函数。q₁(t)的标准差表达式为：

由1阶模态确定的动力峰值位移表达式为：

式中，峰值因子根据荷载规范取值，g_s＝2.5(对应的保证率：99.38％)。

除了输电塔的风振位移响应外，其内力响应也是抗风设计人员关心的。通过输电塔的位移确定它的内力是复杂的，但是通过外力计算内力却是简单的。在等效风振力(振型惯性力)作用下，输电塔的风振位移与公式(1.15)确定的位移数值相同。输电塔1阶模态的等效风振力表达式为：

这样，风振系数的表达式写为：

式中，S_f(n)为归一化风速谱，

I_z(z)为z高度处的脉动风湍流密度，

I₁₀为10m高度处的脉动风湍流密度；x'₁为公式(1.6)中n＝n₁时的取值，n₁为输电塔的1阶模态频率。

ξ₁是S_v'(x,z)通过频响后确定的，称为风振动力系数。u₁和η_xz1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。r₁(z)是与位置计算点有关的系数，称为位置影响系数。

按照荷载规范的规定，对于高耸结构，其1阶模态的振型为弯曲振型。通过水平均布荷载作用下结构的挠曲线获得高耸结构1阶模态的振型，该振型表达式为：

当塔高超过梯度风高度时，脉动风荷载在水平方向的相关系数ρ_x

与常规单塔计算公式相同，为：

超高输电塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρ_x计算公式为：

b为外轮廓宽度。

对于不变外形但是考虑梯度风影响的超高输电塔的风振系数，其设计公式的具体步骤为：

当塔高超过梯度风高度时，γ(H)的表达式为：

由于φ₁(z)是和高度H有关的函数，因此γ(H)也是与H有关的函数。同样采用非线性最小二乘法对γ(H)进行拟合，拟合表达式为：

式中，l_γ、m_γ和b_γ是与有关的系数，它们的取值如表2所示。

当塔高超过梯度风高度时，并且塔高H确定时，B_z(z)的表达式为：

其中，背景分量因子的中间变量γ的拟合系数k_γ、a_γ见表1；

表1 k_γ和a_γ的取值

地面粗糙度类别	A	B	C	D
					k<sub>γ</sub>	1.276	0.910	0.404	0.155
a<sub>γ</sub>	0.186	0.218	0.292	0.376

表2 l_γ、m_γ和b_γ的取值

地面粗糙度类别	A	B	C	D
					l<sub>γ</sub>	3.208	2.818	2.030	1.360
m<sub>γ</sub>	-3.346	-2.909	-2.067	-1.374
					b<sub>γ</sub>	229.182	253.879	299.306	341.215

不同粗糙度类别下，对比分别采用拟合公式(1.23)和数值计算求解γ(H)的结果，对比如图2所示，对比结果表明两者的吻合度好。

对于锥形变化的但是考虑梯度风影响的超高输电塔的风振系数设计公式时：

对于超高输电塔，尽管剩余塔身近似按锥形变化，但是由于下部结构采用钢管混凝土材料，上部结构采用钢材，导致b_s(z)和m(z)的分布有别于常规输电塔的分布。经分析，超高输电塔剩余塔身的b_s(z)沿高度的变化系数表示为：

计算超高输电塔剩余塔身的m(z)时不考虑钢管中混凝土的质量；由于横隔面和钢管混凝土的影响，m(z)在呼高以上和呼高以下的分布不同。经分析，m(z)沿高度的变化系数表示为：

图1中超高输电塔剩余塔身的

和μ_m(z)的实际分布与采用公式(1.25)和(1.26)确定的简化分布的对比如图3所示。

的实际值在塔身下部大体要比简化分布确定的取值小，在塔身上部大体要比简化分布确定的取值大，规律与常规输电塔的相反。μ_m(z)的实际值与简化分布确定的取值的吻合度相对较好。和前面分析的一样，分别用

和μ_m(z)的实际分布和简化分布计算的β(z)差别不大，可采用简化分布进行近似计算，该结论在计算中得到了证明。

同样地，当输电塔的b(z)沿高度不发生剧烈变化，η_xza1/η_xz1≈1。考虑梯度风高度的影响但不考虑混凝土质量影响，θ_v的表达式为：

取e＝10作为制表的依据，列出的θ_v表，见表3所示：

表3超高输电塔的宽度深度均沿高度作同一规律变化时θ_v的值

由

和μ_m(z)的简化分布确定的θ_b(z)如下：

同样地，锥形变化的超高单塔的背景分量因子在公式(1.24)上增加修正系数θ_γ和θ_b(z)，表达式为：

公式(1.30)的ρ_x采用公式

计算，计算时b取b₁，并且b₁＝b(0)。将公式(1.30)计算的B_z(z)代入公式

即可得到本章推导的锥形变化的超高输电塔的风振系数表达式。

考虑梯度风和混凝土质量影响的超高输电塔风振系数设计公式时，

对于带悬挑横担的超高输电塔而言，由于塔身过高，需要更大尺寸的跟开。这样，横担两端的长度比输电塔的跟开小，由横担引起输电塔的外形变化要比带悬挑横担的常规输电塔的影响小，如图1所示。此时，主要受横担影响的修正系数θ_η可以忽略不计，即θ_η≈1。

同样地，超高输电塔的横隔面在呼高以上和呼高以下按两种方式布置。呼高以上，横担近塔端的上下边缘各有1个横隔面。呼高以下，塔身坡度变化断面有1横隔面，假定该横隔面与上端相邻横隔面的间距为

最底端横隔面距离地面高度为b₁/2。在呼高以下的两端横隔面之间有n_d个横隔面，

每个横隔面距离相同，等于(H'-b₁/2)/n_d。

根据超高输电塔确定图1中各计算参数之间的关系，

H＝5.482b₁。钢管混凝土除了能增加强度和延性外，更重要的是减小风振位移，由于没有现行规范参考，假定混凝土浇筑到塔身的坡度变化位置，根据超高输电塔确定H＝1.264H'。其中

通过规定H'≥200限制n_c的个数。

修正系数θ_l为风振系数考虑附加面积的修正系数θ_a和风振系数考虑附加质量的修正系数θ_m的乘积。其中，带悬挑横担的超高输电塔在计算θ_a时要考虑梯度风高度的影响，计算θ_m时要考虑钢管中混凝土作为附加质量的影响，计算表达式如下：

式中，n_g为梯度风高度以下的累加个数；m'(z)为z高度处钢管中混凝土的单位高度质量，z<H'。对带悬挑横担的超高输电塔进行分析，其横担、横隔面的质量分布和挡风面积分布满足关系：

钢管中混凝土的质量为连续分布，由超高输电塔确定的关系：

横担挡风面积沿高度的变化系数：

横隔面挡风面积沿高度的变化系数：

横担质量沿高度的变化系数：

横隔面质量沿高度的变化系数：

钢管中混凝土单位高度的质量沿高度的变化系数：

横隔面和横担的

μ_M以及钢管中混凝土的μ_m'的实际分布与上述5个公式确定简化分布的对比如图4所示。同样地，在一定范围内采用简化分布计算θ_l时引起的误差可以忽略，可采用简化分布进行近似计算，该结论在计算中得到了证明。

将A_s(z_I)、A_s(z_J)、M(z_I)、M(z_J)、m'(z)代入公式计算θ_l，θ_l的取值见表4。表中横担个数的变化对θ_l的影响很小。同样地，表中变化范围的数字为b_s(H)/b_s(0)＝0.3至b_s(H)/b_s(0)＝0.6，b_s(H)/b_s(0)＝0.4可取该数字范围内约1/3处，b_s(H)/b_s(0)＝0.5可取该数字范围内约2/3处，其它比值按线性插值确定。

表4超高输电塔的θ_l取值

剩余塔身(考虑钢管中的混凝土)的θ_b(z)、横担的θ_b(z_I)和横隔面的θ_b(z_J)根据下面公式确定：

同样地，计算带悬挑横担的超高输电塔的设计风振系数时，背景分量因子在公式(1.30)上增加修正系数θ_l。同时，将剩余塔身、横隔面和横担的背景分量因子合并书写，三者z高度处的B_z(z)可按下式计算。横隔面和横担离散分布，可按分段计算，每段的计算高度取几何中心高度。分别按公式(1.31)、(1.32)、(1.33)对应计算外形引起的局部修正系数θ_b(z)。

将上式的B_z(z)代入公式

即可得到带悬挑横担的超高输电塔的设计风振系数。

故，结合图9可以看出，一种考虑梯度风和混凝土质量影响的超高输电塔风振系数简化计算方法，具体步骤为：

S1：确定超高输电塔的计算参数，并确定超高输电塔所在地面粗糙度类别，设定10m高度处的平均分速

超高输电塔的总高度H；跟开b₁；横担个数n_c；横担平均外伸长度

S2：通过水平均布荷载作用下结构的挠曲线获得步骤S1中的超高输电塔0°风向角的1阶侧弯振型φ₁(z)；

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0°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。

S3：根据荷载规范引入背景分量因子B_z(z)，进而计算超高输电塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρ_x；

比较超高输电塔塔高和梯度风高度，计算脉动风荷载在竖直方向的相关系数ρ_z；

根据荷载规范引入并计算共振分量因子R；

确定地面粗糙度指数α；峰值因子g_s；10m高度处的湍流度I₁₀；

S4：根据步骤S1中超高输电塔所在地面粗糙度类别，获取背景分量因子的中间变量γ的拟合系数k_γ、a_γ、l_γ、m_γ和b_γ；

考虑超高输电塔梯度风影响因素，求取风振系数考虑整体外形变化的修正系数θ_v；

考虑超高输电塔梯度风高度因素和钢管中混凝土作为附加质量因素，求取修正系数θ_l，该修正系数θ_l为风振系数考虑附加面积的修正系数θ_a和风振系数考虑附加质量的修正系数θ_m的乘积；

S5：考虑钢管中混凝土作为附加质量因素，求取在剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的θ_b(z)、横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θ_b(z_I)和横隔面的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θ_b(z_J)；

S6：根据步骤S5获取的修正系数对应求取在z高度处的背景分量因子B_z(z)；

S7：根据z高度处的背景分量因子Bz(z)，结合超高输电塔的设计风振系数计算公式求取对应的风振系数。

在本实施例中，计算图1中输电塔的风振系数。B类地貌，设计风速40m/s。整塔阻力系数由刚性模型的测力试验确定，考虑了遮挡效应，取1.879。通过ANSYS确定基频为0.427Hz，通过公式

计算x₁＝12.811。按试验数据取ζ₁＝2.05％，通过公式

计算R＝2.151。查表1取值k_γ＝0.91、α_γ＝0.218，查表2取值l_γ＝2.818、m_γ＝-2.909、b_γ＝253.879，塔高H＝455m大于梯度风高度H_g＝350m，通过公式

计算γ(H)＝2.218。跟开b₁＝83m，通过公式

计算ρ_x＝0.786，通过公式

计算ρ_z＝0.487。塔底主材外径2.5m，塔底斜材外径1.067m，由两个主材和两个斜材构成的总迎风外径7.134m。塔顶主材外径0.711m，塔顶斜材外径0.426m，由两个主材和两个斜材构成的总迎风外径2.274m。由主材与斜材确定的b_s(H)/b_s(0)＝0.319，查表3确定θ_v＝1.907。横担个数n_c＝3，横担平均外伸长度24.7m，

查表4确定θ_l＝0.374。分别按公式(1.31)、(1.32)、(1.33)计算θ_b(z)。然后将以上参数代入公式(1.34)计算B_z(z)，再代入公式

计算风振系数。β(z)的分布如图5所示，塔身和横隔面的风振系数随高度增大，先增大后减小。横担的风振系数随高度的增大而增大。塔身风振系数在混凝土浇筑顶端附近急剧减小。呼高以下的下部结构，横隔面风振系数小于同高度剩余塔身风振系数。呼高以上的上部结构，横隔面风振系数大于同高度剩余塔身风振系数。横担的风振系数小于同高度剩余塔身和横隔面的风振系数。

采用ANSYS有限元软件对图1的带悬挑横担的超高输电塔建模，有限元模型如图6所示：

对建立好的输电塔有限元模型进行模拟风场下的风振时域计算，来流风为0°风向角。获取输电塔不同高度处节点的顺风向最大位移，并与本章推导的设计风荷载作用下输电塔的节点位移进行比较，如图7所示。图7(a)中，输电塔的风振位移由下到上非线性增大，时域和设计风荷载的计算结果吻合度好。图7(b)中，以时域结果作为准确值，由设计风荷载计算风振位移的误差大致为由下到上逐渐增大，底部误差的绝对值最大。如前面分析，对于带悬挑横担的超高输电塔，由本发明推导的风振系数来求取的的风荷载计算的结果能够满足工程需要。此外，对比图7(a)的塔顶位移设计值和考虑梯度风高度影响的0°风向角下塔顶试验位移最大值，两者误差的绝对值不超过5％，吻合度好。

为分析横隔面、横担、钢管混凝土的影响，设置了4种工况。对4种工况下1的带悬挑横担的超高输电塔进行计算分析。工况1为只考虑剩余塔身；工况2在工况1的基础上增加下部结构主材钢管中的混凝土；工况3在工况2的基础上增加横隔面；工况4在工况3的基础上增加横担。4种工况的输电塔风振系数和风振最大位移如图8所示。图8(a)中，考虑钢管中的混凝土后输电塔下部结构的风振系数显著增大，而上部结构的风振系数显著减小；增加横隔面后对风振系数的影响小；增加横担后剩余塔身和横隔面的风振系数均显著减小。图8(b)中，考虑钢管中的混凝土后输电塔的风振位移显著减小；增加横隔面后输电塔的风振位移下部变小上部变大；增加横担后输电塔的风振位移变大。超高输电塔和常规输电塔对比，超高输电塔在塔身下部布置的横隔面更密集，能够有效地控制塔身下部的风振剪切变形，钢管中加入混凝土后显著增大输电塔刚度，这对于输电塔的抗风设计而言是有利的。

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 (3)

1.一种考虑梯度风和混凝土质量影响的超高输电塔风振系数简化计算方法，其特征在于具体步骤为：

S1：确定超高输电塔的计算参数，并确定超高输电塔所在地面粗糙度类别，设定10m高度处的平均分速

超高输电塔的总高度H；跟开b₁；横担个数n_c；横担平均外伸长度

S2：通过水平均布荷载作用下结构的挠曲线获得步骤S1中的超高输电塔0°风向角的1阶侧弯振型φ₁(z)；

S3：根据荷载规范引入背景分量因子B_z(z)，进而计算超高输电塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρ_x；

比较超高输电塔塔高和梯度风高度，计算脉动风荷载在竖直方向的相关系数ρ_z；

根据荷载规范引入并计算共振分量因子R；

确定地面粗糙度指数α；峰值因子g_s；10m高度处的湍流度I₁₀；

S4：根据步骤S1中超高输电塔所在地面粗糙度类别，获取背景分量因子的中间变量γ的拟合系数k_γ、a_γ、l_γ、m_γ和b_γ；

考虑超高输电塔梯度风影响因素，求取风振系数考虑整体外形变化的修正系数θ_v；

考虑超高输电塔梯度风高度因素和钢管中混凝土作为附加质量因素，求取修正系数θ_l，该修正系数θ_l为风振系数考虑附加面积的修正系数θ_a和风振系数考虑附加质量的修正系数θ_m的乘积；

式中，n_g为梯度风高度以下的累加个数；m′(z)为z高度处钢管中混凝土的单位高度质量，z<H′；

S5：考虑钢管中混凝土作为附加质量因素，求取在剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的θ_b(z)、横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θ_b(z_I)和横隔面的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θ_b(z_J)；

步骤S5中剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的θ_b(z)的计算公式为：

横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θ_b(z_J)的计算公式为：

横隔面的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θ_b(z_J)的计算公式为：

S6：根据步骤S5获取的修正系数对应求取在z高度处的背景分量因子B_z(z)；

步骤S6中，背景分量因子B_z(z)的计算公式为：

μ_zg为梯度风高度处的风压高度变化系数；

S7：根据z高度处的背景分量因子B_z(z)，结合超高输电塔的设计风振系数计算公式求取对应的风振系数；

超高输电塔的各部位设计风振系数计算公式为：

g_s为峰值因子，其根据荷载规范取值。

2.根据权利要求1所述的考虑梯度风和混凝土质量影响的超高输电塔风振系数简化计算方法，其特征在于：

在步骤S2中，超高输电塔0°风向角的1阶侧弯振型φ₁(z)的计算公式为：

其中，H为超高输电塔的总高度；z为当前所在高度值。

3.根据权利要求1所述的考虑梯度风和混凝土质量影响的超高输电塔风振系数简化计算方法，其特征在于：在步骤S3中，超高输电塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρ_x计算公式为：

b为外轮廓宽度；

超高输电塔塔高的脉动风荷载在竖直方向的相关系数ρ_z的计算公式为：

H_g为梯度风高度；

共振分量因子R的计算公式为：

其中，

n为脉动风速的频率。

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