CN111985019B - 带悬挑横担常规单塔基于有效荷载法的风振系数简化计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带悬挑横担常规单塔基于有效荷载法的风振系数简化计算方法，建立了常规单塔设计风荷载的计算模型，通过计算风振系数进而求取常规单塔设计风荷载。采用统计的影响线方法计算等效背景风荷载，确定了中间变量γ_B的拟合公式，推导了风振系数考虑外形变化影响的修正系数θ_ηB。通过采用γ_B、θ_ηB和相关的修正系数，推导了带悬挑横担的常规单塔的风振系数。在实际设计当中，通过风振系数的计算结果、风振系数与风荷载相关的计算公式，即可得到常规单塔的风荷载。计算步骤简单，分析横隔面、横担和钢管混凝土对输电塔风振系数的各贡献量的影响。

Description

带悬挑横担常规单塔基于有效荷载法的风振系数简化计算 方法

技术领域

本发明涉及常规单塔设计技术领域，具体的说是一种带悬挑横担常规单塔基于有效荷载法的风振系数简化计算方法。

背景技术

中国规范沿用苏联的抗风设计方法，该方法采用振型分解法计算等效背景风荷载，对于悬臂构筑物而言，以1阶模态的参振为主，振型分解法的近似计算引起的塔顶位移误差不大。与惯性力法对比，由于有效荷载法采用准静态的方法计算背景风荷载，其确定的背景风荷载是准确的理论解。采用有效荷载法计算时，根据响应分量确定背景风荷载和共振风荷载的权重系数，能够达到计算响应与实际响应等效的作用。有效荷载法的物理意义清晰，计算输电塔的内力结果比采用惯性力法得到的结果更准确。澳大利亚和新西兰的杆塔规范、标准基于该方法设计风荷载。然而这些规范、标准中的输电塔设计风荷载都没有考虑横担、梯度风高度和钢管混凝土的影响。准确的输电塔设计风荷载不仅能够保证输电线路的安全运行，还能够降低工程造价，起到经济性作用。

众所周知的，求取风荷载的关键相当于求取单塔的风振系数，则针对现有技术的缺陷，对与常规单塔，有必要将横担、梯度风高度和钢管混凝土三者的影响考虑到计算风振系数的方法中，从而进一步的对单塔的风荷载进行设计，提高现有技术中常规单塔的设计效果。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种带悬挑横担常规单塔基于有效荷载法的风振系数简化计算方法，基于有效荷载法确定单塔的设计风荷载，综合考虑到横担、梯度风高度和钢管混凝土对风荷载的影响。

为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种带悬挑横担常规单塔基于有效荷载法的风振系数简化计算方法，其关键技术在于具体步骤为：

S1：确定常规单塔的计算参数，并确定常规单塔所在地面粗糙度类别，设定10m高度处的平均分速

常规单塔的总高度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中的常规单塔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)，进而计算输电塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρ_x和脉动风荷载在竖直方向的相关系数ρ_z；

根据荷载规范引入的共振分量因子R；

根据荷载规范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、瑞流度高度变化系数

风压随高度变化系数μ_z；

分别计算常规单塔剩余塔身、横担、横隔面处的风振系数考虑对荷载响应相关系数ρ_fr′影响的修正系数θ_ηB；

S4：根据步骤S1中常规单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；

根据常规单塔的宽度、深度得到风振系数考虑整体外形变化的修正系数θ_v

根据常规单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θ_a与风振系数考虑附加质量的修正系数θ_m的乘积θ_l；

根据常规单塔考虑所在地面粗糙度类别和带悬挑横担的影响因子，确定常规单塔荷载响应相关系数ρ_fr′的中间变量γ_B；

根据常规单塔考虑带悬挑横担的影响因子，确定常规单塔剩余塔身、横担、横隔面处的新共振分量因子

考虑脉动风荷载空间相关性的修正系数θ_ηR；

S5：简化并得到常规单塔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θ_b(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：考虑外形规律变化的影响因素，当塔高H确定时，计算新背景分量因子

考虑横担、横隔面的附加质量和附加面积的影响，计算新共振分量因子

S7：计算带悬挑横担常规单塔风振系数β(z)。

进一步的技术方案，步骤S2中常规单塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρ_x和脉动风荷载在竖直方向的相关系数ρ_z的计算公式为：

b为外轮廓宽度。

再进一步的技术方案为：步骤S3中：所述共振分量因子R的计算公式为：

其中，

n为脉动风速的频率；

所述风振系数考虑对荷载响应相关系数ρ_fr′影响的修正系数θ_ηB的计算公式为：

再进一步的技术方案为：步骤S4中荷载响应相关系数ρ_fr′的中间变量γ_B的计算公式为：

其中，荷载响应相关系数的中间变量γ_B的计算参数取值范围见表1；

表1 常规单塔γ_B的计算参数取值详情表

再进一步的技术方案为：步骤S5所述的常规单塔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为：

所述横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θ_b(z_I)计算公式为：

所述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)计算公式为：

再进一步的技术方案为：步骤S6中所述的新背景分量因子

的计算公式为：

所述考虑横担、横隔面的附加质量和附加面积的影响，计算新共振分量因子

其中，剩余塔身、横担、横隔面处的新共振分量因子

的表达是分别为：

再进一步的技术方案为：步骤S7带悬挑横担常规单塔风振系数的计算公式为；

本发明的有益效果：建立了常规单塔设计风荷载的计算模型，通过计算风振系数进而求取常规单塔设计风荷载。采用统计的影响线方法计算等效背景风荷载，确定了中间变量γ_B的拟合公式，推导了风振系数考虑外形变化影响的修正系数θ_ηB。通过采用γ_B、θ_ηB和相关的修正系数，推导了带悬挑横担的常规单塔的风振系数。在实际设计当中，通过风振系数的计算结果、风振系数与风荷载相关的计算公式，即可得到常规单塔的风荷载。

附图说明

图1是本发明常规单塔结构示意图；

图2是本发明常规单塔

沿高度的分布示意图；

图3是常规单塔在不同粗糙度类别下γ_B(z,H)的拟合值和数值解对比示意图；

图4是常规单塔的计算参数对比示意图；

图5是基于有效荷载法的常规单塔的风振系数分布示意图；

图6是常规塔的时域位移最大值与基于有效荷载法计算的位移最大值对比示意图；

图7是三个工况常规单塔的风振系数贡献量示意图；

图8是本发明方法流程图；

图9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，常规单塔分为横隔面、横担和剩余塔身3部分，如1所示。图中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；ΔH₁为横担近塔端厚度；ΔH₂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。

在本实施例中，常规单塔所在地面粗糙度类别为B类地貌，设定10m高度处的平均分速

为速30m/s。整塔阻力系数取2.6。被风面遮挡系数按照DL/T 5154计算，取0.853。通过ANSYS确定基频为1.522Hz。

在本实施例中，针对常规单塔，采用有效荷载法的方式，对风振系数进行求解，进而再求取常规单塔的设计风荷载。

首先，不变外形的常规单塔风振系数的设计公式具体步骤为：

输电塔的等效静力风荷载计算图如图1所示，有效荷载法确定的等效静力风荷载由3部分组成，分别是平均风荷载、等效背景风荷载和等效共振风荷载。

计算风振系数时将阻力系数视为常数，平均风荷载为：

等效背景风荷载为：

式中，g_B为背景峰值因子，与荷载规范保持一致，取g_B＝g_s＝2.5；ρ_fr′(z)为荷载响应相关系数；σ_f(z)为脉动风荷载的标准差。

第1阶振型的等效共振风荷载为：

式中，g_R为共振峰值因子，同样取g_R＝g_s＝2.5；

为由共振风荷载激发的1阶模态广义坐标标准差。计算时与荷载规范保持一致，计算

时不考虑气动阻尼的影响。

由有效荷载法确定的等效静力风荷载为：

W_B和

分别通过响应分量的SRSS法确定。背景响应和共振响应的差别不会太大，为方便计算，美国输电线结构荷载设计指南ASCE No.74近似采用SRSS 方法考虑背景风荷载和共振风荷载的组合。

则上式可以改写成；

风振系数表达式为：

对于外形沿高度不变的输电塔，

采用Davenport提出的与高度无关的风速谱和Shiotani提出的与频率无关的相干函数，荷载响应相关系数的表达式：

式中，I_r(z)为输电塔响应的影响线，

Δ为单位荷载作用在塔顶时引起的响应，

为I_r(z)沿高度的分布系数。

等效背景风荷载对风振系数的贡献：

1阶模态共振响应的广义模态坐标标准差为：

该公式仅考虑输电塔1阶频率处的风速谱。

等效共振风荷载对风振系数的贡献：

下文重点叙述等效背景风荷载的求解思路。同样地，先从最简单分布的输电塔着手，逐步完善计算模型，进而推导出常规单塔的风振系数，进一步计算设计风荷载。

为了与荷载规范中风振系数计算公式的变量保持一致，在这里引入与荷载规范中物理意义一致的背景分量因子B_z。当塔高H确定时，B_z(z)的表达式为：

对于外形沿高度不变的输电塔，b(z)和δ(z)均为常数，上式简化为：

ρ_f′r′(z)＝γ_B(z,H)ρ_x.

脉动风荷载在水平方向的相关系数ρ_x采用公式

计算，中间变量采用指数函数对其进行拟合，表达式为：

其中，中间变量γ的拟合系数k_γ、a_γ通过表2得到，具体为：

表2 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

则，C_R的表达式简化为：

当塔高H确定时，β(z)表达式用以上变量简化表示为：

为不至于混淆，上式公式中

称为新背景分量因子，

称为新共振分量因子。

进一步的，常规单塔锥形变化单塔风振系数的设计公式的具体内容为：

以输电塔外形沿高度不变时的计算公式为基础，通过增加风振系数的修正系数来考虑外形规律变化的影响。为了不致混淆起见，同样地对外形沿高度变化的输电塔加以“a”脚码。当塔高H确定时，新背景分量因子为：

其中，

新共振分量因子为：

脉动风荷载空间相关性的修正系数θ_ηR与以下θ_η的表达式一致：

剩余塔身的θ_ηR≈1。对于剩余塔身而言，b_s(z)沿高度的变化系数

和m(z)沿高度的变化系数μ_m(z)分别按公式

进行确认。此时的e＝1。根据表3可以得到θ_v，其计算公式为：

由

和μ_m(z)的简化分布确定的θ_b(z)如下：

表3 常规单塔的宽度深度均沿高度作同一规律变化时θ_v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

则对于常规单塔锥形变化单塔，将公式

带入

即可得到锥形变化的常规单塔的风振系数设计公式。

最后，针对带悬挑横担的常规单塔风振系数的设计公式进行讨论：

为推导等效背景风荷载的设计表达式，需要弄清输电塔响应影响线的分布关系。带悬挑横担的常规单塔I_u(z)的表达式为：

式中，

为I_u(z)沿高度的分布系数。

在对高度进行积分计算时，Δ与积分变量无关，可以作为常数放在积分表达式外。并且，在计算等效背景风荷载时，分子与分母的Δ相互约去。如此，不用考虑Δ。

结合图1可以看出，带悬挑横担的常规单塔

的简化分布与实际分布的对比曲线详见图2；对比结果表示两者的吻合度好。

将

的简化分布公式

代入公式：

由于γ_B(z,H)的表达式涉及复杂的2重积分运算，为方便设计使用，采用非线性曲面拟合γ_B(z,H)。

以上参数在不同地面粗糙度类别下的取值如表1所示。

表1 常规单塔γ_B的计算参数取值表

不同粗糙度类别下，对比分别采用拟合公式

和数值计算求解γ_B(z,H)的结果，对比示意图如图3所示，对比结果表明两者的吻合度好。

风振系数考虑外形对ρ_fr′影响的修正系数θ_ηB的表达式复杂、影响因素多，通过对输电塔的θ_ηB进行计算分析，结果表明：θ_ηB主要受轮廓宽度变化的影响，在剩余塔身和横隔面处，θ_ηB略小于1。根据公式

θ_ηB的取值对β的影响要小于对

的影响，从而可近似取θ_ηB＝1；在横担位置，轮廓宽度突然变大，θ_ηB比剩余塔身和横隔面处的取值更小，需要计算考虑。θ_ηB近似表示为：

对比γ_B(z,H)、θ_ηB的实际分布与由公式

确定的简化分布，具体详见图4。两者对比的吻合度好，表明采用γ_B(z,H)、θ_ηB的简化分布确定带悬挑横担的常规单塔的风荷载设计公式是可靠的。

新共振分量因子为：

对于带悬挑横担的常规单塔，横担两端的尺寸显著大于剩余塔身的外轮廓宽度，需要计入横担对脉动风荷载空间相关性的影响，此时θ_ηR不为1。此时θ_ηR的取值见表4所示：

表4 常规单塔的θ_ηR取值范围表

修正系数θ_l为考虑横担、横隔面的附加质量和附加面积的影响，且θ_l＝θ_aθ_m。其中，θ_a风振系数考虑附加面积的修正系数，θ_m风振系数考虑附加质量的修正系数。

修正系数θ_l的取值详见表5，根据常规单塔的横担平均外伸长度、总高度、横担个数得到。

表5 常规单塔的θ_l取值

其中，带悬挑横担的常规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

塔腿处有1横隔面，距离地面高度为跟开b₁；在上下两横隔面之间有n_d个横隔面，

round表示四舍五入取整数，每个横隔面按等间距布置。以上确定了横隔面的在塔身的分布关系，还需要确定横隔面和横担的挡风面积、质量沿高度的分布关系。同样地，对多个带悬挑横担的常规输电塔进行统计分析，获得关系：

M(z_J)＝1.334m(z_J)。

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：

将θ_a和θ_m计算修改参数的独立影响参数均为

H、n_c、b_s(H)/b_s(0)。为了制表方便，令θ_l＝θ_aθ_m。

其中，

尽管实际分布与简化分布之间有差异，但是通过公式θ_a和θ_m计算θ_l时，由于

在分子，μ_M(z_I)、μ_M(z_J)在分母，误差部分抵消掉。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。

局部修正系数θ_b(z)、θ_b(z_I)、θ_b(z_J)的计算公式为：

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为：

计算得到横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θ_b(z_I)以及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)；

横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θ_b(z_I)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)计算公式为：

为保证书写的简洁，将剩余塔身、横隔面和横担的新共振分量因子合并书写，三者z高度处的

可按下式计算：

将γ_B(z,H)和θ_ηB代入公式

计算带悬挑横担的常规单塔的

将

和上式的

代入公式

即可得到带悬挑横担的常规单塔的风振系数设计公式。

综上，在本实施例中，一种带悬挑横担常规单塔基于有效荷载法的风振系数简化计算方法，结合图8可以看出，具体步骤为：

S1：确定常规单塔的计算参数，并确定常规单塔所在地面粗糙度类别，设定10m高度处的平均分速

常规单塔的总高度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中的常规单塔0°风向角的1阶侧弯振型φ₁(z)；具体公式为：

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

步骤S3常规单塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρ_x和脉动风荷载在竖直方向的相关系数ρ_z的计算公式为：

b为外轮廓宽度。

根据荷载规范引入的共振分量因子R；

所述共振分量因子R的计算公式为：

其中，

n为脉动风速的频率；

根据荷载规范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、瑞流度高度变化系数

风压随高度变化系数μ_z；

分别计算常规单塔剩余塔身、横担、横隔面处的风振系数考虑对荷载响应相关系数ρ_fr′影响的修正系数θ_ηB；

风振系数考虑对荷载响应相关系数ρ_fr′影响的修正系数θ_ηB的计算公式为：

S4：根据步骤S1中常规单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；

根据常规单塔的宽度、深度得到风振系数考虑整体外形变化的修正系数θ_v；

根据常规单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θ_a与风振系数考虑附加质量的修正系数θ_m的乘积θ_l；

根据常规单塔考虑所在地面粗糙度类别和带悬挑横担的影响因子，确定常规单塔荷载响应相关系数ρ_fr′的中间变量γ_B；

步骤S4中荷载响应相关系数ρ_fr′的中间变量γ_B的计算公式为：

其中，荷载响应相关系数的中间变量γ_B的计算参数取值范围见表1；

根据常规单塔考虑带悬挑横担的影响因子，确定常规单塔剩余塔身、横担、横隔面处的新共振分量因子

考虑脉动风荷载空间相关性的修正系数θ_ηR；

S5：简化并得到常规单塔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θ_b(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所述的常规单塔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为：

所述横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θ_b(z_I)计算公式为：

所述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)计算公式为：

S6：考虑外形规律变化的影响因素，计算当塔高H确定时，新背景分量因子

步骤S6中所述的新背景分量因子

的计算公式为：

所述考虑横担、横隔面的附加质量和附加面积的影响，计算新共振分量因子

其中，剩余塔身、横担、横隔面处的新共振分量因子

的表达是分别为：

考虑横担、横隔面的附加质量和附加面积的影响，计算新共振分量因子

S7：计算带悬挑横担常规单塔风振系数β(z)。

步骤S7带悬挑横担常规单塔风振系数的计算公式为；

在本实施例中，通过公式

计算x₁＝60.871。查表1确定γ_B(z,H)的计算参数，通过公式

计算γ_B(z,H)。通过公式

计算θ_ηB。将以上参数代入公式

计算得到

按钢结构取ζ₁＝0.01，通过公式

计算R＝1.839。查表2取值k_γ＝0.91、a_γ＝0.218，塔高H＝91.1m通过公式

计算γ_R(H)＝2.433。跟开b₁＝17.28m，通过公式

计算ρ_z＝0.730、ρ_x＝0.945。塔底主材外径0.61m，塔底斜材外径0.219m，由两个主材和两个斜材构成的总迎风外径1.658m。塔顶主材外径 0.273m，塔顶斜材外径0.159m，由两个主材和两个斜材构成的总迎风外径 0.864m。由主材与斜材确定的b_s(H)/b_s(0)＝0.521，查表3确定θ_v＝1.697。横担个数n_c＝3，横担平均外伸长度14.822m，

查表4确定θ_ηR＝0.952，查表5确定θ_l＝0.890。

分别按公式

计算θ_b(z)。然后将以上参数代入公式

计算

再代入公式

计算风振系数。β(z)的分布如图5所示，剩余塔身、横隔面和横担的风振系数随高度的增大而增大，同高度处三者的风振系数大体上为横隔面的最大，剩余塔身的次之，横担的最小。由于完整考虑背景风荷载，有效荷载风振系数要比惯性力风振系数大，随着高度的增大，差异逐渐减小，塔顶处的风振系数接近。相比较而言，两种方法计算剩余塔身风振系数时的差异最明显，计算横隔面时的差异最小。

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。

在本发明中，结合图9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。

如图6所示。图6(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6(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由下到上逐渐增大，底部误差的绝对值最大。输电塔的底部位移小，尽管底部的相对误差大，但是绝对误差并不大，并且输电塔的抗风设计由顶部位移的大小控制。因此，对于带悬挑横担的常规单塔，由本章推导的设计风荷载计算的结果能够满足工程需要。常规单塔的影响参数对3种工况下图1的带悬挑横担的常规单塔进行计算分析。工况1为只考虑剩余塔身；工况2在工况1的基础上增加横隔面；工况3在工况2的基础上增加横担。3种工况的输电塔风振系数贡献量如图7所示。图7(a)中，增加横隔面、横担后对C_B(z) 无影响。图7(b)中，增加横隔面后剩余塔身的C_R(z)略微减小，增加横担后剩余塔身和横隔面的C_R(z)均显著减小。横隔面对输电塔剩余塔身的C_R(z)的影响小，横担对输电塔剩余塔身和横隔面的C_R(z)的影响大。

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 (4)

1.一种带悬挑横担常规单塔基于有效荷载法的风振系数简化计算方法，其特征在于具体步骤为：

S1：确定常规单塔的计算参数，并确定常规单塔所在地面粗糙度类别，设定10m高度处的平均分速

常规单塔的总高度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中的常规单塔0°风向角的1阶侧弯振型φ₁(z)，具体公式为：

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

根据荷载规范引入的共振分量因子R；

根据荷载规范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、瑞流度高度变化系数

风压随高度变化系数μ_z；

分别计算常规单塔剩余塔身、横担、横隔面处的风振系数考虑对荷载响应相关系数ρ_fr'影响的修正系数θ_ηB；

S4：根据步骤S1中常规单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；

根据常规单塔的宽度、深度得到风振系数考虑整体外形变化的修正系数θ_v；

根据常规单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θ_a与风振系数考虑附加质量的修正系数θ_m的乘积θ_l；

根据常规单塔考虑所在地面粗糙度类别和带悬挑横担的影响因子，确定常规单塔荷载响应相关系数ρ_fr'的中间变量γ_B；

根据常规单塔考虑带悬挑横担的影响因子，确定常规单塔剩余塔身、横担、横隔面处的新共振分量因子

考虑脉动风荷载空间相关性的修正系数θ_ηR；

S5：简化并得到常规单塔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θ_b(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：考虑外形规律变化的影响因素，计算当塔高H确定时，新背景分量因子

考虑横担、横隔面的附加质量和附加面积的影响，计算新共振分量因子

S7：计算带悬挑横担常规单塔风振系数β(z)；

步骤S3中常规单塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρ_x和脉动风荷载在竖直方向的相关系数ρ_z的计算公式为：

b为外轮廓宽度，中间变量采用指数函数对其进行拟合，表达式为：

步骤S3中：所述共振分量因子R的计算公式为：

其中，

n为脉动风速的频率；

所述风振系数考虑对荷载响应相关系数ρ_fr'影响的修正系数θ_ηB的计算公式为：

步骤S4中荷载响应相关系数ρ_fr'的中间变量γ_B的计算公式为：

其中，荷载响应相关系数的中间变量γ_B的计算参数取值范围见表1；

表1 常规单塔γ_B的计算参数取值详情表

2.根据权利要求1所述的带悬挑横担常规单塔基于有效荷载法的风振系数简化计算方法，其特征在于步骤S5所述的常规单塔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为：

所述横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θ_b(z_I)计算公式为：

所述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)计算公式为：

3.根据权利要求1所述的带悬挑横担常规单塔基于有效荷载法的风振系数简化计算方法，其特征在于步骤S6中所述的新背景分量因子

的计算公式为：

所述考虑横担、横隔面的附加质量和附加面积的影响，计算新共振分量因子

其中，剩余塔身、横担、横隔面处的新共振分量因子

的表达是分别为：

4.根据权利要求1所述的带悬挑横担常规单塔基于有效荷载法的风振系数简化计算方法，其特征在于步骤S7带悬挑横担常规单塔风振系数的计算公式为；

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