CN112287424B - 基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨越塔、线设计风载荷的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨越塔、线设计风载荷的计算方法，步骤为：搭建超高大跨越塔的塔线体系，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，基于有效荷载法求取塔线体系超高大跨越塔的风振系数；并计算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；对超高大跨越塔风振系数、风偏角的风振系数进行修正计算，得到塔线体系超高大跨越塔的修正风振系数和塔线体系输电线的修正风振系数；在等效振动有效荷载作用下计算超高大跨越塔的塔线体系中超高大跨越塔设计风荷载；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

基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨 越塔、线设计风载荷的计算方法

技术领域

本发明涉及技术领域，具体的说是一种基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨越塔、线设计风载荷的计算方法。

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。超高大跨越塔为超高输电塔与输电线路、绝缘子串等组成的塔线体系。

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。

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。并且超高大跨越塔组成的单塔体系还需要考虑塔线耦合效应产生的影响，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，本发明提供了一种基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨越塔、线设计风载荷的计算方法，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：

一种基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨越塔、线设计风载荷的计算方法，具体步骤为：S1：搭建超高大跨越塔的塔线体系，并获取塔线体系的超高大跨越塔、输电线、绝缘子串的物理参数；上述数据至少包括超高大跨越塔所在地面粗糙度类别、设定10m高度处的平均分速

超高大跨越塔的总高度H、跟开b₁、横担个数n_c、横担平均外伸长度

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ζ_e；S3：将步骤S2得到的塔线体系中杆塔等效阻尼系数ζ_e来替换阻尼系数ζ₁，基于有效荷载法的，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ε_c；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中的塔线体系超高大跨越塔的风振系数、塔线体系输电线的风振系数进行修正计算，得到塔线体系超高大跨越塔的修正风振系数β^*(z)和塔线体系输电线的修正风振系数β^*；S6：在等效振动有效荷载作用下计算超高大跨越塔的塔线体系中超高大跨越塔设计风荷载f_ESWL(z)；基于塔线分离法计算输电线设计风荷载W_X。

再进一步的技术方案，步骤S2的具体步骤为：

S21：根据步骤S1的超高大跨越塔的塔线体系，得到超高大跨越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l_ca，绝缘子长度为l_in，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，得到的超高大跨越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；并将超高大跨越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：

所述迎风面、被风面导线的广义刚度计算公式为：

所述迎风面、被风面导线的广义阻尼计算公式为：

m_c为单根导线单位线长的质量；单根导线振型

-L≤y≤L；γ_g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，

ζ_c＝ζ_sc+ζ_ac；ζ_sc为导线结构阻尼比；ζ_ac为导线启动阻尼比；N_c为分裂导线的个数；T_w为平均风状态下单根导线的水平张力；ζ_c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：

所述迎风面、被风面绝缘子串的广义刚度计算公式为：

所述迎风面、被风面绝缘子串的广义阻尼计算公式为：

其中，m_in为绝缘子串单位高度质量；D_in为绝缘子串迎风外径；绝缘子串振型

H-l_in≤z≤H；ζ_in为绝缘子串阻尼比；

l_in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：

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，求取超高大跨越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：

杆塔1阶模态的振型φ_t(z)＝(z/H)²，0≤z≤H；

为杆塔的广义质量，

M_ca为横担的质量，m_t(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；S_f(n_t)为归一化风速谱，n_t为杆塔脉动风速的频率；

σ_v'为脉动风速的标准差；

为索结构与杆塔的广义质量比值，

λ_n为索结构与杆塔的频率比值；λ_n＝n_ci/n_t；导线悬挂于杆塔的顶部，

ζ_t为总阻尼比；ζ_t＝ζ_st+ζ_at；ζ_st为杆塔结构阻尼比；ω_t为杆塔无阻尼振动的圆频率；ζ_ci为索结构总阻尼比，近视取导线阻尼比，ζ_ci≈ζ_c，ζ_c＝ζ_sc+ζ_ac；

ρ_a为空气密度，μ_s(z)为风压随高度变化系数；b_s(z)为随高度变化的迎风面宽度；

随高度变化的平均风速，σ_v'为脉动风速的标准差；

ζ_at为杆塔气动阻尼比；

A_s,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：

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：

S25：基于步骤S24得到的计算公式，推导超高大跨越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：

其中，ρ与ζ_e的关系为：

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λ_n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

项；导线悬挂于杆塔的顶部，

故悬挂导线后塔线等效阻尼系数的计算公式为：

再进一步的技术方案，步骤S3求取塔线体系超高大跨越塔的风振系数β(z)的步骤为：

S311：确定超高大跨越塔的计算参数，并确定超高大跨越塔所在地面粗糙度类别，设定10m高度处的平均分速

超高大跨越塔的总高度H；跟开b₁；横担个数n_c；横担平均外伸长度

S312：通过水平均布荷载作用下结构的挠曲线获得步骤S1中的超高大跨越塔0°风向角的1阶侧弯振型φ₁(z)，具体公式为：

z为实际高度值；

S313：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_x；

H_g为梯度风高度；

根据荷载规范引入的共振分量因子R；

ξ₁＝ξ_e；

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；

根据超高大跨越塔的高度与梯度风高度，分别计算超高大跨越塔剩余塔身、横担、横隔面处的风振系数考虑对荷载响应相关系数ρ_f'r'影响的修正系数θ_ηB；

S314：根据步骤S311中超高大跨越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；

根据超高大跨越塔的宽度、深度得到风振系数考虑整体外形变化的修正系数θ_v；

根据超高大跨越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；

根据超高大跨越塔考虑所在地面粗糙度类别和带悬挑横担的影响因子，确定超高大跨越塔荷载响应相关系数的中间变量γ_B；

取e＝10；

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，θ_l＝θ_a*θ_m；

其中，

所述中间变量γ_B的计算公式为：

S315：简化并得到超高大跨越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)；

S316：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

其中，新共振分量因子

的计算公式为：

μ_z(z)为风压随高度变化系数；

结合步骤S313中的修正系数θ_ηB和新共振分量因子

的计算公式，得到所述新背景分量因子

的值；

S317：结合步骤S313和步骤S316得到的数据，计算风振系数β(z)；其中，风振系数表达式为：

g_s为峰值因子，其根据荷载规范取值。

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、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。

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中超高大跨越塔线体系的输电线、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。

所述悬垂绝缘子串风偏角的计算模型时，设定导线与绝缘子串的连接点A、垂悬绝缘子串末端点B、动力状态下绝缘子串末端点运动点B’、动力状态下B'点移动到B”引起的风偏角

导线跨度L、平均风荷载作用下B点的顺风向位移

A、B两点间的绝缘子串长度l_AB、导线两端挂点高差h、平均风偏角

坐标原点到导线最低点的水平距离a'、导线最低点到导线末端的水平距离b’。导线在自重状态下为悬链线构型，风荷载作用下表现为几何大变形。以往研究表明输电塔对导线风振响应的影响小。为简化计算，忽略杆塔的影响，将绝缘子在杆塔的挂点视为固定铰支座，从而对挂线悬垂绝缘子串进行风偏角研究。

S322：计算超高大跨越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p_ESWL的计算公式为：

式中，(:,i)表示矩阵的第i列元素；

为等效背景风压；

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：

式中，

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；

为平均风荷载作用下导线节点顺风向的位移。导线为轻质柔性结构，强风荷载下表现为：1)结构发生大变形，几何非线性明显；2)结构受力与位移之间不呈线性关系；3)动力荷载作用下，结构为时变刚度。因此，上述为变系数微分方程，不能采用线性叠加原理求解。来流风荷载引起导线的风振响应同样可以分解为平均响应和脉动响应两部分。

M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K刚度矩阵；L_s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：

上述方案，采用LRC方法等效静力风荷载。导线为轻质柔性结构，强风荷载下表现为：1)结构发生大变形，几何非线性明显；2)结构受力与位移之间不呈线性关系；3)动力荷载作用下，结构为时变刚度。

因此，以导线的平均风状态作为计算初始条件，可以得到导线在脉动风荷载作用下的振动方程矩阵表达式。

导线在风荷载作用下的振动方程矩阵表达式，不能采用线性叠加原理求解。来流风荷载引起导线的风振响应同样可以分解为平均响应和脉动响应两部分。

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：

式中，

为脉动风荷载作用下B点的顺风向峰值位移

l_AB为A、B两点间的绝缘子串长度；

为平均风荷载作用下B点的顺风向位移，

为平均风偏角；具体计算公式为：

G_v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；

W_v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。

目标点处导线传递给悬垂绝缘子串的平均风荷载

的计算公式为：

式中，N_c为分裂导线的个数；

为单根导线单位线长的一致平均风荷载；Γ_h为导线在水平档距内的线长。

计算方式为对公式

在水平档距进行曲线积分；其中，

式中，

为荷载p'与响应y_B的相关系数；

为初始条件下响应y_B的影响线；

当所述输电塔为超高输电塔时，所述目标点处导线传递给悬垂绝缘子串的竖向荷载W_v的计算公式为：W_v＝P_vΓ_l+T_vl+P_vΓ_r+T_vr；

其中，Γ_l、Γ_r分别为目标点左右两跨的计算线长；T_vl、T_vr分别为目标点左右两跨导线最低点处张力的竖向分量；当导线在跨内存在某一点的几何线形的斜率为0时：

T_vl＝0；当导线在跨内的几何线形的斜率处处不为0时：

式中，T_w为平均风状态下单根导线的水平张力，计算公式为：T_w＝σ_o4A_c；

其中，

式中，下标“3”和“4”分别表示无风状态和平均风状态；A_c为导线的受力面积；E_c为导线的弹性模量；γ_c为导线的综合比载，

γ_w为平均风压比载，

为导线单位线长的平均风荷载，计算公式为：

l_r为代表档距；β_r为代表高差角

S323：计算塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数β；

∑_C表示对计算域内的元素进行求和；Γ_c为计算域内导线的线长；

为平均风荷载；

为等效背景风压。

再进一步的技术方案为：塔线体系风荷载脉动折减系数ε_c的计算步骤为：

S41：构建超高大跨越塔线体系计算模型，并得到塔线体系计算模型图；

S42：根据超高大跨越塔，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σ_ut(H)与杆塔风振系数β(H)的关系式；

其中，ω₀为基本风压；μ_z(H)为风压随超高大跨越塔高度变化系数；μ_s(H)为杆塔随高度阻力系数；b_s(H)随高度变化的迎风面宽度；g_s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σ_uc(H)的计算公式为：

其中，其中，N_p为导线的相数；μ_sc为导线阻力系数；N_c为分裂导线的个数；D_c为子导线/地线的计算外径；L_p为水平档距；H为塔高高度；E_t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；

其中，所述

为由杆塔平均风荷载引起的杆塔响应；

为由导线平均风荷载引起的杆塔响应；

为塔线体系平均风荷载引起的杆塔响应σ_r为塔线体系下杆塔响应的标准差；σ_rt为由杆塔脉动风荷载引起的塔体均方根响应；σ_rc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：

表示杆塔荷载引起的峰值响应，

表示输电线荷载引起的峰值响应。引入ε_c后，杆塔的最大响应可以由两部分荷载引起杆塔最大响应折减后的线性叠加确定。若不考虑ε_c，

表示杆塔荷载引起的峰值响应，

表示输电线荷载引起的峰值响应，此时线性叠加的结果将比实际值偏大。

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：

σ_uc表示导线荷载引起塔顶位移的均方根值；σ_ut(H)为随高度变化的杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值；

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；

其中，

考虑塔线耦合效应的杆塔风荷载脉动折减系数计算方法，适用于超高输电塔的杆塔风荷载脉动折减系数的表达式。从而提出了采用杆塔风荷载脉动折减系数来考虑塔线耦合影响的输电塔风荷载设计方法。

再进一步的技术方案，所述塔线体系超高大跨越塔的修正风振系数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：

再进一步的技术方案，在等效振动有效荷载作用下计算超高大跨越塔的塔线体系中超高大跨越塔设计风荷载f_ESWL(z)与所述塔线体系超高大跨越塔的修正风振系数β^*(z)的关系式为：

其中，ξ₁＝ξ_e；

S_f(n)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

中，n＝n₁时的取值，n₁为输电塔的1阶模态频率；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。

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W_X的计算公式为：

其中，β＝α'β_c；式中，α'为取值小于1的风压不均匀系数；μ_sc为导线阻力系数；β_c为风荷载调整系数，计算风偏角时取1；D_c为子导线/地线的计算外径；L_p为杆塔的水平档距；ω₀为基本风压；μ_z为风压随高度变化系数；B_l为覆冰时风荷载的增大系数；N_c为分裂导线的个数；θ为风向角。

本发明的有益效果：采用有效荷载法，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影响情况，对塔线体系中超高大跨越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影响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：塔线耦合简化计算模型图；

图4是超高大跨越塔计算图；

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是塔线体系超高大跨越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。

一种基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨越塔、线设计风载荷的计算方法，结合图6可以看出，具体步骤为：S1：搭建超高大跨越塔的塔线体系，并获取塔线体系的超高大跨越塔、输电线、绝缘子串的物理参数；结合图1可以看出为超高大跨越塔的塔线体系。

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ζ_e；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的超高大跨越塔的塔线体系，得到超高大跨越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的杆塔高度为H，横担悬臂长度为l_ca，绝缘子长度为l_in，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，得到的超高大跨越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；并将超高大跨越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：

所述迎风面、被风面导线的广义刚度计算公式为：

所述迎风面、被风面导线的广义阻尼计算公式为：

m_c为单根导线单位线长的质量；单根导线振型

-L≤y≤L；γ_g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，

ζ_c＝ζ_sc+ζ_ac；ζ_sc为导线结构阻尼比；ζ_ac为导线启动阻尼比；N_c为分裂导线的个数；T_w为平均风状态下单根导线的水平张力；ζ_c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：

所述迎风面、被风面绝缘子串的广义刚度计算公式为：

所述迎风面、被风面绝缘子串的广义阻尼计算公式为：

其中，m_in为绝缘子串单位高度质量；D_in为绝缘子串迎风外径；绝缘子串振型

H-l_in≤z≤H；ζ_in为绝缘子串阻尼比；

l_in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：

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，求取超高大跨越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：

所述单塔时杆塔顺风向位移共振分量的均方值为：

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：

S25：基于步骤S24得到的计算公式，推导超高大跨越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：

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λ_n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

项。对于图3的计算模型，导线悬挂于杆塔的顶部，

此时，公式(1)可以简化为：

S3：结合图8可以看出，S3：将步骤S2得到的塔线体系中杆塔等效阻尼系数ζ_e来替换阻尼系数ζ₁，基于有效荷载法的，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，为超高大跨越塔计算图；具体步骤：S311：确定超高大跨越塔的计算参数，并确定超高大跨越塔所在地面粗糙度类别，设定10m高度处的平均分速

超高大跨越塔的总高度H；跟开b₁；横担个数n_c；横担平均外伸长度

S312：通过水平均布荷载作用下结构的挠曲线获得步骤S1中的超高大跨越塔0°风向角的1阶侧弯振型φ₁(z)，具体公式为：

z为实际高度值；

在本发明中，结合图11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；

H_g为梯度风高度；

根据荷载规范引入的共振分量因子R；

ξ₁＝ξ_e；

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；

根据超高大跨越塔的高度与梯度风高度，分别计算超高大跨越塔剩余塔身、横担、横隔面处的风振系数考虑对荷载响应相关系数ρ_f'r'影响的修正系数θ_ηB；

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；

S314：根据步骤S311中超高大跨越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；

在本实施例中，拟合系数k_γ、a_γ取值详见表1；l_γ、m_γ和b_γ取值详见表2；

表1 k_γ和a_γ的取值表

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的取值表

根据超高大跨越塔的宽度、深度得到风振系数考虑整体外形变化的修正系数θ_v；

取e＝10作为制表的依据，列出的θ_v的取值例表详见表3；

表3超高大跨越塔的宽度深度均沿高度作同一规律变化时θ_v的值

根据超高大跨越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；

即：θ_l＝θ_a*θ_m；其中，

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。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的取值为表4的数据：

表4超高大跨越塔的θ_l取值

根据超高大跨越塔考虑所在地面粗糙度类别和带悬挑横担的影响因子，确定超高大跨越塔荷载响应相关系数的中间变量γ_B；

其中，中间变量γ_B的计算参数取值详见表5：

表5超高大跨越塔γ_B的计算参数取值

参数	i＝1	i＝2
			z0<sub>i</sub>	-0.13	-11.6
A01<sub>i</sub>	2083.54	74.18
			B01<sub>i</sub>	-934.58	14.38
B02<sub>i</sub>	5658284.86	-9440.82
			C02<sub>i</sub>	215295.45	-30020.02
A1<sub>i</sub>	1006.27	107.76
			A2<sub>i</sub>	2380357.29	526135.8
B1<sub>i</sub>	-128.37	-336.7
			B2<sub>i</sub>	102490.94	-352240.43
C2<sub>i</sub>	320624.83	-48549.58

S315：简化并得到超高大跨越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)；

S316：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

则，讲上述参数分别带入该公式可以计算得到

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，新共振分量因子

的计算公式为：

μ_z为风压随高度变化系数；

结合步骤S313中的修正系数θ_ηB和新共振分量因子

的计算公式，得到所述新背景分量因子

的值；

S317：结合步骤S313和步骤S316得到的数据，计算风振系数β(z)；其中，风振系数表达式为：

g_s为峰值因子，其根据荷载规范取值。

在本实施例，结合图9可以看出，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中超高大跨越塔线体系的输电线、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：计算超高大跨越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p_ESWL的计算公式为：

式中，(:,i)表示矩阵的第i列元素；

为等效背景风压；

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：

式中，

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；

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；L_s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：

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：

式中，

为脉动风荷载作用下B点的顺风向峰值位移

l_AB为A、B两点间的绝缘子串长度；

为平均风荷载作用下B点的顺风向位移，

为平均风偏角；具体计算公式为：

G_v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；

W_v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；

目标点处导线传递给悬垂绝缘子串的平均风荷载

的计算公式为：

式中，Nc为分裂导线的个数；

为单根导线单位线长的一致平均风荷载；Γ_h为导线在水平档距内的线长，计算方式为对公式

在水平档距进行曲线积分；其中，

式中，

为荷载p'与响应y_B的相关系数；

为初始条件下响应y_B的影响线；

当所述输电塔为超高输电塔时，所述目标点处导线传递给悬垂绝缘子串的竖向荷载W_v的计算公式为：W_v＝P_vΓ_l+T_vl+P_vΓ_r+T_vr；

其中，Γ_l、Γ_r分别为目标点左右两跨的计算线长；T_vl、T_vr分别为目标点左右两跨导线最低点处张力的竖向分量；当导线在跨内存在某一点的几何线形的斜率为0时：

T_vl＝0；当导线在跨内的几何线形的斜率处处不为0时：

式中，T_w为平均风状态下单根导线的水平张力，计算公式为：T_w＝σ_o4A_c；

其中，

式中，下标“3”和“4”分别表示无风状态和平均风状态；A_c为导线的受力面积；E_c为导线的弹性模量；γ_c为导线的综合比载，

γ_w为平均风压比载，

为导线单位线长的平均风荷载，计算公式为：

l_r为代表档距；β_r为代表高差角；

S323：计算悬垂绝缘子串的风振系数；

∑_C表示对计算域内的元素进行求和；Γ_c为计算域内导线的线长；

为平均风荷载；

为等效背景风压。

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；

∑_C表示对计算域内的元素进行求和；Γ_c为计算域内导线的线长；

为平均风荷载；

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：

其中，β＝α'β_c；

式中，α'为取值小于1的风压不均匀系数；μ_sc为阻力系数；β_c为风荷载调整系数，计算风偏角时取1；D_c为子导线/地线的计算外径；L_p为杆塔的水平档距；B_l为覆冰时风荷载的增大系数。ω₀为基本风压；μ_z为风压随高度变化系数；B_l为覆冰时风荷载的增大系数；N_c为分裂导线的个数；θ为风向角。

α'β_c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β_c，以此确定导/地线的等效静力风荷载。因此，α'β_c＝β。根据物理意义，

采用LRC计算的β不是常数，为方便设计使用，根据p_ESWL的分布特性，采用平均化方式处理，计算一致β。p_ESWL在目标点位置凸出，在远离目标点位置逼近于

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ε_c，结合图10可以看出，具体为：S41：构建超高大跨越塔线体系计算模型，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l_ca，绝缘子长度为l_in，导线跨度为L。导线挂点无高差；

S42：根据超高大跨越塔，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σ_ut(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σ_uc(H)的计算公式；

所述塔高H处建立杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值σ_ut(H)与杆塔风振系数β(H)的关系式为：

其中，ω₀为基本风压；μ_z(H)为风压随超高大跨越塔高度变化系数；μ_s(H)为杆塔随高度阻力系数；b_s(H)随高度变化的迎风面宽度；g_s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σ_uc(H)的计算公式为：

其中，N_p为导线的相数；μ_sc为导线阻力系数；N_c为分裂导线的个数；D_c为子导线/地线的计算外径；L_p为水平档距；H为塔高高度；E_t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；

其中，所述

为由杆塔平均风荷载引起的杆塔响应；

为由导线平均风荷载引起的杆塔响应；

为塔线体系平均风荷载引起的杆塔响应σ_r为塔线体系下杆塔响应的标准差；g_s为峰值因子；σ_rt为由杆塔脉动风荷载引起的塔体均方根响应；σ_rc为由导线脉动风荷载引起的塔体均方根响应；

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：

表示杆塔荷载引起的峰值响应，

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：

σ_uc表示导线荷载引起塔顶位移的均方根值；σ_ut(H)为随高度变化的杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值；

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；

其中，

在本实施例中，所述塔线体系超高大跨越塔的修正风振系数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：

在等效振动有效荷载作用下计算得到的超高大跨越塔的塔线体系中超高大跨越塔设计风荷载f_ESWL(z)与所述塔线体系超高大跨越塔的修正风振系数β^*(z)的关系式存在：

其中，ξ₁＝ξ_e；

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

中，n＝n₁时的取值，n₁为输电塔的1阶模态频率；

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。

在本实施例中，基于塔线分离法计算输电线设计风荷载W_X的计算公式为：

其中，β＝α'β_c；α'为取值小于1的风压不均匀系数；μ_sc为导线阻力系数；β_c为风荷载调整系数，计算风偏角时取1；D_c为子导线/地线的计算外径；L_p为杆塔的水平档距；B_l为覆冰时风荷载的增大系数；ω₀为基本风压；μ_z为风压随高度变化系数；N_c为分裂导线的个数；θ为风向角。

综上可以基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨越塔、线设计风载荷，对超高大跨越塔进行设计。

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)

1.一种基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨越塔、线设计风载荷的计算方法，其特征在于：具体步骤为：

S1：搭建超高大跨越塔的塔线体系，并获取塔线体系的超高大跨越塔、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ζ_e；

S3：将步骤S2得到的塔线体系中杆塔等效阻尼系数ζ_e来替换阻尼系数ζ₁，基于有效荷载法，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，求取塔线体系超高大跨越塔的风振系数β(z)的步骤为：

S311：确定超高大跨越塔的计算参数，并确定超高大跨越塔所在地面粗糙度类别，设定10m高度处的平均分速

超高大跨越塔的总高度H；跟开b₁；横担个数n_c；横担平均外伸长度

S312：通过水平均布荷载作用下结构的挠曲线获得步骤S1中的超高大跨越塔0°风向角的1阶侧弯振型φ₁(z)，具体公式为：

z为实际高度值；

S313：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；

H_g为梯度风高度；

根据荷载规范引入的共振分量因子R；

ξ₁＝ξ_e；

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；

根据超高大跨越塔的高度与梯度风高度，分别计算超高大跨越塔剩余塔身、横担、横隔面处的风振系数考虑对荷载响应相关系数ρ_f'r'影响的修正系数θ_ηB；

S314：根据步骤S311中超高大跨越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；

根据超高大跨越塔的宽度、深度得到风振系数考虑整体外形变化的修正系数θ_v；

根据超高大跨越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；

根据超高大跨越塔考虑所在地面粗糙度类别和带悬挑横担的影响因子，确定超高大跨越塔荷载响应相关系数的中间变量γ_B；

取e＝10；

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，θ_l＝θ_a*θ_m；

其中，

所述中间变量γ_B的计算公式为：

S315：简化并得到超高大跨越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)；

S316：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

其中，新共振分量因子

的计算公式为：

μ_z(z)为风压随高度变化系数；

结合步骤S313中的修正系数θ_ηB和新共振分量因子

的计算公式，得到所述新背景分量因子

的值；

S317：结合步骤S313和步骤S316得到的数据，计算风振系数β(z)；其中，风振系数表达式为：

g_s为峰值因子，其根据荷载规范取值；

S4：考虑塔线耦合效应，求取塔线体系风荷载脉动折减系数ε_c；

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中的塔线体系超高大跨越塔的风振系数、风偏角的风振系数β进行修正计算，得到塔线体系超高大跨越塔的修正风振系数β^*(z)和塔线体系输电线的修正风振系数β^*；

S6：在等效振动有效荷载作用下计算超高大跨越塔的塔线体系中超高大跨越塔设计风荷载f_ESWL(z)；基于塔线分离法计算输电线设计风荷载W_X。

2.根据权利要求1所述的基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨越塔、线设计风载荷的计算方法，其特征在于：步骤S2的具体步骤为：

S21：根据步骤S1的超高大跨越塔的塔线体系，得到超高大跨越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l_ca，绝缘子长度为l_in，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，得到的超高大跨越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；并将超高大跨越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：

所述迎风面、被风面导线的广义刚度计算公式为：

所述迎风面、被风面导线的广义阻尼计算公式为：

m_c为单根导线单位线长的质量；单根导线振型

γ_g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，

ζ_c＝ζ_sc+ζ_ac；ζ_sc为导线结构阻尼比；ζ_ac为导线启动阻尼比；N_c为分裂导线的个数；T_w为平均风状态下单根导线的水平张力；ζ_c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：

所述迎风面、被风面绝缘子串的广义刚度计算公式为：

所述迎风面、被风面绝缘子串的广义阻尼计算公式为：

其中，m_in为绝缘子串单位高度质量；D_in为绝缘子串迎风外径；绝缘子串振型

H-l_in≤z≤H；ζ_in为绝缘子串阻尼比；

l_in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：

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，求取超高大跨越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，推导超高大跨越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所述的基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨越塔、线设计风载荷的计算方法，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：

其中，

λ_n＝n_ci/n_t；

杆塔1阶模态的振型φ_t(z)＝(z/H)²，0≤z≤H；

为杆塔的广义质量，

M_ca为横担的质量，m_t(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；

S_f(n_t)为归一化风速谱，n_t为杆塔脉动风速的频率；

σ_v'为脉动风速的标准差；

为索结构与杆塔的广义质量比值，

λ_n为索结构与杆塔的频率比值；导线悬挂于杆塔的顶部，

ζ_t为总阻尼比；ζ_t＝ζ_st+ζ_at；ζ_st为杆塔结构阻尼比；ω_t为杆塔无阻尼振动的圆频率；ζ_ci为索结构总阻尼比，近视取导线阻尼比，ζ_ci≈ζ_c，ζ_c＝ζ_sc+ζ_ac；

ρ_a为空气密度，μ_s(z)为风压随高度变化系数；b_s(z)为随高度变化的迎风面宽度；

随高度变化的平均风速，σ_v'为脉动风速的标准差；

ζ_at为杆塔气动阻尼比；

A_s,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：

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：

步骤S25中推导超高大跨越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：

其中，ρ与ζ_e的关系为：

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λ_n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

项；

导线悬挂于杆塔的顶部，

故悬挂导线后塔线等效阻尼系数的计算公式为：

4.根据权利要求1或3所述的基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨越塔、线设计风载荷的计算方法，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中超高大跨越塔线体系的输电线、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：计算超高大跨越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p_ESWL的计算公式为：

式中，(:,i)表示矩阵的第i列元素；

为等效背景风压；

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：

式中，

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；

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；L_s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：

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：

式中，

为脉动风荷载作用下B点的顺风向峰值位移

l_AB为A、B两点间的绝缘子串长度；

为平均风荷载作用下B点的顺风向位移，

为平均风偏角；具体计算公式为：

G_v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；

W_v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；

目标点处导线传递给悬垂绝缘子串的平均风荷载

的计算公式为：

式中，N_c为分裂导线的个数；

为单根导线单位线长的一致平均风荷载；Γ_h为导线在水平档距内的线长，计算方式为对公式

在水平档距进行曲线积分；其中，

式中，

为荷载p'与响应y_B的相关系数；

为初始条件下响应y_B的影响线；

当所述输电塔为超高输电塔时，所述目标点处导线传递给悬垂绝缘子串的竖向荷载W_v的计算公式为：W_v＝P_vΓ_l+T_vl+P_vΓ_r+T_vr；

其中，Γ_l、Γ_r分别为目标点左右两跨的计算线长；T_vl、T_vr分别为目标点左右两跨导线最低点处张力的竖向分量；当导线在跨内存在某一点的几何线形的斜率为0时：

T_vl＝0；当导线在跨内的几何线形的斜率处处不为0时：

式中，T_w为平均风状态下单根导线的水平张力，计算公式为：T_w＝σ_o4A_c；

其中，

式中，下标“3”和“4”分别表示无风状态和平均风状态；A_c为导线的受力面积；E_c为导线的弹性模量；γ_c为导线的综合比载，

γ_w为平均风压比载，

为导线单位线长的平均风荷载，计算公式为：

l_r为代表档距；β_r为代表高差角；

S323：计算悬垂绝缘子串的风振系数；

∑_C表示对计算域内的元素进行求和；Γ_c为计算域内导线的线长；

为平均风荷载；

为等效背景风压。

5.根据权利要求1所述的基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨越塔、线设计风载荷的计算方法，其特征在于：塔线体系风荷载脉动折减系数ε_c的计算步骤为：

S41：构建超高大跨越塔线体系计算模型，并得到塔线体系计算模型图；

S42：根据超高大跨越塔，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σ_ut(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σ_uc(H)的计算公式；

所述塔高H处建立杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值σ_ut(H)与杆塔风振系数β(H)的关系式为：

其中，ω₀为基本风压；μ_z(H)为风压随超高大跨越塔高度变化系数；μ_s(H)为杆塔随高度阻力系数；b_s(H)随高度变化的迎风面宽度；g_s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σ_uc(H)的计算公式为：

其中，N_p为导线的相数；μ_sc为导线阻力系数；N_c为分裂导线的个数；D_c为子导线/地线的计算外径；L_p为水平档距；H为塔高高度；E_t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；

其中，所述

为由杆塔平均风荷载引起的杆塔响应；

为由导线平均风荷载引起的杆塔响应；

为塔线体系平均风荷载引起的杆塔响应σ_r为塔线体系下杆塔响应的标准差；σ_rt为由杆塔脉动风荷载引起的塔体均方根响应；σ_rc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：

表示杆塔荷载引起的峰值响应，

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：

σ_uc表示导线荷载引起塔顶位移的均方根值；σ_ut(H)为随高度变化的杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值；

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；

其中，

6.根据权利要求1所述的基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨越塔、线设计风载荷的计算方法，其特征在于：

所述塔线体系超高大跨越塔的修正风振系数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：

7.根据权利要求1所述的基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨越塔、线设计风载荷的计算方法，其特征在于：在等效振动有效荷载作用下计算得到的超高大跨越塔的塔线体系中超高大跨越塔设计风荷载f_ESWL(z)与所述塔线体系超高大跨越塔的修正风振系数β^*(z)的关系式存在：

所述超高大跨越塔的塔线体系中超高大跨越塔设计风荷载f_ESWL(z)与所述塔线体系超高大跨越塔的修正风振系数β^*(z)的关系式为：

其中，ξ₁＝ξ_e；

m(z)＝m(0)μ_m(z)；

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

中，n＝n₁时的取值，n₁为输电塔的1阶模态频率；

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。

8.根据权利要求1所述的基于有效荷载法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的超高大跨越塔、线设计风载荷的计算方法，其特征在于：基于塔线分离法计算输电线设计风荷载W_X的计算公式为：

其中，β＝α'β_c，α'为取值小于1的风压不均匀系数；μ_sc为导线阻力系数；β_c为风荷载调整系数，计算风偏角时取1；D_c为子导线/地线的计算外径；L_p为杆塔的水平档距；B_l为覆冰时风荷载的增大系数；ω₀为基本风压；μ_z为风压随高度变化系数；N_c为分裂导线的个数；θ为风向角。

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