CN101692566A - 一种输电线路高塔风振控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种输电线路高塔风振控制方法，该方法属于同时控制输电铁塔弯曲和扭转风振的新方法，采用粘弹性阻尼器并联安装于铁塔主材外侧控制弯曲振动，不同于以往的安装于钢管内部，而且不局限于钢管塔，对角钢塔也同样适用；采用调谐质量阻尼器TMD安装于铁塔的塔头或横担位置控制扭转振动，不同于以往的用于控制弯曲振动。该方法能同时控制输电杆塔的弯曲和扭转振动，控制效果好；安装、维护方便，成本低；对钢管塔、角钢塔均适用；阻尼器的弹性参数和阻尼参数可调；对杆塔结构本身的受力性能无不良影响。

Description

一种输电线路高塔风振控制方法

技术领域

本发明涉及输电技术领域，尤其涉及一种输电线路高塔风振控制方法。

背景技术

架空输电线路铁塔的风振包括整塔的顺风向振动和局部钢管杆件的横风向振动两类。本发明涉及输电铁塔的顺风向风振控制方法，主要适用于80米及以上高度的铁塔，其他高度的风振严重的输电杆塔或通讯塔等高耸塔架结构也可参考，属于结构振动被动控制范畴。

输电杆塔属高耸结构，其风振不可避免。随着我国特高压电网的建设，同塔多回线路、紧凑型线路、大截面导线等输电新技术的推广应用，输电杆塔大荷载、大型化的趋势愈发明显。特高压、大跨越以及一些同塔多回线路的铁塔，由于结构高大，风振效应更为显著。对于顺风向整体振动，杆塔结构设计中通过风荷载调整系数(风振系数)加以考虑，将风振动力荷载转化为静力荷载，加强结构以提高杆塔的抗风能力。这种方法并不能完全抑制结构的振动，人为过大地增大结构刚度，会增加塔重和工程造价。

近年来，国内外学者对输电杆塔附加耗能或吸振器件的被动振动控制开展了一些研究，采用的控制器件主要有调谐质量阻尼器TMD、粘弹性阻尼器、摩擦阻尼器等。国内的研究主要针对大跨越杆塔进行。1000kV特高压试验示范工程汉江大跨越钢管塔采用了粘弹性铅芯阻尼器安装于钢管杆件内部的风振控制方法。目前的研究和应用，主要用于铁塔顺风向的弯曲振动的控制，并且大多只适用于钢管塔。

随着铁塔结构的大型化，铁塔横担的尺寸也明显变大，如特高压杆塔的横担宽度达到40米以上。铁塔横担的抗扭能力一般较弱，由于风荷载作用引起的两端导线的不平衡张力容易使其发生扭转破坏，需要采取一定的措施减弱横担的扭转振动。

粘弹性阻尼器对弯曲模态具有良好的控制效果，控制成本适中，但对扭转模态的模态阻尼比贡献很小，难以同时满足风振控制与断线冲击扭转效应控制的要求。调谐质量阻尼器TMD减振方法对扭转振动具有很好的控制效果，且成本低，但需要控制弯曲振型的TMD质量块质量过大，控制效果对调谐频率偏差较为敏感，甚至有可能放大调谐模态之外的模态响应。采用粘弹性阻尼器控制弯曲模态、调谐质量阻尼器TMD控制扭转模态的组合控制方法，能够发挥两种阻尼器各自的优势，并可以同时控制杆塔的弯曲和扭转振动。

发明内容

本发明提供了一种能同时控制输电铁塔弯曲和扭转风振的新方法。调谐质量阻尼器TMD减振方法对扭转振动具有很好的控制效果，控制效果对调谐频率偏差较为敏感，甚至有可能放大调谐模态之外的模态响应；粘弹性阻尼器对弯曲模态具有良好的控制效果，但对扭转模态的模态阻尼比贡献很小，难以同时满足风振控制与断线冲击扭转效应控制的要求；本发明提出了采用控制弯曲模态的粘弹性阻尼器和控制扭转模态的调谐质量阻尼器TMD的组合高塔风振控制方法。采用粘弹性阻尼器并联安装于铁塔主材外侧控制弯曲振动，不同于以往的安装于钢管内部，而且不局限于钢管塔，对角钢塔也同样适用；采用调谐质量阻尼器TMD安装于铁塔的塔头或横担位置控制扭转振动，不同于以往的用于控制弯曲振动。

这一新型控制方法，综合考虑了不同控制器件的性能、费用、安装、维护，以及器件对结构承载性能的影响等因素，具有控制效果好、易于安装维护、成本低等特点。

附图1为铁塔弯曲和扭转风振控制的方法示意图。粘弹性阻尼器控制部分包括平行并联于钢管主材的粘弹性阻尼器。阻尼器两端连接通过铰接形式与刚性杆件连接，刚性连接件两端固接于主材。两个独立的平动调谐质量阻尼器TMD系统设置在横担处，质量块M沿着导线延伸的方向运动。

控制装置参数设计计算方法：

调谐质量阻尼器TMD系统对杆塔第一、二阶弯曲模态的应变能最大部位的影响很小，组合减振方法的设计遵循先设计粘弹性阻尼器再设计调谐质量阻尼器TMD系统的思路。

粘弹性阻尼器的参数设计。

1)粘弹性阻尼器的力学模型，采用粘弹性阻尼器的等效线性模型，

$F\left(t\right)=\stackrel{\‾}{k}\left(\mathrm{\ω}\right)x\left(t\right)+\stackrel{\‾}{c}\left(\mathrm{\ω}\right)\stackrel{\·}{x}\left(t\right)---\left(1\right)$

式中x，

分别为阻尼器的位移与速度，k(ω)，c(ω)分别为阻尼器等效刚度和等效阻尼；

2)主要确定等效刚度k和等效阻尼c这两个参数，计算方法如下：

$\stackrel{\‾}{k}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{A{G}^{\′}\left(\mathrm{\ω}\right)}{h},$ $\stackrel{\‾}{c}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{A{G}^{\′\′}\left(\mathrm{\ω}\right)}{\mathrm{h\ω}}---\left(2\right)$

其中A和h分别为粘弹性层的面积与厚度，G′和G″分别为粘弹性材料的存储模量和损失模量。对粘弹性材料进行滞回性能测试试验，获得其位移-力滞回曲线，该曲线为材料的特性曲线，属公知常识，在此不再详述。根据位移-力滞回曲线可以得到

$\stackrel{\‾}{k}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{F}{x}---\left(3\right)$

$\stackrel{\‾}{c}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{G^{\′\′}A}{\mathrm{h\ω}}=\frac{\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{\π}{x}_0^2\mathrm{\ω}}---\left(4\right)$

$\mathrm{\ΔE}=\frac{\mathrm{\π}{x}_0^2{G}^{\′\′}A}{h}$ 为阻尼器一个振动周期内的耗能。

调谐质量阻尼器TMD的参数设计。

1)确定模态质量比μ，一般取为2.0％～5.0％；

2)根据式(5)～(9)计算调谐质量阻尼器TMD系统的质量m_TMD、频率f_TMD、模态阻尼比ξ_opt及所需要的弹性刚度k和阻尼系数c；

3)对由调谐质量阻尼器TMD和结构组成的系统进行数值模拟，验证当前的调谐质量阻尼器TMD参数是否满足结构响应要求，如果不满足调整模态质量比μ进行重复计算。

单个调谐质量阻尼器TMD的质量：

$m_{\mathrm{TMD}}=\frac{I_{\mathrm{TMD}}}{2\×{(L/2)}^2}---\left(5\right)$

其中，为调谐质量阻尼器TMD系统需要提供的质量矩。

调谐质量阻尼器TMD的频率和模态阻尼比分别为：

$f_{\mathrm{TMD}}=f_s\×\frac{1}{1+\mathrm{\μ}}---\left(6\right)$

${\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{opt}}=\sqrt{\frac{3\mathrm{\μ}}{8(1+\mathrm{\μ})}}---\left(7\right)$

每个调谐质量阻尼器TMD系统的轴向刚度和阻尼系数分别为：

$k={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{TMD}}^2\×m_{\mathrm{TMD}}---\left(8\right)$

c＝2×m_TMD×ω_TMD×ξ_opt

                            (9)

在最优参数配置时，质量比(调谐质量阻尼器TMD/主结构的模态质量)越大，结构的阻尼比就越大，控制效果也就越好。但过大的质量比会给调谐质量阻尼器TMD制作与安装带来困难，并可能影响输电塔本身结构的安全。一般取质量比μ为2.0％～5.0％。

其中，所述并联安装于铁塔主材外侧的粘弹性阻尼器平行并联安装于铁塔主材上，所述粘弹性阻尼器的两端通过铰接的形式与刚性杆件连接，所述刚性杆件的两端固接于铁塔主材上，两个独立的平动调谐质量阻尼器TMD系统设置在横担处，质量块M沿着导线延伸的方向运动。

本发明的有益效果是：

1、使用本发明的输电线路高塔风振控制方法能同时控制输电杆塔的弯曲和扭转振动，控制效果好；

2、安装、维护方便，成本低；

3、对钢管塔、角钢塔均适用；

4、阻尼器的弹性参数和阻尼参数可调；

5、对杆塔结构本身的受力性能无不良影响。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。为了使本发明的内容被更清楚的理解，并便于具体实施方式的描述，下面给出与本发明相关的附图说明如下：

图1是粘弹性阻尼器与调谐质量阻尼器TMD组合减振方法的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种输电线路高塔的风振控制方法，并给出控制器件主要参数的设计方法。由于实现上述方法的装置可以有多种结构形式，本发明对于装置的结构不再详述。这里所给出调谐质量阻尼器TMD的示意图，主要是为了说明其布置的方式，在本发明中不限于该种布置方式。

为了证实本发明提出方法的减振效果，以附图1的1000kV同塔双回线路钢管塔为例进行说明。

在铁塔塔腿主材外侧平行并联16个粘弹性阻尼器，每侧塔腿各4个。粘弹性阻尼器的等效刚度和等效阻尼参数分别取为10.0kN/mm和2.5kN·s/mm，这两个参数根据粘弹性材料的性能试验采用(1)-(4)式得到。阻尼器连杆为直径12.0cm的钢管，每套刚性连杆-阻尼器-刚性连杆的长度约为9.0m～12.0m，根据钢管塔的结构参数及阻尼器的受力状况计算得到。

两个调谐质量阻尼器TMD的安装位置为上横担距塔中轴线20.55m处。单套调谐质量阻尼器TMD控制元件的设计参数为：质量55.4kg，刚度系数3143.6N/m，阻尼系数71.6N·s/m。根据钢管塔的模态分析结果，其第一阶扭转模态的频率f为1.2232Hz，相应的广义质量矩Is为5151.3kg.m²，调谐质量阻尼器TMD安装位置处的模态扭转角φ为0.04694rad，采用(5)-(9)式得到。

对安装减振装置前后铁塔的模态阻尼比进行了计算。安装组合减振系统后，钢管塔的一阶横向弯曲、纵向弯曲和对称扭转振型的模态阻尼比明显提高，考虑钢管塔的结构阻尼后，一阶弯曲和对称扭转振型的模态阻尼比将超过2.0％，对风振响应控制会有显著的效果。

对安装减振装置前后铁塔的风振响应进行了计算。采用组合减振方法后，杆塔弯、扭振动能够同时得到控制，位移响应的均方根可降低20～30％左右，加速度响应的均方根可降低30～45％左右，减振效果明显。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (2)

1.一种输电线路高塔风振控制方法，其特征在于采用粘弹性阻尼器控制杆塔弯曲振动，采用调谐质量阻尼器TMD控制杆塔扭转振动，所述粘弹性阻尼器(1-8)并联安装于铁塔主材的外侧，所述调谐质量阻尼器TMD安装于铁塔的塔头和/或横担位置，采用先设计粘弹性阻尼器再设计调谐质量阻尼器TMD系统的步骤进行设计：

(1)粘弹性阻尼器的参数设计：

1)粘弹性阻尼器的力学模型，采用粘弹性阻尼器的等效线性模型：

$F\left(t\right)=\stackrel{\‾}{k}\left(\mathrm{\ω}\right)x\left(t\right)+\stackrel{\‾}{c}\mathrm{\ω}\stackrel{\·}{x}\left(t\right)---\left(1\right)$

式中

分别为阻尼器的位移与速度，k(ω)，c(ω)分别为阻尼器等效刚度和等效阻尼；

2)确定等效刚度k和等效阻尼c这两个参数，计算方法如下：

$\stackrel{\‾}{k}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{{\mathrm{AG}}^{\′}\left(\mathrm{\ω}\right)}{h},$ $\stackrel{\‾}{c}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{{\mathrm{AG}}^{\′\′}\left(\mathrm{\ω}\right)}{\mathrm{h\ω}}---\left(2\right)$

其中A和h分别为粘弹性层的面积与厚度，G′和G″分别为粘弹性材料的存储模量和损模量，根据粘弹性材料的位移-力滞回曲线，得到：

$\stackrel{\‾}{k}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{F}{x}---\left(3\right)$

$\stackrel{\‾}{c}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{G^{\′\′}A}{\mathrm{h\ω}}=\frac{\mathrm{\ΔE}}{{\mathrm{\πx}}_0^2\mathrm{\ω}}---\left(4\right)$

其中

为阻尼器一个振动周期内的耗能；

(2)调谐质量阻尼器TMD的参数设计：

1)确定模态质量比μ，一般取为2.0％～5.0％；

2)根据式(5)～(9)计算调谐质量阻尼器TMD系统的质量m_TMD、频率f_TMD、模态阻尼比ξ_opt及所需要的弹性刚度k和阻尼系数c；

3)对由调谐质量阻尼器TMD和结构组成的系统进行数值模拟，验证当前的调谐质量阻尼器TMD参数是否满足结构响应要求，如果不满足调整模态质量比μ则进行重复计算，单个调谐质量阻尼器TMD的质量：

$m_{\mathrm{TMD}}=\frac{I_{\mathrm{TMD}}}{2\×{(L/2)}^2}---\left(5\right)$

其中，

为调谐质量阻尼器TMD系统需要提供的质量矩。

调谐质量阻尼器TMD的频率和模态阻尼比分别为：

$f_{\mathrm{TMD}}=f_s\×\frac{1}{1+\mathrm{\μ}}---\left(6\right)$

${\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{opt}}=\sqrt{\frac{3\mathrm{\μ}}{8(1+\mathrm{\μ})}}---\left(7\right)$

每个调谐质量阻尼器TMD系统的轴向刚度和阻尼系数分别为：

$k={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{TMD}}^2\×m_{\mathrm{TMD}}---\left(8\right)$

$c=2\×m_{\mathrm{TMD}}\×{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{TMD}}\×{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{opt}}---\left(9\right).$

2.如权利要求1所述的输电线路高塔风振控制方法，其特征在于所述并联安装于铁塔主材外侧的粘弹性阻尼器平行并联安装于铁塔主材上，所述粘弹性阻尼器的两端通过铰接的形式与刚性杆件连接，所述刚性杆件的两端固接于铁塔主材上，两个独立的平动调谐质量阻尼器TMD系统设置在横担处，质量块M沿着导线延伸的方向运动。

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