CN104265052A - 一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，所述防振锤包括锤头和钢绞线；所述方法包括以下步骤：确定钢管构件一阶固有振动频率；确定防振锤的一阶自振频率；匹配所述振动频率和自振频率；将所述防振锤设置在所述钢管构件上。所述方法对钢管构件涡激风振的控制效果显著。防振锤的选型计算简单，在现有塔架结构上安装实施简便，能够提高结构的安全性和经济性。

Description

一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法

技术领域：

本发明涉及一种防振锤控制方法，更具体涉及一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法。

背景技术：

圆柱体的横向绕流会在柱体后产生旋涡，旋涡的运动特性由圆柱体在风流中的雷诺数Re决定。当40≤Re<3×10⁵处于亚临界范围时，在柱体后生成两列交替错开、旋向相反、间距保持不变、周期性脱落的旋涡。旋涡脱落产生的脱落风力，会使得柱体产生横风向运动。当旋涡脱落主导频率与柱体的某阶固有频率比较接近时，发生涡激共振。涡激振动具有频率锁定的特性，增加了共振发生的几率。

在输变电工程中，架空输电线路的导线、钢管塔的一些较大长细比构件以及变电构架的一些圆截面钢管构件，在合适的风速和风向条件下，都较容易发生这种涡激风振。圆截面钢管杆件在15m/s风速下的雷诺数为3×10⁵。通常情况下，运行工况风速要小于15m/s，这使得很多钢管构件在风场中的雷诺数要小于3×10⁵，因此容易在风速较小的情况下发生涡激振动。

长期的涡激振动会导致导线或钢管构件疲劳破坏，影响输电的安全性。为了抑制这种振动，在导线上一般加装防振锤，防振锤的类型和数量根据线路参数来计算选取。输电线路钢管塔一般采用限制钢管构件一阶起振临界风速不低于8m/s的方法，实质上是将钢管构件的长细比控制在一定范围内，减少大长细比构件的应用。变电构架对此类振动的抑制目前没有采取专门的措施，发生振动破坏的事件较多。

钢管塔架结构采取控制起振临界风速或长细比的方法，需要在结构设计时选取长细比较小也就是短而粗的构件，这在一定程度上增加了结构的重量，经济性不佳。如果在结构设计时仍选取较大的长细比，同时通过加装附加减振装置来减小这种涡激风振，由于减振装置的重量轻、价格便宜，这种技术方案会显著提高工程的经济性。

发明内容：

本发明的目的是提供一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，该方法对钢管构件涡激风振的控制效果显著，能够提高塔架结构的安全性和经济性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，所述防振锤包括锤头和钢绞线；所述方法包括以下步骤：

(1)确定钢管构件一阶固有振动频率；

(2)确定防振锤的一阶自振频率；

(3)匹配所述振动频率和自振频率；

(4)将所述防振锤设置在所述钢管构件上。

本发明提供的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，所述步骤(1)中的固有自振频率通过所述钢管构件的管径、长度和其端部支撑方式确定。

本发明提供的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，所述固有自振频率通过下式(1)确定：

$p_1=1811\frac{{{\mathrm{\&lambda;}}_1}^2}{L^2}\&CenterDot;D---\left(1\right)$

其中，D表示钢管构件的外径，L表示构件的长度；常数λ₁为自振频率参数。

本发明提供的另一优选的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，所述常数λ₁根据所述钢管构件的端部约束条件确定；所述端部约束条件包括两端铰接、两端固接和一端固接一端铰接；

所述端部约束条件对应的所述塔架的节点构造分别为：

两端铰接：插板连接弱轴方向；

两端固接：插板连接强轴方向、+型插板连接和相贯焊接；

一端固接一端铰接：法兰连接。

本发明提供的再一优选的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，所述步骤(2)中的自振频率通过下式确定：

${\mathrm{\&omega;}}_1=\sqrt{\frac{420E_m{J}_m}{33{\mathrm{\&rho;}}_m{l}^4+140{\mathrm{Ml}}^3}}---\left(2\right)$

其中，E_m表示钢绞线的杨氏模量，J_m表示钢绞线截面惯性矩；ρ_m表示钢绞线单位长度质量，l表示钢绞线单位长度，M为锤头的质量。

本发明提供的又一优选的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，所述钢绞线弹性模数E_m＝2×10¹¹N/m²。

本发明提供的又一优选的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，所述步骤(3)在所述锤头的质量和钢绞线的型号确定的情况下，通过确定所述钢绞线的长度进行匹配。

本发明提供的又一优选的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，所述钢绞线的长度通过下式确定：

$\sqrt{\frac{420E_m{J}_m}{33{\mathrm{\&rho;}}_m{l}^4+140{\mathrm{Ml}}^3}}=1811\frac{{{\mathrm{\&lambda;}}_1}^2}{L^2}\&CenterDot;D---\left(3\right).$

本发明提供的又一优选的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，根据导线微风振动用防振锤系列，选取所述式(3)中的集中质量M、钢绞线的股数、其单股直径d、单位长度质量ρ_m，并确定钢绞线的长度l，从而设计出钢管构件涡激风振控制用的防振锤。

本发明提供的又一优选的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，所述步骤(4)中的防振锤通过抱箍的方式套接在所述钢管构件上或直接焊接在所述钢管构件的下方。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明对钢管构件涡激风振的控制效果显著；

2、本发明的防振锤的设计计算简单，在现有塔架结构上安装实施简便；

3、本发明能够提高塔架结构的安全性和经济性；

4、本发明延长导线或钢管构件的寿命；

5、本发明为输电安全和有效性提供了保证。

附图说明

图1为本发明的防振锤受力分析图；

图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1-2所示，本例的发明一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，所述防振锤包括锤头和钢绞线；所述方法包括以下步骤：

(1)确定钢管构件一阶固有振动频率；

(2)确定防振锤的一阶自振频率；

(3)匹配所述振动频率和自振频率；

(4)将所述防振锤设置在所述钢管构件上。

根据钢管构件的管径、长度以及端部支撑方式，计算其一阶固有振动频率。

钢管构件的一阶固有振动圆频率p₁的计算式为：

$p_1=1811\frac{{{\mathrm{\&lambda;}}_1}^2}{L^2}\&CenterDot;D---\left(1\right)$

式中：D表示钢管构件的外径，L表示构件的长度；常数λ₁为自振频率参数，根据端部约束条件选取，对于两端固接取4.730，一端固接一端铰接取3.927，两端铰接取3.142。三种端部约束对应的节点构造分别为：

两端铰接：插板连接弱轴方向；

两端固接：插板连接强轴方向、+型插板连接、相贯焊接；

一端固接一端铰接：法兰连接。

进行防振锤一阶自振频率的计算

安装在钢管上的防振锤会随着钢管一起发生横向振动。为分析其力学特性，对于结构对称的防振锤，可以取其中的一半作为隔离体来分析其振动。受力分析图见图1。

防振锤的一阶自振频率ω₁的计算式为：

${\mathrm{\&omega;}}_1=\sqrt{\frac{420E_m{J}_m}{33{\mathrm{\&rho;}}_m{l}^4+140{\mathrm{Ml}}^3}}---\left(2\right)$

式中，E_m表示钢绞线的杨氏模量，J_m表示钢绞线截面惯性矩；ρ_m表示钢绞线单位长度质量，l表示钢绞线单位长度。钢绞线相关参数的计算方法如下：

钢绞线弹性模数E_m＝2×10¹¹(N/m²)；

对于常用的19股钢绞线，其惯性矩为

式中：d—单股直径，m。

(3)使防振锤的自振频率与钢管构件的振动频率相匹配。在锤头质量和钢绞线型号确定的情况下，主要对钢绞线的长度进行计算。

令 $\sqrt{\frac{420E_m{J}_m}{33{\mathrm{\&rho;}}_m{l}^4+140{\mathrm{Ml}}^3}}=1811\frac{{{\mathrm{\&lambda;}}_1}^2}{L^2}\&CenterDot;D---\left(3\right).$

根据现有的导线微风振动用防振锤系列，选取集中质量M和钢绞线的股数、单股直径d、单位长度质量ρ_m后，利用上式计算即可确定钢绞线的长度l，从而设计出钢管构件涡激风振控制用的防振锤。

(4)防振锤可采用抱箍的形式套接于钢管构件上，或直接焊接于构件下方。

表1 为钢管构件涡激风振控制效果对比

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，所述防振锤包括锤头和钢绞线；其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)确定钢管构件一阶固有振动频率；

(2)确定防振锤的一阶自振频率；

(3)匹配所述振动频率和自振频率；

(4)将所述防振锤设置在所述钢管构件上。

2.如权利要求1所述的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中的固有自振频率通过所述钢管构件的管径、长度和其端部支撑方式确定。

3.如权利要求2所述的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，其特征在于：所述固有自振频率通过下式(1)确定：

$p_1=1811\frac{{{\mathrm{\&lambda;}}_1}^2}{L^2}\&CenterDot;D---\left(1\right)$

其中，D表示钢管构件的外径，L表示构件的长度；常数λ₁为自振频率参数。

4.如权利要求3所述的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，其特征在于：所述常数λ₁根据所述钢管构件的端部约束条件确定；所述端部约束条件包括两端铰接、两端固接和一端固接一端铰接；

所述端部约束条件对应的所述塔架的节点构造分别为：

两端铰接：插板连接弱轴方向；

两端固接：插板连接强轴方向、+型插板连接和相贯焊接；

一端固接一端铰接：法兰连接。

5.如权利要求1所述的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中的自振频率通过下式确定：

${\mathrm{\&omega;}}_1=\sqrt{\frac{{420E}_m{J}_m}{{33\mathrm{\&rho;}}_m{l}^4+{140\mathrm{Ml}}^3}}---\left(2\right)$

其中，E_m表示钢绞线的杨氏模量，J_m表示钢绞线截面惯性矩；ρ_m表示钢绞线单位长度质量，l表示钢绞线单位长度，M为锤头的质量。

6.如权利要求5所述的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，其特征在于：所述钢绞线弹性模数E_m＝2×10¹¹N/m²。

7.如权利要求6所述的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，其特征在于：所述步骤(3)在所述锤头的质量和钢绞线的型号确定的情况下，通过确定所述钢绞线的长度进行匹配。

8.如权利要求7所述的一种电力塔架结构钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，其特征在于：所述钢绞线的长度通过下式确定：

$\sqrt{\frac{{420E}_m{J}_m}{{33\mathrm{\&rho;}}_m{l}^4+{140\mathrm{Ml}}^3}}=1811\frac{{{\mathrm{\&lambda;}}_1}^2}{L^2}\&CenterDot;D---\left(3\right).$

9.如权利要求8所述的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，其特征在于：根据导线微风振动用防振锤系列，选取所述式(3)中的集中质量M、钢绞线的股数、其单股直径d、单位长度质量ρ_m，并确定钢绞线的长度l，从而设计出钢管构件涡激风振控制用的防振锤。

10.如权利要求1所述的一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中的防振锤通过抱箍的方式套接在所述钢管构件上或直接焊接在所述钢管构件的下方。