CN104573352A - 一种覆冰输电杆塔的风载荷计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种覆冰输电杆塔的风载荷计算方法，运用计算流体动力学方法，计算覆冰输电杆塔在不同覆冰厚度时的风载荷升力系数、阻力系数和扭矩系数，然后乘以空气密度、风速和输电杆塔承受风压的投影面积计算值，得到输电杆塔承受的分布风载荷。按照本发明，可以考虑不同覆冰厚度的风载荷的计算，杆塔分段可以更细致，计算结果更接近实际应用工况，提高输电杆塔的安全性。

Description

一种覆冰输电杆塔的风载荷计算方法

技术领域

本发明属于输电线路中杆塔的设计及其结构分析领域，更具体地，涉及一种覆冰输电杆塔的风载荷计算方法。

背景技术

作用在输电杆塔上的载荷按性质可分为永久载荷、可变载荷。其中可变载荷包括风载荷、塔身上的覆冰载荷、电线和绝缘子上的覆冰载荷等，这些载荷计算正确与否，将影响输电杆塔设计的强度、稳定性，进而影响到输电线路的安全运行。

目前在国家标准《110kV～750kV架空输电线路设计规范》GB 50545－2010中给出的杆塔风载荷标准值计算方法是先求出基准高度为10m时的基准风压标准值与输电杆塔承受风压的投影面积计算值的乘积，然后通过风压高度变化系数、输电杆塔的体型系数、杆塔风载荷调整系数和覆冰时风载荷增大系数等一系列系数进行调节得到输电杆塔承受的风载荷，上述这些系数按一定条件查规范中相应的表格获得相应数值，其中覆冰时风载荷增大系数，5mm冰区取1.1，10mm冰区取1.2。

在上述的计算方式中，并没有考虑输电杆塔上不同的覆冰形状对风载荷的影响，只是粗略地按照两种覆冰厚度分别乘系数；也没有给出其他覆冰厚度时风载荷增大系数的相应值。因此，在此种情况下计算得到的作用在覆冰输电杆塔塔身上的风载荷与实际情况差别比较大，据此设计的杆塔可能存在安全隐患。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种覆冰输电杆塔的风载荷计算方法，其目的在于提供一种与实际情况中的风载荷更为吻合的算法来减小风载荷计算的误差，由此解决杆塔设计可能存在安全隐患的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种覆冰输电杆塔杆件的风载荷计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(a)通过计算流体动力学方法，数值模拟得到覆冰输电杆塔杆件上的升力系数C_L(α)、阻力系数C_D(α)和扭矩系数C_M(α)，其中α为覆冰风攻角；

(b)由下述公式(1)求出输电杆塔杆件上的气动升力F_L、气动阻力F_D和气动扭矩M，即获得了输电杆塔杆件上的风载荷的三个分量；

$\begin{array}{c}{F}_L=\frac{\mathrm{\ρ}{U}^{2}D{C}_L\left(\mathrm{\α}\right)}{2}\\ F_D=\frac{\mathrm{\ρ}{U}^{2}D{C}_D\left(\mathrm{\α}\right)}{2}\\ M=\frac{\mathrm{\ρ}{U}^2{D}^2{C}_M\left(\mathrm{\α}\right)}{2}\end{array}---\left(1\right)$

其中ρ、U、D分别为空气密度、风速和输电杆塔杆件横截面上的迎风宽度。

进一步地，该计算方法可应用于角钢或扁钢型输电杆塔杆件的风载荷的计算。

本发明还提出了一种覆冰输电杆塔杆端节点的风载荷的计算方法，其特征在于，利用如权利要求1或2中的计算方法算出杆塔杆件的风载荷矢量，将所述杆塔杆件的风载荷在杆件端部的两个节点上均分，均分后其中一个节点上对应于该杆件的风载荷矢量按照公式(2)来进行计算：

$\begin{array}{c}{F}_L^{\mathrm{node}}=\frac{F_L\mathrm{lD}}{2}\\ F_D^{\mathrm{node}}=\frac{F_D\mathrm{lD}}{2}\\ M^{\mathrm{node}}=\frac{\mathrm{MlD}}{2}\end{array}---\left(2\right)$

其中分别为杆塔杆件端部节点上的气动升力、气动阻力和气动扭矩，l为杆件长度，D为杆件横截面上的迎风宽度。将构成同一节点的所有杆件上作用的这部分风载荷矢量叠加即可得到该节点上的风载荷。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于将风载荷按载荷方向分解为气动升力、气动阻力和气动扭矩三个方向的分量，并考虑不同覆冰形状、覆冰厚度的影响，能够获得更接近真实工况的输电杆塔风载荷的计算方法，提高输电杆塔的安全性。

附图说明

图1是按照覆冰圆形截面杆件风载荷及风攻角示意图；

图2是按照本发明实现的在风速20m/s、厚度15mm新月形覆冰工况下不同风攻角下圆形截面杆件气动力系数的试验曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的主要思路是：运用CFD(计算流体动力学)方法，计算覆冰输电杆塔在不同覆冰厚度时的风载荷阻力系数，然后乘以空气密度、风速和输电杆塔承受风压的投影面积计算值，得到输电杆塔承受的分布载荷。为方便起见，可将输电杆塔杆件承受的风载荷，折算成集中力作用在同一杆件的两端节点上。将输电杆塔上各个节点上相应的风载荷分量叠加起来，就得到杆塔各节点上作用的风载荷。

按照本发明的覆冰输电杆塔风载荷计算方法，根据输电杆塔的实际参数计算，不用粗略的系数调节，可以考虑不同覆冰厚度情形，杆塔分段也可以更细致，计算结果更接近实际工况。

在本实施例中采用覆冰圆形钢管输电杆塔，实际上本发明同样适用于其他类型横截面的输电杆塔，如角钢、扁钢等覆冰后的风载荷计算。

风洞实验表明，风载荷随风攻角α而变，可表示为如下形式：

$\begin{array}{c}{F}_L=\frac{\mathrm{\ρ}{U}^{2}D{C}_L\left(\mathrm{\α}\right)}{2}\\ F_D=\frac{\mathrm{\ρ}{U}^{2}D{C}_D\left(\mathrm{\α}\right)}{2}\\ M=\frac{\mathrm{\ρ}{U}^2{D}^2{C}_M\left(\mathrm{\α}\right)}{2}\end{array}---\left(1\right)$

其中F_L、F_D和M分别为覆冰输电杆塔杆件上的风载荷的气动升力、气动阻力和气动扭矩，α为覆冰风攻角，即覆冰杆件横截面上长轴与风速的夹角，ρ、U、D分别为空气密度、风速和杆件的横截面上的迎风宽度。C_L(α)、C_D(α)、C_M(α)分别为升力系数、阻力系数和扭矩系数，通过计算流体动力学(CFD)数值模拟得到。

如图1所示，阴影的部分为覆冰，对于覆冰输电杆塔的杆件来说，风载荷气动升力的方向垂直于来风的方向；气动扭矩绕与来风方向垂直的轴转动，气动阻力方向与来风方向一致。

如图2所示是按照本发明中方法模拟得到的C_L(α)、C_D(α)、C_M(α)这三项系数与风攻角度的关系。风洞实验和CFD数值模拟结果都表明，除了极窄的攻角范围内气动升力系数大于气动阻力系数之外，一般气动升力系数都小于气动阻力系数；除了个别攻角处气动扭矩系数略低于气动阻力系数之外，一般气动扭矩系数都明显小于气动阻力系数。

按照本发明的公式(1)，可以同时计算这三种风载荷的分量。

图1和图2中，来风方向与输电杆塔杆件的纵轴方向垂直，有很多情形下来风方向与杆件纵轴的夹角不是90度，这时可以将风速矢量正交分解成两个分量，分别与输电杆塔纵轴垂直和平行。与纵轴平行的风产生的风载荷很小，可以忽略。

CFD数值模拟得到的风载荷系数后，按公式(1)计算风载荷，显然风载荷是作用在输电杆塔上的分布力，为了方便计算，可以折算成作用在输电杆塔各个杆件两端节点上的集中力。假设覆冰在同一杆件上是均匀的，按照载荷大小、方向不变原则，将总的风载荷在杆件端部的两个节点上均分，其中一个节点上的风载荷集中力计算方法如公式(2)：

$\begin{array}{c}{F}_L^{\mathrm{node}}=\frac{F_L\mathrm{lD}}{2}\\ F_D^{\mathrm{node}}=\frac{F_D\mathrm{lD}}{2}\\ M^{\mathrm{node}}=\frac{\mathrm{MlD}}{2}\end{array}---\left(2\right)$

上式中分别为杆件端部节点上的气动升力、气动阻力和气动扭矩，l为杆件长度，D为杆件横截面上的迎风宽度。杆塔上绝大多数节点与多根杆件相连，这些节点上作用的风载荷集中力是多根杆件上的部分风载荷的矢量叠加。这种处理方式与桁架计算时将分布力转换为节点力是一致的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种覆冰输电杆塔的风载荷计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(a)通过计算流体动力学方法，数值模拟得到覆冰输电杆塔杆件上的升力系数C_L(α)、阻力系数C_D(α)和扭矩系数C_M(α)，其中α为覆冰风攻角；

(b)由下述公式(1)求出输电杆塔杆件上的气动升力F_L、气动阻力F_D和气动扭矩M，即获得了输电杆塔杆件上的风载荷的三个分量；

$\begin{array}{c}{F}_L=\frac{\mathrm{\ρ}{U}^2{\mathrm{DC}}_L\left(\mathrm{\α}\right)}{2}\\ F_D=\frac{\mathrm{\ρ}{U}^2{\mathrm{DC}}_D\left(\mathrm{\α}\right)}{2}\\ M=\frac{{\mathrm{\ρU}}^2{D}^2{C}_M\left(\mathrm{\α}\right)}{2}\end{array}---\left(1\right)$

其中ρ、U、D分别为空气密度、风速和输电杆塔杆件横截面上的迎风宽度。

2.如权利要求1所述的覆冰输电杆塔杆件的风载荷计算方法，其特征在于，该计算方法可应用于角钢或扁钢等输电杆塔杆件的风载荷的计算。

3.一种覆冰输电杆塔杆端节点的风载荷的计算方法，其特征在于，利用如权利要求1或2中的计算方法算出杆塔杆件的风载荷矢量，将所述杆塔杆件的风载荷在杆件端部的两个节点上均分，均分后其中一个节点上对应于该杆件的风载荷矢量按照公式(2)来进行计算：

$\begin{array}{c}{F}_L^{\mathrm{node}}=\frac{F_L\mathrm{lD}}{2}\\ f_D^{\mathrm{node}}=\frac{F_D\mathrm{lD}}{2}\\ M^{\mathrm{node}}=\frac{\mathrm{MlD}}{2}\end{array}---\left(2\right)$

其中M^node分别为杆塔杆件端部节点上的气动升力、气动阻力和气动扭矩，l为杆件长度，D为杆件横截面上的迎风宽度。将构成同一节点的所有杆件上作用的这部分风载荷矢量叠加即可得到该节点上的风载荷。