CN108563870B - 钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法，它包括步骤(1)：确定钢管塔的微风振动杆件；步骤(2)：计算微风振动杆件的共振力；步骤(3)：确定微风振动杆件的弯曲应力和焊接部位应力；步骤(4)：确定微风振动杆件的非焊接部位疲劳应力幅和焊接部位疲劳应力幅；和步骤(5)：确定微风振动杆件的疲劳寿命。本发明所述方法可靠合理，计算结果精确，并能对其进行安全性评估，可确保输电线路安全、经济、合理。

Description

钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法
技术领域
本发明涉及输电铁塔技术领域，特别是涉及钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法。
背景技术
特高压输电线路的建设以及同塔多回和大跨越线路的增多，使得杆塔承受大荷载，结构大型化。这种情况下杆塔采用角钢结构需要使用组合构件，塔重增加较多，塔身风荷载加大，结构承载力的提高受到限制，因而近年来不断采用以圆截面钢管为主要构件的格构式钢管塔来代替角钢塔。圆截面钢管构件的空气动力性能好，风压体型系数仅为角钢的1/2左右；截面中心对称，受力各向同性；材料均匀分布在周边，截面抗弯刚度大。输电杆塔采用钢管构件，不但可以减小塔身风载荷，提升承载力，还能充分均衡地发挥材料的性能，减小杆件长度，提高结构的稳定性，特别是对于结构几何尺寸较大、杆件较长的大型杆塔，这种优越性更为明显。
但钢管塔某些长细比较大的特别是趋于水平布置的构件在较低风速下容易发生垂直于风向的振动，即所谓的微风振动。微风振动的主要机理如下：圆柱体的横向扰流会在主体后产生漩涡，漩涡的运动特性由圆柱体在风流中的雷诺数决定。当杆件的雷诺数40<Re<3x105时，杆件处于亚临界范围内，尾流中上面的气流向下挤，形成下窝，下面的气流向上挤，形成上窝，二者交替出现，又交替从柱体上脱落，以略低于周围流体的速度向下移动。在柱体后面形成两列交替错开、旋向相反、间距保持不变、周期性脱落的漩涡，学术上称为卡门窝街，漩涡脱落产生的脱落风力，会使得柱体产生横向风运动。当漩涡脱落的主导频率与圆柱体的某阶固有频率比较接近时，就会发生涡激共振。由于线路长期处于风速较低的环境，这种持续反复的振动可能造成杆塔连接螺栓松动和构件疲劳破坏。
目前，国内外学者在钢管塔杆件微风振动研究方面取得了一定成果，但关于其疲劳寿命预测的研究开展较少，尤其是钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法还未曾涉及。在目前的钢管塔杆件微风振动研究中，研究者在雷诺数的取值上通常选取的是其亚临界范围上限值(3×105)，由此展开的计算和安全评估都是不够精确的，在工程的实际应用中偏于不安全。
发明内容
本发明的目的就是克服上述现有技术的不足，提供一种钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法，该计算方法具有重要的理论和实际应用价值，采用该计算方法可以精确预测钢管塔杆件微风振动疲劳寿命，并能对其进行安全性评估，可确保输电线路安全、经济、合理。
为实现上述目的，本发明所述的钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法包括以下步骤，
步骤(1)：确定钢管塔的微风振动杆件；
步骤(2)：计算微风振动杆件的共振力；
步骤(3)：确定微风振动杆件的弯曲应力和焊接部位应力；
步骤(4)：确定微风振动杆件的非焊接部位疲劳应力幅和焊接部位疲劳应力幅；
步骤(5)：确定微风振动杆件的疲劳寿命。
进一步地，所述微风振动杆件为长细比大于等于100且小于等于160的杆件。
进一步地，当微风振动杆件的振动阶次为一阶且其连接方式为两端固接时，则共振力根据公式(2a)计算得到
Pd1＝5×1011d2λ-3CLs 公式(2a)；
当微风振动杆件的振动阶次为一阶且其连接方式为两端铰接时，则共振力根据公式(2b)计算得到
Pd1＝1.16×1011d2λ-3CLs 公式(2b)；
当微风振动杆件的振动阶次为一阶且其连接方式为两端铰接时，则共振力根据公式(2c)计算得到
Pd1＝1.11×1010d2λ-3CLs 公式(2c)；
其中，d表示外径，λ表示长细比，CLs表示升力系数。
进一步地，所述升力系数根据微风振动杆件的实际雷诺数得到。
进一步地，所述计算方法还包括对微风振动杆件在设计使用寿命内的安全性进行评估。
本发明的有益效果：
1、本发明可为输电铁塔设计提供参考，为今后输电线路工程特别是钢管塔设计提供理论依据和技术指导。
2、现有技术中，输电线路工程钢管塔的寿命设计一般只考虑强度影响，然而在某些微风振动疲劳破坏较为明显的工程中，设计人员必须充分考虑钢管塔杆件微风振动疲劳寿命。由于现有技术中还未涉及到相关计算，因此本发明能很好的补充输电线路钢管塔的寿命设计。
3、本发明方法简便易行，并能同时考虑不同使用寿命期限和不同地区的情况，具有广泛推广价值。
4、本发明根据杆件实际起振时的雷诺数计算疲劳应力幅值，可以预测不同使用寿命期的疲劳破坏情况，弥补了之前研究的不足，为易微风振动地区输电线路的安全、经济、设计合理性提供了保障。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为实施例1中钢管塔微风振动杆件的正视图；
图3为图2中的1-1剖面图；
图4为图2中的2-2剖面图；
图5为实施例1中C型插板C2005H7的连接结构图；
图6为图5中的1-1剖面图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过和具体实施对本发明作进一步的详细描述。同时通过说明，本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
在进行钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算时，需要先收集工程地的气象资料，包括历年最大风速统计，逐时整点风速统计，各区段风速发生比例等等。
图1为本发明所述钢管塔杆件微风振动疲劳寿命计算方法的流程图，具体过程如下：
步骤(1)：确定钢管塔的微风振动杆件。
不同钢管塔杆件的长细比不一，微风振动临界起振风速也不一样，长细比越大，临界起振风速越小。通过公式(1)计算不同杆件的临界起振风速，可以确定发生微风振动的杆件的范围，
Figure BDA0001629211160000041
公式(1)中：λ表示钢管杆件的长细比，λj表示自振频率参数。
λj根据钢管杆件的振动阶次与杆端的约束条件而定，一般考虑为一阶振动，在一阶振动中，当杆件的两端固接时取4.73，相应的起振临界风速可按照公式(1a)进行计算
Vcr＝2.58×105λ-2 公式(1a)；
当杆件的两端铰接时取3.142，相应的起振临界风速可按照公式(1b)进行计算
Vcr＝1.14×105λ-2 公式(1b)；
当杆件悬臂时取1.875，相应地，起振临界风速可按照公式(1c)进行计算
Vcr＝4.05×104λ-2 公式(1c)；
当杆件的一端固接一端铰接时取3.927，相应的起振临界风速可按照公式(1d)进行计算
Vcr＝1.78×105λ-2 公式(1d)。
步骤(2)：计算微风振动杆件的共振力。
通常，易发生微风振动的钢管构件长细比较大，可视为柔性梁来研究其微风共振。雷诺数亚临界范围旋涡脱落引起的振动是确定性的周期振动。采用振型分解法，并假定阻尼线性，则第j阶振型的广义运动方程为：
Figure BDA0001629211160000051
方程右端表示作用在钢管构件上的广义的旋涡脱落力。φj(x)为第j阶振型，qj、ξj和nj分别表示其广义坐标、阻尼比和振动频率，钢结构的阻尼比一般取为0.01；Vcr表示起振临界风速，CLs为升力系数；ωs＝2πfs为旋涡脱落的圆频率；ρa为空气密度，通常取为1.25kg/m3；d为微风振动杆件的外直径，L表示杆件长度。
对于确定性振动的共振，方程的解为
Figure BDA0001629211160000061
因而有第j阶微风共振的分布风振力
Figure BDA0001629211160000062
对于一阶微风振动，有如下共振力的表达式
Figure BDA0001629211160000063
两端固接、
两端铰接和悬臂三种杆端约束对应的η1值，分别为1.32，1.27和1.57，相应地，对公式(2)沿管长积分得到共振力的合力，可表示为：
两端固接：Pd1＝5×1011d2λ-3CLs 公式(2a)
两端铰接：Pd1＝1.16×1011d2λ-3CLs 公式(2b)
悬臂：Pd1＝1.11×1010d2λ-3CLs 公式(2c)
所述升力系数CLs根据杆件的实际雷诺数进行修正(可参见《Wind Loading ofStructures结构风荷载》翻译版·原书第二版(John D.Holmes著、全涌李加武顾明译))，所述实际雷诺数根据公式Re＝6.9×104·V·d计算得到，其中，V表示实际风速，d表示钢管外直径。
步骤(3)：确定微风振动杆件的弯曲应力和焊接部位应力。
所述弯曲应力根据公式(3.1)计算得到，
Figure BDA0001629211160000064
其中，Wy表示钢管截面抵抗矩，α表示钢管内外径之比。
计算得到微风振动杆件的弯曲应力后，应首先将弯曲应力与钢管抗弯强度设计值进行比较，以此来确定微风振动会不会造成钢管杆件弯曲破坏。若微风振动会对杆件造成弯曲破坏，则要进行杆件更换，若不会造成弯曲破坏，则继续进行计算。
所述焊接部位应力根据公式(3.2)进行计算
Figure BDA0001629211160000071
其中，n为焊缝数量，l为焊缝连接长度，hf为焊脚尺寸。
步骤(4)：确定微风振动杆件的非焊接部位疲劳应力幅和焊接部位疲劳应力幅。
所述微风振动杆件的非焊接部位疲劳应力幅根据公式(4.1)计算得到
Δσ非焊＝σmax-0.7σmin 公式(4.1)；
所述微风振动杆件的焊接部位疲劳应力幅根据公式(4.2)计算得到，
Δσ焊＝σ焊max-σ焊min 公式(4.2)；
其中，
σmax表示非焊接部位应力循环中的最大拉应力(取正值)，σmin表示非焊接部位应力循环中的最小拉应力或压应力(拉应力取正值，压应力取负值)。
σ焊max表示焊接部位应力循环中的最大拉应力(取正值)，σ焊min表示焊接部位应力循环中的最小拉应力或压应力(拉应力取正值，压应力取负值)。
步骤(5)：确定微风振动杆件的疲劳寿命。
首先计算得到微风振动杆件的非焊接部位疲劳寿命和焊接部位疲劳寿命，再将两者进行比较，取数值较小者作为所述微风振动杆件的疲劳寿命。所述非焊接部位疲劳寿命和焊接部位疲劳寿命均根据公式(5)计算得到
Figure BDA0001629211160000072
其中，f为杆件一阶微风共振频率，P为微风振动锁定风速发生概率。
当Δσ为非焊接部位疲劳应力幅Δσ非焊时，C的取值为1940×1012，β为4，计算得到非焊接部位疲劳寿命N非焊；当Δσ为焊接部位疲劳应力幅Δσ焊时，C的取值为0.41×1012，β为3，计算得到焊接部位疲劳寿命N焊。
此外，本方法还可用于微风振动杆件在设计使用寿命内的安全性评估，具体地：确定微风振动杆件在设计使用寿命内的非焊接部位容许应力幅Δσ'非焊和焊接部位容许应力幅Δσ'焊，若Δσ非焊＜Δσ'非焊且Δσ焊＜Δσ'焊，则非焊接部位与焊接部位不会发生疲劳破坏，杆件安全。若Δσ非焊≥Δσ'非或Δσ焊≥Δσ'焊，则非焊接部位或焊接部位会发生疲劳破坏，杆件不安全。
所述微风振动杆件的非焊接部位容许应力幅Δσ'非焊和焊接部位容许应力幅Δσ'焊均根据公式(6)进行计算
Figure BDA0001629211160000081
其中，n为应力循环次数。通常情况下，应力循环次数n以特高压钢管塔50年的设计寿命计算；而C和β在非焊接部位和焊接部位的取值可参考步骤(5)。
实施例1
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。本实施例为内蒙古某地区1000kV线路工程，双回路部分采用钢管塔，部分杆件发生微风振动现象，设计风速30m/s(10m高50年一遇10min平均最大值)，覆冰10mm，极端最低气温-42.5℃。
(1)确定钢管塔的微风振动杆件：
锡盟～胜利1000千伏特高压交流输变电工程线路工程位于内蒙自治区锡林郭勒盟镜内，区域内地广人稀，中低风速段发生概率较大且稳定持续，沿线气象站为锡林浩特气象站。锡林浩特气象站位于锡林浩特市区，设立于1952年，现地理坐标东经116°04′，北纬43°57′，观测场海拔高度为989.5m。该站观测项目较齐全。根据气象站统计数据，锡林浩特地区历年最大风速基本在15m/s左右，如果按照一定间隔将风速范围划分，可得到各区段风速发生比例如下：
表1：实际风速发生概率统计
风速范围(m/s) 17.8—23.1 11.4-14.8 7.9-10.3 5.8-7.5 5.0-7.5
实际风速比例 0.00％ 0.25％ 3.60％ 9.87％ 17.24％
通过调查发现，本工程发生微风振动的杆件基本上为水平杆和斜材，而此类斜材的连接方式一般都采用C型插板，且振动方向垂直于螺栓所在平面，因此可以假设此次振动杆件的连接方式为两端铰接，比较符合实际情况。本工程可以采用公式(1b)进行各微风振动杆件临界起振风速的计算，不同长细比的临界起振风速结果如表2所示：
Vcr＝1.14×105λ-2 公式(1b)。
表2：两端铰接杆件的长细比与临界起振风速
Figure BDA0001629211160000091
Figure BDA0001629211160000101
设计时考虑塔身主材的长细比不宜超过80，斜材长细比不宜超过160，水平材长细比不宜超过140。从表2可以看出，塔身主材的临界起振风速达到了17.8m/s，特别是对于塔身主材其长细比往往小于50，其临界起振风速更是达到了45.5m/s，因此对于塔身主材而言很难发生涡流共振。对于塔身交叉材而言，身部变坡以上交叉材由于作用力较大，而长度又较小，其规格一般由作用力控制，长细比较小，不容易发生涡流共振。而对于塔身下部的单斜材以及辅助材由于其长度较大，且作用力较小，其规格一般由长细比确定(长细比控制在160以内)，其临界起振风速约为4.4m/s，根据前面的风速统计可知，在这个区段的风速比例较大，因此容易发生涡流共振。而对于水平材而言，特别是塔身下部的水平材由于其规格一般由长细比确定(长细比控制在140以内)，其临界起振风速为5.8m/s，也容易发生涡流共振。
综合比较计算的临界起振风速和实际的风速统计可知，本工程钢管塔微风振动杆件的长细比为100≤λ≤160，且一般为图2和图4所示斜材(C、D、E、F、G、H、K、L)以及图3所示的水平材(A、B)。
(2)计算微风振动杆件的共振力：
本工程钢管塔微风振动杆件的共振力可采用公式(2b)进行计算：
Pd1＝1.16×1011d2λ-3CLs 公式(2b)，
其中升力系数CLs根据各微风振动杆件的实际雷诺数得到，而实际雷诺数则根据公式Re＝6.9×104·V·d计算得到。表3列出了各微风振动杆件计算得到的实际雷诺数：
表3：两端铰接杆件的实际雷诺数Re
Figure BDA0001629211160000111
下面以实际工程中用得最多的、外直径d＝203mm的斜材水平材为例进行分析，按照《Wind Loading of Structures结构风荷载》翻译版·原书第二版(John D.Holmes著、全涌李加武顾明译)，根据杆件的实际雷诺数对升力系数CLs进行修正，修整结果及相应共振力的计算如表4所示。
表4：雷诺数修正前后的升力系数和共振力对比结果
Figure BDA0001629211160000112
从表4可以看出，根据杆件的实际雷诺数对升力系数CLs进行修正后，计算所得的实际共振力比修正前大1倍以上，说明修正前的计算是偏于冒进的。修正后，钢管杆件的受力分析和疲劳寿命计算更加准确，结构的安全性能得到充分的保障。
(3)确定微风振动杆件的弯曲应力和焊接部位应力：
微风振动杆件的弯曲应力应根据公式(3.1)进行计算
Figure BDA0001629211160000121
以表4中外直径203mm、长细比100的微风振动杆件为例，其共振力最大，约为2.627kN，对应的长度L约为6.97m，其壁厚最小(5mm)时的弯曲应力最大，计算得到最大弯曲应力为30.5MPa，为拉应力，最小弯曲应力则为-30.5MPa，为压应力。
在本步骤中，还应该考虑微风振动杆件是否发生强度破坏，仍以直径203mm、长细比100的微风振动杆件为例，其最大弯曲应力值约为钢管抗弯强度设计值的12.2％，远远低于钢管抗弯强度设计值，因此该微风振动杆件不会造成弯曲破坏。本工程中其他微风振动杆件的弯曲应力也应不超过对应杆件的钢管抗弯强度设计值，否则需要更换杆件后再继续计算其疲劳寿命。
而焊接部位的应力则根据公式(3.2)进行计算
Figure BDA0001629211160000122
本工程中的钢管杆件主要通过C型插板方式连接，插板与主管用焊缝连接，当振动方向垂直于螺栓所在平面时，角焊缝会承受共振力产生的剪应力。以φ203X5为例，C型插板采用C2005H7，具体参数如图5和图6所示。
按照图5和图6中的C型插板的尺寸，对应的焊缝数量n为4，l为260mm，hf为6mm，经计算，得到焊缝处的最大应力为0.21MPa，最小应力为-0.21MPa。
(4)确定微风振动杆件的非焊接部位疲劳应力幅和焊接部位疲劳应力幅。
所述微风振动杆件的非焊接部位疲劳应力幅根据公式(4.1)计算得到Δσ非焊＝σmax-0.7σmin 公式(4.1)；
以直径203mm、长细比100、计算得到最大弯曲应力为30.5MPa的微风振动杆件为例，其对应的疲劳应力幅为51.9MPa。表5列出了外直径为203mm、不同长细比微风振动杆件两端铰接时对应的非焊接部位疲劳应力幅。
表5：外直径为203mm、不同长细比微风振动杆件两端铰接时对应的非焊接部位疲劳应力幅(MPa)
d(mm)和λ 非焊接部位疲劳应力幅Δσ<sub>非焊</sub>(MPa)
d＝203，λ＝100 51.9
d＝203，λ＝120 37.7
d＝203，λ＝140 28.7
d＝203，λ＝150 25.0
d＝203，λ＝160 22.0
所述微风振动杆件的焊接部位疲劳应力幅根据公式(4.2)计算得到，
Δσ焊＝σ焊max-σ焊min 公式(4.2)。
仍然以外直径为203mm、长细比100的微风振动杆件为例，经计算得到Δσ焊为0.42MPa。
(5)确定微风振动杆件的疲劳寿命
根据公式(5)及前述相关取值说明进行计算
Figure BDA0001629211160000141
经计算可知，λ＝100、d＝203mm的典型杆件的非焊接部位疲劳寿命N非焊＝308.3年，焊接部位疲劳寿命N焊＝6.38×106年，经比较，杆件的非焊接部位疲劳寿命N非焊远远小于焊接部位疲劳寿命N焊，因此本工程中λ＝100、d＝203mm的杆件微风振动疲劳寿命为308.3年，以此可类推其他杆件的疲劳寿命。
此外，当需要对本工程钢管塔微风振动杆件在50年寿命内的安全性进行评估时，还可以进行以下操作：
根据公式(6)及其相关取值说明分别计算微风振动杆件在50年寿命内的非焊接部位容许应力幅Δσ'非焊和焊接部位容许应力幅Δσ'焊。
Figure BDA0001629211160000142
计算结果如表6和表7所示(以外直径为203mm的微风振动杆件为例)。表6：非焊接部位容许应力幅(MPa)
Figure BDA0001629211160000143
从上表可以看到，长细比为100的杆件，如果发生微风振动(临界风速为11.4m/s)，50年设计寿命内微风振动的比例达到1.5％才会疲劳破坏，而风速在11.4～14.8m/s区间的比例仅为0.25％，因此也不会发生微风振动疲劳破坏；长细比为140和150的杆件，如果发生微风振动(临界风速分别为5.8m/s和5.0m/s)，50年设计寿命内微风振动的比例分别达到30％和60％才会疲劳破坏，而平均风速在5.8～7.5m/s和5.0～7.5m/s区间所占比例约为9.87％和17.24％，因此也不会发生微风振动疲劳破坏；长细比为160的杆件，临界风速为4.4m/s，50年设计寿命内不会发生微风振动疲劳破坏。长细比为120的杆件，如果发生微风振动(临界风速为7.9m/s)，50年设计寿命内微风振动的比例达到10％就会疲劳破坏，而平均风速7.9-10.3m/s所占比例约为3.6％，因此，对于120长细比的构件，不存在疲劳破坏的可能性。表7：焊接部位的容许应力幅(MPa)
Figure BDA0001629211160000151
可以看到，该杆件焊接部位的应力幅不会造成构件疲劳破坏。
本发明中未作详细描述的部分属于现有技术。

Claims (2)

1.钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法，其特征在于：包括
步骤(1)：确定钢管塔的微风振动杆件；
通过公式(1)计算不同杆件的临界起振风速，确定发生微风振动的杆件的范围，
Figure FDA0003743276760000011
公式(1)中：λ表示钢管杆件的长细比，所述长细比大于等于100且小于等于160；λj表示自振频率参数；
λj考虑为一阶振动，在一阶振动中，当杆件的两端固接时取4.73，相应的起振临界风速按照公式(1a)进行计算
Vcr＝2.58×105λ-2 公式(1a)；
当杆件的两端铰接时取3.142，相应的起振临界风速按照公式(1b)进行计算
Vcr＝1.14×105λ-2 公式(1b)；
当杆件悬臂时取1.875，相应地，起振临界风速按照公式(1c)进行计算
Vcr＝4.05×104λ-2 公式(1c)；
当杆件的一端固接一端铰接时取3.927，相应的起振临界风速按照公式(1d)进行计算
Vcr＝1.78×105λ-2 公式(1d)；
步骤(2)：计算微风振动杆件的共振力；
当微风振动杆件的振动阶次为一阶且其连接方式为两端固接时，则共振力根据公式(2a)计算得到
Pd1＝5×1011d2λ-3CLs 公式(2a)；
当微风振动杆件的振动阶次为一阶且其连接方式为两端铰接时，则共振力根据公式(2b)计算得到
Pd1＝1.16×1011d2λ-3CLs 公式(2b)；
当微风振动杆件的振动阶次为一阶且其连接方式为两端悬臂时，则共振力根据公式(2c)计算得到
Pd1＝1.11×1010d2λ-3CLs 公式(2c)；
其中，d表示钢管外直径，λ表示长细比，CLs表示升力系数，所述升力系数根据微风振动杆件的实际雷诺数得到，所述实际雷诺数根据公式Re＝6.9×104·V·d计算得到，其中，V表示实际风速；
步骤(3)：确定微风振动杆件的弯曲应力和焊接部位应力；
所述弯曲应力根据公式(3.1)计算得到，
Figure FDA0003743276760000021
其中，Wy表示钢管截面抵抗矩，α表示钢管内外径之比；
所述焊接部位应力根据公式(3.2)进行计算
Figure FDA0003743276760000022
其中，n为焊缝数量，l为焊缝连接长度，hf为焊脚尺寸；步骤(4)：确定微风振动杆件的非焊接部位疲劳应力幅和焊接部位疲劳应力幅；
所述微风振动杆件的非焊接部位疲劳应力幅根据公式(4.1)计算得到
△σ非焊＝σmax-0.7σmin 公式(4.1)；
所述微风振动杆件的焊接部位疲劳应力幅根据公式(4.2)计算得到，
△σ焊＝σ焊max-σ焊min 公式(4.2)；
其中，
σmax表示非焊接部位应力循环中的最大拉应力，取正值；σmin表示非焊接部位应力循环中的最小拉应力或压应力，拉应力取正值，压应力取负值；
σ焊max表示焊接部位应力循环中的最大拉应力，取正值；σ焊min表示焊接部位应力循环中的最小拉应力或压应力，拉应力取正值，压应力取负值；
步骤(5)：确定微风振动杆件的疲劳寿命；
首先计算得到微风振动杆件的非焊接部位疲劳寿命和焊接部位疲劳寿命，再将两者进行比较，取数值较小者作为所述微风振动杆件的疲劳寿命，所述非焊接部位疲劳寿命和焊接部位疲劳寿命均根据公式(5)计算得到
Figure FDA0003743276760000031
其中，f为杆件一阶微风共振频率，P为微风振动锁定风速发生概率；
当Δσ为非焊接部位疲劳应力幅Δσ非焊时，C的取值为1940×1012，β为4，计算得到非焊接部位疲劳寿命N非焊；当Δσ为焊接部位疲劳应力幅Δσ焊时，C的取值为0.41×1012，β为3，计算得到焊接部位疲劳寿命N焊。
2.根据权利要求1所述的钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法，其特征在于：还包括对微风振动杆件在设计使用寿命内的安全性进行评估。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109768474A (zh) * 2018-11-13 2019-05-17 国网甘肃省电力公司电力科学研究院 避免涡激共振对钢管避雷针机械强度影响的方法
CN111104710B (zh) * 2020-01-15 2021-09-24 江南大学 自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构设计方法
CN111651892B (zh) * 2020-06-09 2022-11-01 中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司 基于动力学法的大跨越β阻尼线防振设计方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102042885A (zh) * 2010-10-08 2011-05-04 电子科技大学 一种输电线路塔线体系状态监测装置
WO2012167579A1 (zh) * 2011-06-10 2012-12-13 国网信息通信有限公司 电网输电线路监测方法和系统
CN104265052A (zh) * 2014-10-21 2015-01-07 国家电网公司 一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法
JP2015004596A (ja) * 2013-06-21 2015-01-08 新日鐵住金株式会社 薄板レーザ溶接部の疲労寿命予測方法
CN104634446A (zh) * 2015-01-30 2015-05-20 哈尔滨工程大学 风振涡放频率试验装置
CN105149880A (zh) * 2015-09-16 2015-12-16 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 一种高温合金薄壁焊接管材的疲劳试验件的制备方法
CN106300197A (zh) * 2016-09-14 2017-01-04 西安交通大学 一种防振锤
CN106646115A (zh) * 2016-11-16 2017-05-10 合肥普望电子有限责任公司 一种输电线故障检测方法
CN107292032A (zh) * 2017-06-22 2017-10-24 国网新疆电力公司经济技术研究院 寒冷地区输电铁塔疲劳寿命预测方法
CN107742039A (zh) * 2017-10-31 2018-02-27 合肥通用机械研究院 一种基于悬跨涡激振动疲劳寿命的海底管道设计方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101344461A (zh) * 2008-06-11 2009-01-14 上海海事大学 一种应力幅法疲劳强度预测方法
CN101672125B (zh) * 2009-09-17 2013-01-02 中国电力科学研究院 一种输电线路钢管杆塔涡激风振的抑制装置及其方法
CN102507896A (zh) * 2011-11-01 2012-06-20 东南大学 用于铸钢节点内无明显缺陷的铸钢节点疲劳寿命估算方法
CN202520041U (zh) * 2012-03-21 2012-11-07 佛山电力设计院有限公司 一种结构式钢管塔专用钢管构件
CN103790427A (zh) * 2012-10-31 2014-05-14 同济大学 一种可抑制涡激振动的钢管构件连接结构
CN103018063B (zh) * 2012-11-27 2015-06-03 河海大学 基于Mittag-Leffler分布的桥梁随机疲劳寿命预测方法
CN104278875B (zh) * 2013-07-04 2016-12-28 国家电网公司 一种竹节仿生形复合材料输电杆塔
CN104390710B (zh) * 2014-10-30 2016-11-23 国家电网公司 输电线路导线温度在线检测系统和方法
CN105364276A (zh) * 2015-10-31 2016-03-02 江苏振光电力设备制造有限公司 一种高强钢钢管塔焊接加工工艺
CN106992485B (zh) * 2017-06-07 2018-08-07 广东电网有限责任公司电力科学研究院 一种电涡流耗能防振锤

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102042885A (zh) * 2010-10-08 2011-05-04 电子科技大学 一种输电线路塔线体系状态监测装置
WO2012167579A1 (zh) * 2011-06-10 2012-12-13 国网信息通信有限公司 电网输电线路监测方法和系统
JP2015004596A (ja) * 2013-06-21 2015-01-08 新日鐵住金株式会社 薄板レーザ溶接部の疲労寿命予測方法
CN104265052A (zh) * 2014-10-21 2015-01-07 国家电网公司 一种电力塔架钢管构件涡激风振的防振锤控制方法
CN104634446A (zh) * 2015-01-30 2015-05-20 哈尔滨工程大学 风振涡放频率试验装置
CN105149880A (zh) * 2015-09-16 2015-12-16 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 一种高温合金薄壁焊接管材的疲劳试验件的制备方法
CN106300197A (zh) * 2016-09-14 2017-01-04 西安交通大学 一种防振锤
CN106646115A (zh) * 2016-11-16 2017-05-10 合肥普望电子有限责任公司 一种输电线故障检测方法
CN107292032A (zh) * 2017-06-22 2017-10-24 国网新疆电力公司经济技术研究院 寒冷地区输电铁塔疲劳寿命预测方法
CN107742039A (zh) * 2017-10-31 2018-02-27 合肥通用机械研究院 一种基于悬跨涡激振动疲劳寿命的海底管道设计方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
输电线微风振动与疲劳寿命;朱光荭;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20120515(第5期);C042-553 *
输电线路微风振动与导线疲劳寿命分析研究;梁俊媛;《黑龙江科技信息》;20130825(第24期);74-75 *

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