CN110847674B - 服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置，适用于输电塔等重要格构式钢管塔架构件的涡激风振控制，由钢套片、粘弹性材料a、粘弹性材料b、SMA弹簧、导流片、连接螺栓及连接板组成。该装置兼具两级微风振动控制效果，可以破坏卡门漩涡从而抑制或减少微风振动的产生，并通过粘弹性材料变形耗能完全达到控制钢管构件微风振动的目的。同时在钢管与钢套片之间连接具有超弹性效应的SMA弹簧，使装置具有显著的自复位能力。该装置构造简单，结构轻小，布置灵活，造价低廉，更换方便；具有自复位能力，抵抗外界干扰能力较强，鲁棒性好；兼具两级微风振动控制原理，振动控制效果显著，具有良好的社会效益和经济效益，应用前景广泛。

Description

服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置

技术领域

本发明涉及输电设备技术领域，具体而言涉及一种钢管塔构件的微风振动控制装置，主要应用于输电塔、通讯铁塔等重要格构式钢管塔架构件的涡激风振控制。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展，急需大容量、远距离、低损耗的特高压输电线路来平衡电力资源不均等的供求关系。近年来我国建立了多条1000kV特高压输电线路，由于其档距较大，铁塔高度较高，传统的角钢塔已经不能满足结构强度的需求，所以一般选用钢管塔。圆截面钢管杆件的空气动力学性能好，风压体型系数仅为角钢杆件的1/2左右，因此采用钢管可以有效减小塔身风荷载，提升结构承载能力。但是某些长细比较大的特别是趋于水平布置的钢管杆件，在风速较小时容易发生横向的涡激振动，电力工程上常称为“微风振动”。由于自然界的风每时每刻都存在，因此输电塔钢管构件的微风振动也是长期存在的。这种持续反复的振动会造成杆塔螺栓连接松动、连接螺栓受拉破坏及连接板的疲劳破坏；此外，由于铁塔与导地线的振动耦合作用，挂点部位钢管杆件的高频振动会与导线的高阶振动产生共振。

输电线路的微风振动是当约0.5m/s～10m/s的稳定风速吹向结构时，在圆截面杆件的背风侧产生上下交替的卡门旋涡，引起上下交变力作用于杆件上，使其产生横向振动。由于近年来1000KV特高压输送电线路的广泛建设，钢管塔杆件的微风振动问题也日渐凸显。已建成使用钢管塔的特高压工程(蒙西-天津南、锡盟-山东、榆横-潍坊等特高压工程)中均出现过钢管杆件微风振动现象。但是，目前针对钢管塔杆件微风振动方面的研究成果却是寥寥无几。

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场中的雷诺系数Re决定。当杆件的雷诺系数30<Re<3×10⁵时，杆件处于亚临界范围内，漩涡形成很有规律，尾流中上面的气流向下挤，形成下涡，下面的气流向上挤，形成上涡，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，称为卡门涡街。

研究表明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。涡激共振具有频率锁定的特性，增加了共振发生的几率。从另一方面来说，也可以借助涡激共振频率锁定的特性来减弱甚至防止其发生。

发明内容

本发明提供了一种服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置，目的是抑制钢管塔杆件微风振动的产生，防止钢管构件及其连接件的疲劳破坏，提高输电塔在长期微风作用下的安全性和耐久性。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置，由钢套片、粘弹性材料a、粘弹性材料b、SMA弹簧、导流片、连接装置组成；

所述的粘弹性材料a敷设在发生微风振动的钢管外壁；

所述的粘弹性材料b敷设在钢套片内壁；所述的导流片连接在钢套片的外壁上；所述的钢套片、粘弹性材料b和导流片组成扰流装置，扰流装置包括上、下两个；上扰流装置和下扰流装置钢套片通过连接装置相连，形成一个圆柱形结构，套装在粘弹性材料a外圈；所述的SMA弹簧包括两个，分别设置在上扰流装置和下扰流装置上，SMA弹簧的两端分别连接钢管外壁及钢套片内壁，且SMA弹簧所在的区域不敷设粘弹性材料a和粘弹性材料b。

进一步的技术方案为：所述的钢套片采用钢材制成，表面涂有防腐涂料进行防腐处理。

进一步的技术方案为：所述的粘弹性材料a、粘弹性材料b使用环氧树脂基底，采用粘胶体方式分别涂敷在钢管外壁及钢套片内壁。

进一步的技术方案为：所述的导流片通过焊接与钢套片连接，并且连接在钢套片中心位置。

进一步的技术方案为：所述的导流片使用轻质钢材制成，且外形采用流线型，减小扰流装置重量并易于转动。

进一步的技术方案为：所述的连接装置包括连接板和连接螺栓，在钢套片左右各有一个连接板，在连接板的中间开孔，其通过焊接连接在钢套片上，两个连接板通过连接螺栓相连。

进一步的技术方案为：所述的连接螺栓为六角螺栓，通过连接板孔洞栓接两组扰流装置。

进一步的技术方案为：所述的弹簧制作材料采用具有超弹性特性的形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)。

进一步的技术方案为：所述的SMA弹簧一端通过焊接连接在钢套片上，另一端焊接在一钢片上。

进一步的技术方案为：所述的SMA弹簧所在的圆筒区域不敷设粘弹性材料a、b，SMA弹簧可以实现在所述圆筒状区域内的自由拉伸。

进一步的技术方案为：所述的钢片通过结构胶粘在钢管上，保证连接SMA弹簧时不损伤钢管构件。

进一步的技术方案为：所述的钢管杆件微风振动耗能抑制装置在钢管上间隔布置，可根据需要选择其个数。

本发明的工作原理如下：

所述的钢管杆件微风振动耗能抑制装置存在两级控制原理。首先，在风荷载作用下无控时，钢管构件的背风侧会产生上下交替的卡门旋涡，导致钢管杆发生微风振动，所述装置上的导流片用以干扰风场，破坏涡旋。其次，若导流片未成功控制卡门旋涡的产生，则有上下交变的力作用于导流片上，该上下交变力使得上下两个导流片受力不平衡，发生转动，从而带动扰流装置转动，此时两层粘弹性材料发生剪切变形同时耗散能量，达到抑制钢管构件的振动的目的；同时，SMA弹簧被拉伸，存在一定弹性恢复力，带动扰流减振装置回到原始位置，使得装置具有自复位能力，在此过程中，弹簧及粘弹性材料皆发生变形耗能从而达到减振目的。

本发明的有益效果是：

(1)该装置粘弹性材料及钢片与发生微风振动的钢管的连接方式为粘接，两个扰流装置则通过螺栓连接，无需对输电塔构件进行打孔或焊接，不会损伤钢管构件表面，且操作方便、简单，不需要专业人士和技术工人安装拆卸，便于安装及更换；并且施工时输电塔不需断电，不会干扰该区域正常的电力供给。

(2)该装置兼具两级微风振动控制效果，可以破坏卡门漩涡的产生抑制或减少微风振动的产生，并通过粘弹性材料及弹簧变形耗能完全达到减振目的，振动控制效果显著。

(3)该装置利用形状记忆合金的超弹性效应，将工作后的扰流装置恢复到初始状态，抵抗外界干扰能力较强，鲁棒性好。

(4)该装置能够防止不同风速下钢管塔构件的微风振动，减振频带宽，微风振动抑制效果显著。

(5)该装置原理明确，构造简单，结构轻小，布置灵活，造价低廉，而且更换方便，能够有效抑制钢管构件微风振动的产生，具有良好的社会效益和经济效益，适用于输电塔及通讯铁塔等高耸塔架结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明提供的服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置的结构示意图；

图2为本发明提供的服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置的布置平面图示意图；

图3为本发明提供的服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置的扰流装置的局部示意图；

图4为本发明提供的服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置的A-A剖面图。

图中：1导流片，2粘弹性材料a，3发生微风振动钢管，4SMA弹簧，5钢套片，6粘弹性材料b，7连接螺栓，8连接板，9钢片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组合/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施方式。

本发明提出了一种服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置，该装置兼具两级微风振动控制效果，首先可以通过导流片破坏卡门漩涡从而抑制或减少微风振动的产生，若导流片未成功控制卡门旋涡的产生，则有上下交变的力作用于上下两个导流片上，使其受力不平衡，带动扰流装置转动，最终通过粘弹性材料及弹簧变形耗能完全达到控制钢管构件微风振动的目的。同时，当扰流装置转动后带动SMA弹簧发生变形，由于SMA弹簧具有明显的超弹性效应，可以带动扰流减振装置恢复到初始位置，使其具有显著的自复位能力。如图2所示，装置可在发生微风振动的钢管上均布布置，其个数可根据需求自由调整。

本发明具体结构如下：

本发明提出的服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置如图1，图2所示。主要由附着在发生振动的钢管3上的粘弹性材料a2、外部的扰流装置、SMA弹簧4和连接装置四部分组成。

粘弹性材料a2使用环氧树脂为基底，并通过粘接敷设在发生微风振动钢管3的外壁上。

以发生微风振动钢管3的轴线所在平面为分割面，在发生微风振动钢管3的上下各设有一组扰流装置，扰流装置的结构如图3所示，主要由导流片1和钢套片5、粘弹性材料b6组成；其中钢套片5采用钢材制成，钢套片5为一个半圆柱形的钢片结构，表面涂有防腐涂料进行防腐处理，用以连接导流片1及连接板8，同时保护内部结构，上、下扰流装置组合在一起后，两个钢套片5形成一个圆柱形筒状结构；导流片1焊接在钢套片5的中心位置处，且设置在钢套片5的外壁上，上扰流装置的导流片1朝上设置，下扰流装置的导流片1朝下设置，优选的，上下两个导流片上下对称，导流片1的主要作用为干扰风场，破坏卡门涡旋，从而抑制钢管构件微风振动的产生；

粘弹性材料b6以环氧树脂为基底，通过粘接方式涂敷在钢套片5内壁，当导流片1未能完全破坏卡门漩涡时，扰流装置随着导流片1发生转动，粘弹性材料a2、粘弹性材料6发生剪切变形，耗散能量，达到抑制钢管构件的振动的目的，连接板8包括两个，分别设置在钢套片5的左侧和右侧，且在连接板上设有螺栓孔，用于实现上扰流装置和下扰流装置之间的连接。

上、下两个扰流装置则通过螺栓连接，无需对输电塔构件进行打孔或焊接，不会损伤钢管构件表面，且操作方便、简单，不需要专业人士和技术工人安装拆卸，便于安装及更换；并且施工时输电塔不需断电，不会干扰该区域正常的电力供给。

所述的SMA弹簧4采用具有超弹性特性的形状记忆合金制成，包括两个，分别安装在两个扰流装置上，上下各有一个，SMA弹簧4的一端通过焊接连接在钢套片5内壁，另一端焊接在一钢片9上，钢片9通过结构胶粘接在发生微风振动钢管3的外壁上；其所在的圆筒区域不敷设粘弹性材料a2、粘弹性材料b6，具体如图4所示，使其可以实现在所述圆筒状区域内的自由拉伸。当导流片1未能完全破坏卡门漩涡时，扰流装置随着导流片1发生转动时，SMA弹簧4亦被拉长，存在一定弹性恢复力，可以带动装置恢复到初始位置，使得该装置具有自复位能力，同时在其变形过程中可以耗散一定的能量。

所述的连接装置由连接板8及连接螺栓7构成。连接板8为钢制，中间开孔，通过焊接方式连接在钢套片5上；连接螺栓7为六角螺栓，用于通过两组扰流装置同侧连接板栓接两组扰流装置。

该钢管构件微风振动耗能抑制装置现场施工时需要严格遵守施工顺序。导流片1、钢套片5和连接板8的焊接，以及SAM弹簧4与钢套片5和钢片9的焊接可在加工厂预先加工完成，现场仅进行组装；粘弹性材料b6可以预先涂敷，亦可以现场敷设。对于需要进行振动控制的钢管塔构件，首先在钢管上涂敷粘弹性材料a2，注意预留出后期连接SMA弹簧4的空间；其次，通过结构胶将钢片9粘接到钢管外壁；最后，通过左右两组连接板7，用连接螺栓8将扰流装置固定。

整个装置安装完成后，由内层向外层依次为：粘弹性材料a2层、粘弹性材料b6层、钢套管层。

本发明公开的钢管杆件微风振动耗能抑制装置存在两级控制原理。首先，在风荷载作用下无控时，钢管的背风侧会产生上下交替的卡门旋涡，导致钢管发生微风振动，所述装置上的导流片用以干扰风场，破坏涡旋。其次，若导流片未成功控制卡门旋涡的产生，则有上下交变的力作用于导流片上，该上下交变力使得上下两个导流片受力不平衡，发生转动，从而带动扰流装置转动，此时两层粘弹性材料发生剪切变形同时耗散能量，达到抑制钢管构件的振动的目的；同时，SMA弹簧被拉伸，存在一定弹性恢复力，带动扰流减振装置回到原始位置，使得装置具有自复位能力，在此过程中，弹簧及粘弹性材料皆发生变形耗能从而达到减振目的。

本专利的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本专利的实施方式不限于此，凡此种种根据本专利的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本专利上述基本技术思想前提下，对本专利上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置，其特征在于，由钢套片、粘弹性材料a、粘弹性材料b、弹簧、导流片、连接装置组成；

所述的粘弹性材料a敷设在发生微风振动的钢管外壁；

所述的粘弹性材料b敷设在钢套片内壁；所述的导流片连接在钢套片的外壁上；所述的钢套片、粘弹性材料b和导流片组成扰流装置，扰流装置包括上、下两个；上扰流装置和下扰流装置通过连接装置相连，形成一个圆柱形结构，套装在粘弹性材料a外圈；所述的弹簧包括两个，分别设置在上扰流装置和下扰流装置上， 弹簧的两端分别连接钢管外壁及钢套片内壁，且弹簧所在的区域不敷设粘弹性材料a和粘弹性材料b。

2.如权利要求1所述的服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置，其特征在于，所述的钢套片采用钢材制成，为一个半圆柱形钢片，表面涂有防腐涂料进行防腐处理。

3.如权利要求1所述的服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置，其特征在于，所述的粘弹性材料a、粘弹性材料b使用环氧树脂基底，采用粘胶体方式分别涂敷在钢管外壁及钢套片内壁。

4.如权利要求1所述的服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置，其特征在于，所述的导流片通过焊接与钢套片连接，并且连接在钢套片中心位置。

5.如权利要求1所述的服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置，其特征在于，所述的导流片使用轻质钢材制成，且外形采用流线型。

6.如权利要求1所述的服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置，其特征在于，所述的连接装置包括连接板和连接螺栓，在钢套片左右各有一个连接板，在连接板的中间开孔，其通过焊接连接在钢套片上，两个连接板通过连接螺栓相连。

7.如权利要求1所述的服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置，其特征在于，所述的弹簧制作材料采用具有超弹性特性的形状记忆合金制作。

8.如权利要求7所述的服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置，其特征在于，所述的弹簧一端通过焊接连接在钢套片上，另一端焊接在一钢片上。

9.如权利要求8所述的服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置，其特征在于，所述的钢片通过结构胶粘在发生微风振动的钢管外壁上。

10.如权利要求1所述的服役钢管塔杆件微风振动耗能抑制装置，其特征在于，所述的钢管杆件微风振动耗能抑制装置在钢管上间隔布置，根据需要选择其个数。

Images