CN110851905A - 一种峡谷微地形条件下的输电铁塔风振系数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种峡谷微地形条件下的输电铁塔风振系数计算方法，包括以下步骤：步骤S1:利用Google地图提取待测峡谷一定尺度的微地形，并建立网格化3Dmax地形模型；步骤S2:进行流速仿真，确定风场CFD仿真风剖面幂指数；步骤S3:构建杆梁铁塔模型,并进行模态分析，得到铁塔前三阶振型及其模态频率；步骤S4:进行脉动风速时程模拟，得到风速时程数据；步骤S5:进行铁塔风荷载计算，计算得到风荷载时程数据；步骤S6:对进行瞬态动力分析，得到铁塔各塔段位移响应均方差；步骤S7:根据得到的各塔段位移响应均方差，计算得到铁塔风振系数，并将得到的铁塔风振系数用于铁塔抗风设计。本发明实现了输电工程沿线峡谷微地形处铁塔风振系数的高精度计算。

Description

一种峡谷微地形条件下的输电铁塔风振系数计算方法

技术领域

本发明涉及输电铁塔抗风设计领域，具体涉及一种峡谷微地形条件下的输电铁塔风振系数计算方法。

背景技术

现有的风工程研究方法有理论分析、现场监测、风洞实验和数值模拟四大类。有人通过自主开发的新型加速度传感器，对强风作用下能盘线输电塔进行了实时在线监测，所得数据接近实际值，但增加了工程造价，不利于推广。有人通过风洞试验揭示了塔线耦合的机理，较为完整分析了整体系统的风振响应，所得结果与事故记录较为一致，但实验条件较为严格，无法通用于实际工程。有人采用有限元建模的方法，通过数值模拟得到不同高度层风荷载并施加到铁塔模型上，分析得到塔身和横担处的位移时程、轴力时程和风振系数，并与相关规范值进行比较，能够满足工程需要。一般来说，输电铁塔的抗风设计还要考虑线路经过复杂微地形时的风场变化问题，微地形影响风场分布，如越山风和峽谷风等。有人给出了输电线路塔架位置周围的一般微地形风场特征，得到了塔架位置风速加速度随高度和风向角的变化规律，但其所建微地形模型较为简单，所得数据精度不够。我国为多山国家，与平地地形不同，山区微地形对近地风场必然造成很大的影响，且山地环境中一般没有气象监测，难以获得风场特性，就无法准确分析输电铁塔的风振响应特性，增加了铁塔风振系数计算的难度，这对铁塔在微地形风场下的安全性提出了新的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种峡谷微地形条件下的输电铁塔风振系数计算方法以解决现在国内输电工程中难以确定峡谷地形处铁塔风振系数的问题，以提升铁塔在峡谷微地形风场下的安全性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种峡谷微地形条件下的输电铁塔风振系数计算方法，包括以下步骤：

步骤S1:利用Google地图提取待测峡谷一定尺度的微地形，并建立网格化3Dmax地形模型；

步骤S2:将得到的3Dmax地形模型导入CFD环境中进行流速仿真，确定风场CFD仿真风剖面幂指数；

步骤S3:构建杆梁铁塔模型,并进行模态分析，得到铁塔前三阶振型及其模态频率；

步骤S4:根据杆梁铁塔模型，进行脉动风速时程模拟，得到风速时程数据；

步骤S5:根据风速时程数据，进行铁塔风荷载计算，计算得到风荷载时程数据；

步骤S6:根据杆梁铁塔模型合风荷载时程数据，对进行瞬态动力分析，得到铁塔各塔段位移响应均方差；

步骤S7:根据得到的各塔段位移响应均方差，计算得到铁塔风振系数，并将得到的铁塔风振系数用于铁塔抗风设计。

进一步的，所述步骤S2具体为：

步骤S21:将得到的3Dmax地形模型导入CFD,中，并以该地形为底面，构造一个立方体，并划分网格；

步骤S22:根据近地气象站实测资料统计出特定年限10min最大平均风速，作为仿真10m高度入口风速基准风速，并确定风场CFD仿真风剖面幂指数。

进一步的，所述步骤S4中将铁塔沿高度简化为分段加载模型，采用线性滤波法中的自回归模型数值方法模拟脉动风速时程,具体包括如下：

步骤S41:采用davenport谱为校验谱：

其中，K为地面粗糙度系数；n为频率；

为离地10m高度处的基准风速；

步骤S42:计算脉动风协方差矩阵R：

其中，为空间两点脉动风互功率谱；

步骤S43:计算自回归系数矩阵ψ_k:

其中，ψ_k为M*M阶矩阵，

为pM*M阶矩阵，p为模型阶数；

步骤S44:求解给定方差的随机过程N(t):

其中，Δt为时间步长，由上述步骤得出的R，R₀，结合上式可以求出N(t)；

步骤S45:求解4维脉动风时程；平均风与脉动风叠加获得总风速。

进一步的，所述步骤S5具体为：

步骤S51:在已知风速v_i条件下，由

可得到铁塔第i塔段的风荷载时程

式中，v_i(t)为模拟得到的铁塔第i塔段中心风速时程；μ_si、A_i分别为第i塔段风荷载体型系数和挡风面积

步骤S52:通过模拟出的风速时程数据,得到风荷载时程数据。

进一步的，所述铁塔瞬态动力分析具体为：根据得到的风荷载时程数据，在ANSYS软件环境中加载到铁塔有限元模型相应节点上，设置铁塔材料阻尼比、荷载步和荷载子步，采用完全法对铁塔进行瞬态动力分析，统计铁塔各塔段位移响应均方差。

进一步的，所述铁塔风振系数计算具体为：

在ANSYS环境中对铁塔进行风振响应时程分析，根据动力时程计算结果，采用随机振动理论对铁塔进行相应计算，

铁塔z高度处风振系数β_i为：

式中，_i为铁塔分段，i＝1,2,…,n，M_i为铁塔分段质量；ω₀为基本风压，ω₀＝v²/1600，v为设计风速；σ_li、μ_zi分别为铁塔z高度处塔段位移均方差、风压变化系数；g为峰值因子。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明实现了输电工程沿线峡谷微地形处铁塔风振系数的高精度计算，通过常规地形和微地形条件下不同风振系数计算值的对比，可以更为直观的显现出微地形对铁塔风振系数的影响，对电力铁塔的抗风设计提供了精确的数据。

附图说明

图1是本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种峡谷微地形条件下的输电铁塔风振系数计算方法利用Google地图提取一定尺度的微地形，建立网格化3Dmax地形模型，导入CFD仿真软件中，以收集近地气象监测风场数据为入口风速，可以获得经过峡谷微地形后到达铁塔位置的风场特性，进而获得总风速样本；然后在ANSYS软件环境中建立铁塔杆梁混合模型，通过风速样本计算铁塔风荷载，进而针对铁塔进行风振响应分析，最终通过随机振动理论获得准确的风振系数。具体包括如下步骤：

步骤S1:利用Google地图提取待测峡谷一定尺度的微地形，并建立网格化3Dmax地形模型；选取待测峡谷，气象监测点一般在近地面分布设定，因此需要提取一定尺度的该峡谷地形，利用近地可获取的气象风场数据，为峡谷输入风速，进行风场经过峡谷微地形后到达铁塔位置的变化风场研究。从google地图中提取铁塔所在方圆峡谷地形，导入3Dmax中显示具体模型并进行网格划分，最终把3Dmax图导入计算流体仿真软件(CFD)环境中进行流速仿真

步骤S2:将得到的3Dmax地形模型导入CFD环境中进行流速仿真，以该地形为底面，构造一个立方体，并划分网格。根据近地气象站历年实测资料统计出10min最大平均风速，为仿真10m高度入口风速基准风速。并确定风场CFD仿真风剖面幂指数为α＝0.12。

步骤S3:采用AutoCAD铁塔组装图建立铁塔有限元杆梁混合模型，横隔梁及塔身主材采用梁单元，其余杆件采用杆单元。在ANSYS中对铁塔混合模型进行模态分析，得到铁塔前三阶振型及其模态频率。

步骤S4:将铁塔沿高度简化为分段加载模型，采用线性滤波法中的自回归模型数值方法模拟脉动风速时程，主要分为以下几个阶段：

采用davenport谱为校验谱：

计算脉动风协方差矩阵R：

计算自回归系数矩阵ψ_k：

求解给定方差的随机过程

N(t):

求解4维脉动风时程；平均风与脉动风叠加获得总风速。

步骤S5:在已知风速v_i条件下，由可得到铁塔第i塔段的风荷载时程。式中，v_i(t)为模拟得到的铁塔第i塔段中心风速时程；μ_si、A_i分别为第i塔段风荷载体型系数和挡风面积，通过模拟出的风速时程数据即可得到风荷载时程数据。

步骤S6:在已知铁塔各塔段风荷载时程后，在ANSYS软件环境中加载到铁塔有限元模型相应节点上，正确设置铁塔材料阻尼比，设置荷载步和荷载子步，采用完全法对铁塔进行瞬态动力分析，统计铁塔各塔段位移响应均方差。

步骤S7:根据得到的各塔段位移响应均方差，计算得到铁塔风振系数，并将得到的铁塔风振系数用于铁塔抗风设计。在ANSYS环境中对铁塔进行风振响应时程分析，根据动力时程计算结果，采用随机振动理论对铁塔进行相应计算。铁塔z高度处风振系数β_i(_i为铁塔分段，i＝1,2,…,n)为：

式中，M_i为铁塔分段质量；ω₀为基本风压，ω₀＝v²/1600，v为设计风速；σ_li、μ_zi分别为铁塔z高度处塔段位移均方差、风压变化系数；g为峰值因子。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种峡谷微地形条件下的输电铁塔风振系数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1:利用Google地图提取待测峡谷一定尺度的微地形，并建立网格化3Dmax地形模型；

步骤S2:将得到的3Dmax地形模型导入CFD环境中进行流速仿真，确定风场CFD仿真风剖面幂指数；

步骤S3:构建杆梁铁塔模型,并进行模态分析，得到铁塔前三阶振型及其模态频率；

步骤S4:根据杆梁铁塔模型，进行脉动风速时程模拟，得到风速时程数据；

步骤S5:根据风速时程数据，进行铁塔风荷载计算，计算得到风荷载时程数据；

步骤S6:根据杆梁铁塔模型合风荷载时程数据，对进行瞬态动力分析，得到铁塔各塔段位移响应均方差；

步骤S7:根据得到的各塔段位移响应均方差，计算得到铁塔风振系数，并将得到的铁塔风振系数用于铁塔抗风设计。

2.根据权利要求1所述的一种峡谷微地形条件下的输电铁塔风振系数计算方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

步骤S21:将得到的3Dmax地形模型导入CFD,中，并以该地形为底面，构造一个立方体，并划分网格；

步骤S22:根据近地气象站实测资料统计出特定年限10min最大平均风速，作为仿真10m高度入口风速基准风速，并确定风场CFD仿真风剖面幂指数。

3.根据权利要求1所述的一种峡谷微地形条件下的输电铁塔风振系数计算方法，其特征在于，所述步骤S4中将铁塔沿高度简化为分段加载模型，采用线性滤波法中的自回归模型数值方法模拟脉动风速时程,具体包括如下：

步骤S41:采用davenport谱为校验谱：

其中，K为地面粗糙度系数；

n为频率；为离地10m高度处的基准风速；

步骤S42:计算脉动风协方差矩阵R：

其中，为空间两点脉动风互功率谱；

步骤S43:计算自回归系数矩阵ψ_k:

其中，ψ_k为M*M阶矩阵，

为pM*M阶矩阵，p为模型阶数；

步骤S44:求解给定方差的随机过程N(t):

其中，Δt为时间步长，由上述步骤得出的R，R₀，结合上式可以求出N(t)；

步骤S45:求解4维脉动风时程；平均风与脉动风叠加获得总风速。

4.根据权利要求1所述的一种峡谷微地形条件下的输电铁塔风振系数计算方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：

步骤S51:在已知风速v_i条件下，由

可得到铁塔第i塔段的风荷载时程

式中，v_i(t)为模拟得到的铁塔第i塔段中心风速时程；μ_si、A_i分别为第i塔段风荷载体型系数和挡风面积

步骤S52:通过模拟出的风速时程数据,得到风荷载时程数据。

5.根据权利要求1所述的一种峡谷微地形条件下的输电铁塔风振系数计算方法，其特征在于，所述铁塔瞬态动力分析具体为：根据得到的风荷载时程数据，在ANSYS软件环境中加载到铁塔有限元模型相应节点上，设置铁塔材料阻尼比、荷载步和荷载子步，采用完全法对铁塔进行瞬态动力分析，统计铁塔各塔段位移响应均方差。

6.根据权利要求1所述的一种峡谷微地形条件下的输电铁塔风振系数计算方法，其特征在于，所述铁塔风振系数计算具体为：

在ANSYS环境中对铁塔进行风振响应时程分析，根据动力时程计算结果，采用随机振动理论对铁塔进行相应计算，

铁塔z高度处风振系数β_i为：

式中，i为铁塔分段，i＝1,2,…,n，M_i为铁塔分段质量；ω₀为基本风压，ω₀＝v²/1600，v为设计风速；σ_li、μ_zi分别为铁塔z高度处塔段位移均方差、风压变化系数；g为峰值因子。

Images