CN111651804A - 基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,步骤为:搭建常规输电塔的塔线体系,获取塔线体系的物理参数;基于塔线耦合影响因子,求取杆塔等效阻尼系数、塔线体系常规输电塔的风振系数、塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数;塔线体系风荷载脉动折减系数;对塔线体系常规输电塔的风振系数、风偏角的风振系数进行修正计算,得到塔线体系常规输电塔的修正风振系数和塔线体系输电线的修正风振系数;在等效振动惯性力作用下计算塔线体系中常规输电塔的设计风荷载;基于塔线分离法计算输电线设计风荷载。有益效果:单塔设计精度高,可靠。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域,具体的说是一种基于惯性力法和塔线分离法考虑塔 线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法。
背景技术
常规输电塔,是与超高输电塔相比较,其塔高在梯度风高度范围内,未采 用钢管混凝土复合材料的输电塔。相对而言,常规输电塔在输电线路中更加普 遍地被采用。
采用杆塔设计规范计算的风荷载简明、方便、省时,现阶段该方法仍被设 计人员广泛采用。通过规范计算的风荷载应该具有能够使输电塔的风振响应和 实际最大风振响应等效的作用。采用准确的效静力风荷载进行杆塔设计是保证 输电线路正常运行的前提。现有电力相关标准中:例如文献(1)GB 50545-2010. 110kV~750kV架空输电线路设计规范[S].北京:中国计划出版社,2010;(2) GB 50665-2011.1000kV架空输电线路设计规范[S].北京:中国计划出版社, 2011;(3)DL/T 5154-2012.架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S].北京:中 国计划出版社,2012和(4)DL/T 5504-2015.特高压架空输电线路大跨越设计技 术规定[S].北京:中国计划出版社,2015中给出了60m以下的单塔风振系数的取 值,并推荐了60m以上时采用荷载规范计算风振系数。荷载规范的风振系数适 用于外形和质量有规律变化的密实建筑物。输电塔为格构式构筑物,横担和横 隔面的质量和挡风面积对风振系数的影响大。另外,采用钢管混凝土是荷载规 范计算风振系数时没有考虑到的。采用随机振动理论计算输电塔的等效静力风 荷载时,表达式涉及复杂的多重积分,并且输电塔的外形和质量分布不规律, 很难用一个统一的表达式概括。并且,导线发生风振时的气动阻尼随平均风速 的增加而增大,风振响应的共振分量因气动阻尼而大幅降低,计算中可忽略不 计。并且常规输电塔组成的单塔体系还需要考虑塔线耦合效应产生的,这对最 终计算出高精度的单塔体系风荷载具有重要的意义。
发明内容
针对上述问题,本发明提供了一种基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦 合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,来提高塔线体系风载荷计算 精度。为达到上述目的,本发明采用的具体技术方案如下:
一种基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计 风载荷的计算方法,具体步骤为:S1:搭建常规输电塔的塔线体系,并获取塔 线体系的常规输电塔、输电线、绝缘子串的物理参数;上述数据至少包括常规 输电塔所在地面粗糙度类别、设定10m高度处的平均分速常规输电塔的 总高度H、跟开b1、横担个数nc、横担平均外伸长度以及输电塔与导线、绝 缘子串的布置方案;还包括导线线性和导线线长等。S2:基于塔线耦合影响因 子,根据塔线体系中杆塔等效阻尼系数δe;S3:将步骤S2得到的塔线体系中杆 塔等效阻尼系数δe来替换阻尼系数ζ1,求取塔线体系常规输电塔的风振系数 β(z);考虑线形与线长影响因子,计算塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振 系数β;S4:考虑塔线耦合效应,求取塔线体系风荷载脉动折减系数εc;S5:根 据步骤S4得到的塔线体系风荷载脉动折减系数,对步骤S3中的塔线体系常规 输电塔的风振系数、塔线体系输电线的风振系数进行修正计算,得到塔线体系 常规输电塔的修正风振系数β*(z)和塔线体系输电线的修正风振系数β*;S6:基 于塔线分离法,在等效振动惯性力作用下计算塔线体系中常规输电塔的设计风 荷载fESWL(z)和输电线的设计风荷载WX。
再进一步的技术方案,步骤S2的具体步骤为:
S21:根据步骤S1的常规输电塔的塔线体系,得到常规输电塔塔线体系计 算模型图;所述塔线体系计算模型中的杆塔为密实结构,塔身为正方形的变截 面,由下至上尺寸变小,横担为等截面;所述塔线体系计算模型中的导线两端 等高,与固定铰支座连接;所述塔线体系计算模型中的杆塔高度为H,横担悬 臂长度为lca,绝缘子长度为lin,导线跨度为L。导线挂点无高差。S22:设定输 电线和绝缘子串振动的假设条件,得到的常规输电塔塔线体系中输电线和绝缘 子串的振型图以及迎风面、被风面输电线和绝缘子串的广义质量、广义刚度和 广义阻尼;并将常规输电塔塔线体系中输电线和绝缘子串组合形成索结构体系;所述导线和绝缘子串振动的假设条件为:迎风面和背风面的导线在风荷载下的 振动同步;绝缘子串的频率和阻尼比由导线控制,与导线的一致。所述迎风面、 被风面导线的广义质量计算公式为:
所述迎风面、被风面导线的广义刚度计算公式为:所述迎风面、 被风面导线的广义阻尼计算公式为:mc为单根导线单位线长的质 量;单根导线振型γg为导线的自重比载;σ0为导线的水平初 应力;Γ为导线的线长,ζc=ζsc+ζac;ζsc为导线结构阻尼比;ζac为导线 启动阻尼比;Nc为分裂导线的个数;Tw为平均风状态下单根导线的水平张力;ζc为导线阻尼比;所述迎风面、被风面绝缘子串的广义质量计算公式为: 所述迎风面、被风面绝缘子串的广义刚度计算公式为: 所述迎风面、被风面绝缘子串的广义阻尼计算公式为:其中,min为绝缘子串单位高度质量;Din为绝缘子串迎风外径; 绝缘子串振型H-lin≤z≤H;ζin为绝缘子串阻尼比;lin为绝缘 子长度;其中,索结构体系对应的广义质量、广义刚度和广义阻尼的计算公式 为:本发明中,下标ci表示索结构。
S23:将步骤S22得到的数据构建索结构体系结合杆塔结构组成塔线耦合简 化计算模型;S24:基于杆塔结构组成塔线耦合简化计算模型,求取常规输电塔 塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量的均方值和单塔时杆塔顺风向位移共振 分量的均方值;从而得到二者的比例式;所述塔线体系下杆塔顺风向位移的共 振分量的均方值的计算公式为:
为杆塔的广义质量,Mca为横担的质量,mt(z)为随高 度变化的杆塔单位高度质量;coh(z1,z2)为z1和z2高度处两点的脉动风速的相干函 数;Sf(nt)为归一化风速谱,nt为杆塔脉动风速的频率;σv'为 脉动风速的标准差;为索结构与杆塔的广义质量比值,λn为索结构与杆塔的频率比值;λn=nci/nt;导线悬挂于杆塔的顶部,ζt为 总阻尼比;ζt=ζst+ζat;ζst为杆塔结构阻尼比;ωt为杆塔无阻尼振动的圆频率;δci为 索结构总阻尼比,近视取导线阻尼比,δci≈ζc,ζc=ζsc+ζac;
S25:基于步骤S24得到的计算公式,推导常规输电塔悬挂输电线后塔线等 效阻尼系数的计算公式,并计算塔线体系中杆塔等效阻尼系数。计算公式的步 骤为:悬挂导线后杆塔的等效阻尼比为:
其中,ρ与ζe的关系为:对于输电塔线体系而言,索结构为柔性 体系,卓越频率远小于杆塔的频率;则忽略λn的高阶项;杆塔的阻尼比约为0.01, 索结构的阻尼比小于1,则忽略项;导线悬挂于杆塔的顶部,故悬 挂导线后塔线等效阻尼系数的计算公式为:
再进一步的技术方案,步骤S3求取塔线体系常规输电塔的风振系数β(z)的 步骤为:S311:根据步骤S1中常规输电塔的物理参数,确定常规输电塔所在地 面粗糙度类别,设定10m高度处的平均分速常规输电塔的总高度H;跟 开b1;横担个数nc;横担平均外伸长度自立式输电塔分为横隔面、横担和 剩余塔身3部分;横隔面、横担、剩余塔身的质量和挡风面积沿高度的分布规 律不同,在计算过程中需要区别对待。S312:构建常规输电塔的风荷载的计算 模型,通过水平均布荷载作用下结构的挠曲线获得常规输电塔0°风向角的1阶 侧弯振型φ1(z);z为实际高度值。对于该弯曲振型,有如下积分关系:根据荷载规范引入背景分量因子 Bz(z),进而计算输电塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρx和脉动风荷载在 竖直方向的相关系数ρz;
根据荷载规范引入的共振分量因子R;确定地面粗糙度指数α;峰值因子gs;10m高度处的湍流度I10;b为外轮廓宽度;共振分量因子R 的计算公式为:其中,ξ1=δe;n 为脉动风速的频率;当塔高H确定时,Bz(z)的表达式为:
S314:根据地面粗糙度类别获取背景分量因子的中间变量γ的拟合系数kγ和 aγ;根据常规输电塔的宽度、深度得到风振系数考虑整体外形变化的修正系数 θv;根据常规输电塔的横担平均外伸长度、总高度、横担个数得到风振系数考 虑附加面积的修正系数θa与风振系数考虑附加质量的修正系数θm的乘积θl;
S315:简化并得到剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的计 算公式并计算得到对应的剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的 θb(z);计算得到横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θb(zI)和横隔面 的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θb(zJ);
再进一步的技术方案,塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数步骤 为β;S321:根据步骤S1中常规输电塔塔线体系的输电线、绝缘子串的物理参 数,以重力和平均风荷载作用下作为导线和悬垂绝缘子串计算的初始条件,通 过LRC方法确定悬垂绝缘子串风偏角的计算模型;所述导线物理参数至少包括 导线型号、导线计算截面积、导线弹性模量、线密度、导线外径;所述输电塔 上的绝缘子串物理参数至少包括绝缘子串长度、绝缘子串弹性模量、绝缘子串 质量、绝缘子串挡风面积。S322:计算常规输电塔塔线体系中输电塔之间导线 单位面积的等效静力风荷载;所述输电塔之间导线单位面积的等效静力风荷载pESWL的计算公式为:式中,(:,i)表示矩阵的第i列元素;为 等效背景风压;为平均风荷载;导线在风荷载作用下的振动方程矩阵表达式为:
M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K刚度矩阵;Ls为节点从属面积矩阵;
S323:计算塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数β;
为平均风荷载作用下B点的顺风向位移, 为平均风偏角;具 体计算公式为:Gv分别为目标点处悬垂绝缘子串的平 均风荷载和竖向重力荷载;Wh、Wv分别为目标点处导线传递给悬垂绝缘子串的平 均风荷载和竖向荷载。
再进一步的技术方案为:塔线体系风荷载脉动折减系数εc的计算步骤为:
S41:构建常规输电塔塔线体系计算模型,并得到塔线体系计算模型图;
S42:根据常规输电塔,建立杆塔响应与杆塔风振系数的关系,得到塔高H 处建立杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值σut(H)与杆塔风振系数β(H)的关系式;其中,ω0为基本风压;μz(H)为风压随常规单塔高 度变化系数;μs(H)为杆塔随高度阻力系数;bs(H)随高度变化的迎风面宽度;gs为峰值因子;ω1为顺风向1阶模态的自振圆频率;m(H)为随高度变化的单位高 度质量;当导线悬挂于杆塔顶部时,建立导线与导线风振系数的关系,得到导 线荷载引起塔顶位移的均方根值σuc(H)的计算公式;其中,Np为导线的相数;μsc为导线阻力系数;μz(Hc)为风压随导线高度变化系 数Nc为分裂导线的个数;Dc为子导线/地线的计算外径;Lp为水平档距;H为塔 高高度;Et为弹性模量。σut(z)与杆塔风振系数β(z)的关系为:
S43:根据步骤S41得到的内容,采用SRSS的方法确定塔线体系下杆塔的 峰值响应计算公式;
S44:基于步骤S43的塔线体系下杆塔的峰值响应计算公式,采用塔线分离 方法,引入杆塔风荷载脉动折减系数,并得到所述杆塔的峰值响应计算公式的 等价峰值响应计算公式:表示 杆塔荷载引起的峰值响应,表示输电线荷载引起的峰值响应。
S45:以塔顶位移响应为目标,对步骤S44得到的所述杆塔的峰值响应计 算公式的等价峰值响应计算公式进一步更新,得到带未知导线荷载引起塔顶位 移的均方根值和未知杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值的脉动折减系数更新计 算公式;
S46:将步骤S42中的计算得到的导线荷载引起塔顶位移的均方根值和杆塔 荷载引起塔顶位移的均方根值带入步骤S45得到脉动折减系数的更新计算公式 中,得到脉动折减系数的最终计算公式,并计算杆塔风荷载脉动折减系数;
Sf(n)为归一化风速谱,Iz(z)为z高度处的脉动风湍流密度;I10为10m高度处的脉动风湍流密度;x′1为公式中,n=n1时 的取值,n1为输电塔的1阶模态频率;u1和ηxz1是与风场湍流特性和空间相关性 等有关的系数,分别称为综合影响系数和空间相关性折减系数。
再进一步的技术方案,基于塔线分离法计算输电线设计风荷载WX的计算公 式为:其中,β=α'βc;式中,α′为取值小 于1的风压不均匀系数;μsc为导线阻力系数;βc为风荷载调整系数,计算风偏角时 取1;Dc为子导线/地线的计算外径;Lp为杆塔的水平档距;Bl为覆冰时风荷载的 增大系数;ω0为基本风压;μz为风压随高度变化系数;Bl为覆冰时风荷载的增 大系数;Nc为分裂导线的个数;θ为风向角。
本发明的有益效果:采用等效振动惯性力法,并对阻尼系数进行精细化计 算以及考虑考虑塔线耦合效应产生的情况,对塔线体系中常规输电塔设计风荷 载进行计算。通过塔线分离法,并且考虑了阻尼系数进行精细化计算以及考虑 考虑塔线耦合效应产生的情况对塔线体系输电线设计风荷载进行计算,使最终 设计出的塔线体系更为接近实际,设计精度高。
附图说明
图1是塔线体系计算模型图;
图2是导线和绝缘子串的振型图;
图3是塔线耦合简化计算模型图;
图4是常规输电塔计算图;
图5是悬垂绝缘子串风偏角计算模型示意图;
图6是本发明计算流程图;
图7是塔线体系中杆塔等效阻尼系数计算流程图;
图8是塔线体系常规输电塔的风振系数计算流程图;
图9是塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数计算流程图;
图10是塔线体系风荷载脉动折减系数计算流程图;
图11为风向角的定义图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
一种基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计 风载荷的计算方法,结合图6可以看出,具体步骤为:S1:搭建常规输电塔的 塔线体系,并获取塔线体系的常规输电塔、输电线、绝缘子串的物理参数;
结合图1可以看出为常规输电塔的塔线体系。在本实施例中,物理参数为: H=90m,As,ca=0.372m2,Mca=5514.522kg,μs(z)=1,lin=10m,L=700m,Nc=6,mc=1.917kg/m,Dc=0.032m,μsc=1,T0=70500.446N, min=123.808kg/m,Din=0.36m,α=0.15,以上参数中T0为导线的水平初张力。 来流风向为90°,杆塔不考虑被风面的风荷载,横担的被风面风荷载与迎风面风 荷载相同,不考虑遮挡效应。杆塔和导线的体形系数取1。
S2:基于塔线耦合影响因子,根据塔线体系中杆塔等效阻尼系数δe;具体 的,结合图7可以看出,步骤S2的具体步骤为:S21:根据步骤S1的常规输电 塔的塔线体系,得到常规输电塔塔线体系计算模型图,详见图2。所述塔线体 系计算模型中的杆塔为密实结构,塔身为正方形的变截面,由下至上尺寸变小, 横担为等截面;所述塔线体系计算模型中的导线两端等高,与固定铰支座连接; 所述塔线体系计算模型中的杆塔高度为H,横担悬臂长度为lca,绝缘子长度为 lin,导线跨度为L;导线挂点无高差。S22:设定输电线和绝缘子串振动的假设 条件,得到的常规输电塔塔线体系中输电线和绝缘子串的振型图以及迎风面、 被风面输电线和绝缘子串的广义质量、广义刚度和广义阻尼;并将常规输电塔 塔线体系中输电线和绝缘子串组合形成索结构体系;迎风面、被风面导线的广 义质量计算公式为:所述迎风面、被风面导线的广 义刚度计算公式为:所述迎风面、被风面导线的广义阻尼计算公式 为:mc为单根导线单位线长的质量;单根导线振型γg为导线的自重比载;σ0为导线的水平初应力;Γ为导线的线长,ζc=ζsc+ζac;ζsc为导线结构阻尼比;ζac为导线启动阻尼比;Nc为分裂导线的个数; Tw为平均风状态下单根导线的水平张力;ζc为导线阻尼比;
所述迎风面、被风面绝缘子串的广义质量计算公式为:所述迎风面、被风面绝缘子串的广义刚度计算公式为:所述迎风面、 被风面绝缘子串的广义阻尼计算公式为:其中,min为绝缘子串单 位高度质量;Din为绝缘子串迎风外径;绝缘子串振型H-lin≤z≤H;ζin为绝 缘子串阻尼比;lin为绝缘子长度;其中,索结构体系对应的广义质量、 广义刚度和广义阻尼的计算公式为:
S23:将步骤S22得到的数据构建索结构体系结合杆塔结构组成塔线耦合简 化计算模型,在本实施例中,该模型详见图3;S24:基于杆塔结构组成塔线耦 合简化计算模型,求取常规输电塔塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量的均 方值和单塔时杆塔顺风向位移共振分量的均方值;从而得到二者的比例式;所 述塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量和所述单塔时杆塔顺风向位移共振分 量的比例式为:所述单塔时杆塔顺风向 位移共振分量的均方值为:
所述塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量的均方值的计算公式为:
S25:基于步骤S24得到的计算公式,推导常规输电塔悬挂输电线后塔线 等效阻尼系数的计算公式,并计算塔线体系中杆塔等效阻尼系数。
塔线体系中杆塔等效阻尼系数计算公式为:
对于输电塔线体系而言,索结构为柔性体系,卓越频率远小于杆塔的频率。 因此,公式(1)可以忽略λn的高阶项。此外,杆塔的阻尼比约为0.01,索结构 的阻尼比小于1,可以忽略项。对于图3的计算模型,导线悬挂于杆塔的顶 部,此时,公式(1)可以简化为:
S3:结合图8可以看出,将步骤S2得到的塔线体系中杆塔等效阻尼系数δe来替换阻尼系数ζ1,求取塔线体系常规输电塔的风振系数β(z);在本实施例中, 结合图4可以看出,为常规输电塔计算图;具体步骤:S311:根据步骤S1中常 规输电塔的物理参数,确定常规输电塔所在地面粗糙度类别,设定10m高度处 的平均分速常规输电塔的总高度H;跟开b1;横担个数nc;横担平均外伸 长度
S312:构建常规输电塔的风荷载的计算模型,通过水平均布荷载作用下结 构的挠曲线获得常规输电塔0°风向角的1阶侧弯振型φ1(z);
在本发明中,结合图10可以定义,当来流风平行于横担轴向时风向角 θ=0°,当来流风平行于导线走向时风向角θ=90°。其中,x向表示横担轴向, y向表示顺线向。
风振系数随风向角的变化不大,并且风向角对塔身风振系数和横担风振系 数的影响是相反的,对整塔而言该影响可以抵消。电力相关标准中仅考虑0o风 向角下输电塔的风振系数。因此,可以忽略风向角对风振系数的影响,其它风 向角下的等效静力风荷载通过DL/T 5154中的风荷载分配系数确定。
其中,电力相关标准包括:GB 50545-2010.110kV~750kV架空输电线路设 计规范[S].北京:中国计划出版社,2010;GB 50665-2011.1000kV架空输电 线路设计规范[S].北京:中国计划出版社,2011;DL/T 5154-2012.架空输电线路 杆塔结构设计技术规定[S].北京:中国计划出版社,2012;DL/T 5504-2015.特 高压架空输电线路大跨越设计技术规定[S].北京:中国计划出版社,2015。
S313:根据荷载规范引入背景分量因子Bz(z),进而计算输电塔的脉动风荷 载在水平方向的相关系数ρx和脉动风荷载在竖直方向的相关系数ρz;
S314:根据地面粗糙度类别获取背景分量因子的中间变量γ的拟合系数kγ和 aγ;详见表1;根据常规输电塔的宽度、深度得到风振系数考虑整体外形变化的 修正系数θv;取值详见表2;根据常规输电塔的横担平均外伸长度、总高度、横 担个数得到风振系数考虑附加面积的修正系数θa与风振系数考虑附加质量的修 正系数θm的乘积θl;取值详见表4.
表1 kγ和aγ的取值
地面粗糙度类别 | A | B | C | D |
k<sub>γ</sub> | 1.276 | 0.910 | 0.404 | 0.155 |
a<sub>γ</sub> | 0.186 | 0.218 | 0.292 | 0.376 |
表2常规输电塔的宽度深度均沿高度作同一规律变化时θv的值
b<sub>s</sub>(H)/b<sub>s</sub>(0) | 1 | 0.9 | 0.8 | 0.7 | 0.6 | 0.5 | 0.4 | 0.3 | 0.2 | 0.1 |
θ<sub>v</sub> | 1.00 | 1.10 | 1.20 | 1.32 | 1.50 | 1.75 | 2.08 | 2.53 | 3.30 | 5.60 |
根据常规输电塔的横担平均外伸长度、总高度、横担个数得到风振系数考虑附加面积的 修正系数θa与风振系数考虑附加质量的修正系数θm的乘积θl;
表4常规输电塔的θl取值
S315:简化并得到剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的计 算公式并计算得到对应的剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的 θb(z);计算得到横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θb(zI)和横隔面的 风振系数考虑局部外形变化的修正系数θb(zJ);
表3常规输电塔的θn取值
S317:计算风振系数β(z);其中,风振系数表达式为:
本实施例中,结合图9可以看出,计算塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角 的风振系数β的步骤为:S321:根据步骤S1中常规输电塔塔线体系的输电线、 绝缘子串的物理参数,以重力和平均风荷载作用下作为导线和悬垂绝缘子串计 算的初始条件,通过LRC方法确定悬垂绝缘子串风偏角的计算模型;具体见图 5.S322:计算常规输电塔塔线体系中输电塔之间导线单位面积的等效静力风荷 载;输电塔之间导线单位面积的等效静力风荷载pESWL的计算公式为:
式中,Y′分别为脉动风荷载作用下导线节点顺风向的加速度、速度 和位移;为平均风荷载作用下导线节点顺风向的位移;M为质量矩阵;C为 阻尼矩阵;K刚度矩阵;Ls为节点从属面积矩阵;导线在脉动风荷载作用下的 振动方程矩阵表达式为:323:计算悬垂绝缘子串的风振 系数;
式中,α′为取值小于1的风压不均匀系数;μsc为阻力系数;βc为风荷载调整系 数,计算风偏角时取1;Dc为子导线/地线的计算外径;Lp为杆塔的水平档距;Bl为覆冰时风荷载的增大系数。
α′βc和荷载规范中β的物理意义一致,考虑了脉动的风动力效应。通过考虑风 压不均匀性的平均风荷载乘以βc,以此确定导/地线的等效静力风荷载。因此, α′βc=β。根据物理意义,采用LRC计算的β不是常数,为方便设计使用, 根据pESWL的分布特性,采用平均化方式处理,计算一致β。pESWL在目标点位置凸出, 在远离目标点位置逼近于为非均匀分布。为此,设定计算域,将目标点的等 效静力风荷载在计算域内进行平均化处理。当目标点与邻近杆塔导线挂点的高 差为0时,选取目标点水平档距为其计算域。有高差时,目标点位置处的等效 静力风荷载显得更加凸出,从而选取目标点左右1/4跨为其计算域。
S4:考虑塔线耦合效应,求取塔线体系风荷载脉动折减系数εc,结合图10 可以看出,具体为:S41:构建常规输电塔塔线体系计算模型,并得到塔线体系 计算模型图详见图1;所述塔线体系计算模型中的杆塔为密实结构,塔身为正方 形的变截面,由下至上尺寸变小,横担为等截面;所述塔线体系计算模型中的 导线两端等高,与固定铰支座连接;所述塔线体系计算模型中的杆塔高度为H, 横担悬臂长度为lca,绝缘子长度为lin,导线跨度为L。导线挂点无高差;
S42:根据常规输电塔,建立杆塔响应与杆塔风振系数的关系,得到塔高H 处建立杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值σut(H)与杆塔风振系数β(H)的关系 式;当导线悬挂于杆塔顶部时,建立导线与导线风振系数的关系,得到导线荷 载引起塔顶位移的均方根值σuc(H)的计算公式;
其中,ω0为基本风压;μz(H)为风压随 常规单塔高度变化系数;μs(H)为杆塔随高度阻力系数;bs(H)随高度变化的迎 风面宽度;gs为峰值因子;ω1为顺风向1阶模态的自振圆频率;m(H)为随高度 变化的单位高度质量;所述导线荷载引起塔顶位移的均方根值σuc(H)的计算公式 为:
其中,Np为导线的相数;μsc为导线阻力系数;μz(Hc)为风压随导线高度变 化系数Nc为分裂导线的个数;Dc为子导线/地线的计算外径;Lp为水平档距;H 为塔高高度;Et为弹性模量。S43:根据步骤S41得到的内容,采用SRSS的方 法确定塔线体系下杆塔的峰值响应计算公式;其中,所述为由杆塔平均风荷载引起的杆塔响应;为由导线平均风荷载引起 的杆塔响应;为塔线体系平均风荷载引起的杆塔响应σr为塔线体系下杆塔响应 的标准差;gs为峰值因子;σrt为由杆塔脉动风荷载引起的塔体均方根响应;σrc为 由导线脉动风荷载引起的塔体均方根响应。S44:基于步骤S43的塔线体系下杆 塔的峰值响应计算公式,采用塔线分离方法,引入杆塔风荷载脉动折减系数, 并得到所述杆塔的峰值响应计算公式的等价峰值响应计算公式; 表示杆塔荷载引起的峰值响应,表示 输电线荷载引起的峰值响应。S45:以塔顶位移响应为目标,对步骤S44得到的 所述杆塔的峰值响应计算公式的等价峰值响应计算公式进一步更新,得到带未 知导线荷载引起塔顶位移的均方根值和未知杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值 的脉动折减系数更新计算公式;
S46:将步骤S42中的计算得到的导线荷载引起塔顶位移的均方根值和杆塔 荷载引起塔顶位移的均方根值带入步骤S45得到脉动折减系数的更新计算公式 中,得到脉动折减系数的最终计算公式,并计算杆塔风荷载脉动折减系数;计 算杆塔风荷载脉动折减系数的公式为:
在等效振动惯性力作用下计算得到塔线体系中常规输电塔的设计风荷载 fESWL(z)与所述塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)的关系式存在:
u1和ηxz1是与风场湍流特性和空间相关性等有关的系数,分别称为综合影响 系数和空间相关性折减系数。
在本实施例中,基于塔线分离法计算输电线设计风荷载WX的计算公式为:
其中,β=α'βc;α′为取值小于1的风压不均匀系数;μsc为导线阻力系数;βc为 风荷载调整系数,计算风偏角时取1;Dc为子导线/地线的计算外径;Lp为杆塔 的水平档距;Bl为覆冰时风荷载的增大系数;ω0为基本风压;μz为风压随高度变 化系数;Bl为覆冰时风荷载的增大系数;Nc为分裂导线的个数;θ为风向角。
综上可以基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线 设计风载荷,对常规输电塔进行设计。
应当指出的是,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上 述举例,本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改 性、添加或替换,也应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,其特征在于:具体步骤为:
S1:搭建常规输电塔的塔线体系,并获取塔线体系的常规输电塔、输电线、绝缘子串的物理参数;
S2:基于塔线耦合影响因子,根据塔线体系中杆塔等效阻尼系数ζe;
S3:将步骤S2得到的塔线体系中杆塔等效阻尼系数ζe来替换阻尼系数ζ1,求取塔线体系常规输电塔的风振系数β(z);
考虑线形与线长影响因子,计算塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数β;
其中,步骤S3求取塔线体系常规输电塔的风振系数β(z)的步骤为:
S312:构建常规输电塔的风荷载的计算模型,通过水平均布荷载作用下结构的挠曲线获得常规输电塔0°风向角的1阶侧弯振型φ1(z);
S313:根据荷载规范引入背景分量因子Bz(z),进而计算输电塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρx和脉动风荷载在竖直方向的相关系数ρz;
S314:根据地面粗糙度类别获取背景分量因子的中间变量γ的拟合系数kγ和aγ;根据常规输电塔的宽度、深度得到风振系数考虑整体外形变化的修正系数θv;根据常规输电塔的横担平均外伸长度、总高度、横担个数得到风振系数考虑附加面积的修正系数θa与风振系数考虑附加质量的修正系数θm的乘积θl;
S315:简化并得到剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的计算公式并计算得到对应的剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的θb(z);
计算得到横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θb(zI)和横隔面的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θb(zJ);
S316:根据塔身的实际高度值z,结合步骤S315对应得到的风振系数考虑局部外形变化的修正系数计算公式计算所述背景分量因子Bz(z),具体计算公式为:
S4:考虑塔线耦合效应,求取塔线体系风荷载脉动折减系数εc;
S5:根据步骤S4得到的塔线体系风荷载脉动折减系数,对步骤S3中的塔线体系常规输电塔的风振系数、风偏角的风振系数β进行修正计算,得到塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)和塔线体系输电线的修正风振系数β*;
S6:基于塔线分离法,在等效振动惯性力作用下计算塔线体系中常规输电塔的设计风荷载fESWL(z)和输电线的设计风荷载WX。
2.根据权利要求1所述的基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,其特征在于:步骤S2的具体步骤为:
S21:根据步骤S1的常规输电塔的塔线体系,得到常规输电塔塔线体系计算模型图;
所述塔线体系计算模型中的杆塔为密实结构,塔身为正方形的变截面,由下至上尺寸变小,横担为等截面;所述塔线体系计算模型中的导线两端等高,与固定铰支座连接;所述塔线体系计算模型中的杆塔高度为H,横担悬臂长度为lca,绝缘子长度为lin,导线跨度为L;导线挂点无高差
S22:设定输电线和绝缘子串振动的假设条件,得到的常规输电塔塔线体系中输电线和绝缘子串的振型图以及迎风面、被风面输电线和绝缘子串的广义质量、广义刚度和广义阻尼;并将常规输电塔塔线体系中输电线和绝缘子串组合形成索结构体系;
所述迎风面、被风面导线的广义质量计算公式为:
mc为单根导线单位线长的质量;单根导线振型γg为导线的自重比载;σ0为导线的水平初应力;Γ为导线的线长,ζc=ζsc+ζac;ζsc为导线结构阻尼比;ζac为导线启动阻尼比;Nc为分裂导线的个数;Tw为平均风状态下单根导线的水平张力;ζc为导线阻尼比;
其中,min为绝缘子串单位高度质量;Din为绝缘子串迎风外径;绝缘子串振型H-lin≤z≤H;ζin为绝缘子串阻尼比;lin为绝缘子长度;其中,索结构体系对应的广义质量、广义刚度和广义阻尼的计算公式为:
S23:将步骤S22得到的数据构建索结构体系结合杆塔结构组成塔线耦合简化计算模型;
S24:基于杆塔结构组成塔线耦合简化计算模型,求取常规输电塔塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量的均方值和单塔时杆塔顺风向位移共振分量的均方值;从而得到二者的比例式;
S25:基于步骤S24得到的计算公式,推导常规输电塔悬挂输电线后塔线等效阻尼系数的计算公式,并计算塔线体系中杆塔等效阻尼系数。
3.根据权利要求2所述的基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,其特征在于:步骤S24中所述塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量的均方值的计算公式为:
λn=nci/nt;
杆塔1阶模态的振型φt(z)=(z/H)2,0≤z≤H;
coh(z1,z2)为z1和z2高度处两点的脉动风速的相干函数;
ζt为总阻尼比;ζt=ζst+ζat;ζst为杆塔结构阻尼比;ωt为杆塔无阻尼振动的圆频率;ζci为索结构总阻尼比,近视取导线阻尼比,ζci≈ζc,ζc=ζsc+ζac;
所述单塔时杆塔顺风向位移共振分量的均方值为:
所述塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量和所述单塔时杆塔顺风向位移共振分量的比例式为:
步骤S25中推导常规输电塔悬挂导线后塔线等效阻尼系数的计算公式的步骤为:
悬挂导线后杆塔的等效阻尼比为:
4.根据权利要求1或3所述的基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,其特征在于:塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数β的步骤为:
S321:根据步骤S1中常规输电塔塔线体系的输电线、绝缘子串的物理参数,以重力和平均风荷载作用下作为导线和悬垂绝缘子串计算的初始条件,通过LRC方法确定悬垂绝缘子串风偏角的计算模型;
S322:计算常规输电塔塔线体系中输电塔之间导线单位面积的等效静力风荷载;
所述输电塔之间导线单位面积的等效静力风荷载pESWL的计算公式为:
导线在风荷载作用下的振动方程矩阵表达式为:
M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K刚度矩阵;Ls为节点从属面积矩阵;
S323:计算悬垂绝缘子串的风振系数;
5.根据权利要求1所述的基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,其特征在于:塔线体系风荷载脉动折减系数εc的计算步骤为:
S41:构建常规输电塔塔线体系计算模型,并得到塔线体系计算模型图;
S42:根据常规输电塔,建立杆塔响应与杆塔风振系数的关系,得到塔高H处建立杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值σut(H)与杆塔风振系数β(H)的关系式;
当导线悬挂于杆塔顶部时,建立导线与导线风振系数的关系,得到导线荷载引起塔顶位移的均方根值σuc(H)的计算公式;
S43:根据步骤S41得到的内容,采用SRSS的方法确定塔线体系下杆塔的峰值响应计算公式;
S44:基于步骤S43的塔线体系下杆塔的峰值响应计算公式,采用塔线分离方法,引入杆塔风荷载脉动折减系数,并得到所述杆塔的峰值响应计算公式的等价峰值响应计算公式;
S45:以塔顶位移响应为目标,对步骤S44得到的所述杆塔的峰值响应计算公式的等价峰值响应计算公式进一步更新,得到带未知导线荷载引起塔顶位移的均方根值和未知杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值的脉动折减系数更新计算公式;
S46:将步骤S42中的计算得到的导线荷载引起塔顶位移的均方根值和杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值带入步骤S45得到脉动折减系数的更新计算公式中,得到脉动折减系数的最终计算公式,并计算杆塔风荷载脉动折减系数;
7.根据权利要求1所述的基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,其特征在于:在等效振动惯性力作用下计算得到塔线体系中常规输电塔的设计风荷载fESWL(z)与所述塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)的关系式存在:
所述常规输电塔的塔线体系中常规输电塔设计风荷载fESWL(z)与所述塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)的关系式为:
其中,ξ1=ξe;
u1和ηxz1是与风场湍流特性和空间相关性等有关的系数,分别称为综合影响系数和空间相关性折减系数。
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