CN113670562A - 一种用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置及方法，涉及输电线路抗风技术领域，支架塔装置、倒塌触发装置和限位控制装置，支架塔装置作为实际工程中输电塔的等效缩尺支架模型；倒塌触发装置用于触发所述支架塔装置发生侧向位移的方向及时刻；以及限位控制装置用于控制所述支架塔装置侧向位移时的幅度。本装置及方法可有效控制不同的倒塔方向和侧移幅值，模拟不同的倒塔工况。并且还具有结构简单，易于安装，适用于多种输电塔塔型的特点；可以高效便捷的实现风洞中的薄弱塔倒塌工况模拟。

Description

一种用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置及方法

技术领域

本发明涉及输电线路抗风技术领域，尤其涉及一种用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置及方法。

背景技术

电力系统是大型生命线系统的重要组成部分，呈现非线性、高维、时变、多层动态特征，其安全问题一直备受重视，一旦出现问题就会造成难以估量的损失。由于我国自然灾害频繁，输电线路风致倒塔事故频发，需要进行重点研究。一方面，作为输电线路的重要支撑结构，输电线路杆塔是一类典型的风敏感结构。其抗风性能决定了强风作用下输电系统能否安全可靠运行；另一方面，输电塔-线体系的风致振动存在明显的耦联效应，与输电单塔倒塌破坏相比，输电塔线的连续性倒塌破坏往往会造成更严重的经济损失以及更高难度的运行恢复。综上，输电线路在强风作用下的抗连续性倒塌性能值得深入研究。

对于大跨度输电线路，若其中某基输电塔由于大风、疲劳损伤累计、风致异物撞击等等原因发生倒塌后，将其相邻的输电塔视为目标塔，则目标塔的边界条件及荷载状态都将发生显著改变。在薄弱塔倒塔冲击作用、线不平衡张力以及强风的共同作用下，目标塔与原始状态相比更容易发生破坏，引起更严重的输电线路破坏。

可以通过在风洞试验中模拟薄弱塔的倒塌破坏去分析不同的倒塌状态和风场组合下目标塔的响应特征及倒塌破坏触发条件。重点关注目标塔在薄弱塔倒塌过程中及倒塌后短时间内的振动响应变化、以及塔线体系振动稳定后的响应特征。通过改变风速、湍流度、风攻角等风场特性，结合前述结构参数敏感度分析，研究风场特性与档距利用率、输电塔高度等结构参数与连续性倒塌破坏概率之间的关系，获得不同档距、不同薄弱塔相对位置下的连续性倒塌触发条件的变化规律。现有的缩尺模型模拟技术大多针对完整的输电塔结构模拟，尚缺乏倒塔过程的模拟装置。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置及方法，用于在风洞试验中模拟不同的倒塔工况。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，其，包括：

支架塔装置，其作为实际工程中输电塔的等效缩尺支架模型；

倒塌触发装置，其用于触发所述支架塔装置发生侧向位移的方向及时刻；以及，

限位控制装置，其用于控制所述支架塔装置侧向位移时的幅度。

如上所述的用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，进一步地，所述支架塔装置包括：塔头框架、塔身和钢板底座及支架，所述塔头框架用于模拟实际输电塔的塔头结构以及悬挂绝缘子串和导线结构；所述塔身的上端连接所述塔头框架且所述塔身的下端连接所述钢板底座及支架，其中，所述塔身设有球铰，所述球铰用于模拟不同方向的倒塔侧移。

如上所述的用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，进一步地，所述倒塌触发装置包括：第一撑杆、电磁控制器、磁吸板和电磁控制底座，所述第一撑杆的上端可转动地连接在所述塔头框架上且所述第一撑杆的下端通过所述磁吸板连接在所述电磁控制底座上，所述电磁控制底座与磁吸板通过磁吸连接。

如上所述的用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，进一步地，所述第一撑杆的上端通过第一螺栓橡胶套圈可转动地连接在所述塔头框架的下部塔身杆上，其中，所述第一螺栓橡胶套圈包括内层的橡胶套圈与同轴套设在所述橡胶套圈的外层的不锈钢套圈。

如上所述的用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，进一步地，所述第一撑杆的上端与所述第一螺栓橡胶套圈焊接且所述第一撑杆的下端与所述磁吸板焊接。

如上所述的用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，进一步地，所述限位控制装置包括第二撑杆、滑块、滑轨，所述第二撑杆的上端可转动地连接在所述塔头框架上且所述第二撑杆的下端通过所述滑块滑动连接在所述滑轨上，所述滑轨上设有限位块，所述限位块用于控制支架塔装置的最大侧倒值。

如上所述的用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，进一步地，所述第二撑杆的上端通过第二螺栓橡胶套圈可转动地连接在所述塔头框架的下部塔身杆上，其中，所述第一螺栓橡胶套圈包括内层的橡胶套圈与同轴套设在所述橡胶套圈的外层的不锈钢套圈。

如上所述的用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，进一步地，所述第二撑杆的上端与所述第二螺栓橡胶套圈焊接且所述第二撑杆的下端与所述滑块焊接。

一种用于模拟风洞试验输电塔倒塌的模拟方法，其利用如上所述的装置，其包括：

所述倒塌触发装置绕支架塔装置的塔身杆转动，其底部的电磁控制底座在确定倒塔方向后固定于地面，其中，电磁控制底座通过磁吸板和第一撑杆使塔头部分保持稳定；

所述限位控制装置绕支架塔装置的塔身杆转动，其底部的滑轨在确定倒塔方向后固定于地面；

在风洞试验中，根据试验需要在特定的风速或时刻控制电磁控制底座与磁吸板脱开，支架塔装置绕球铰发生弯折，以模拟倒塔过程；

与撑杆相连的滑块在滑轨内滑动，以通过滑轨方向控制塔头弯折方向；其中，限位块位于滑轨内，根据试验需要固定在滑轨的相应位置；

滑块在滑动到限位块处后停止移动，以控制倒塌模拟的塔头侧倒幅值。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本装置及方法可有效控制不同的倒塔方向和侧移幅值，模拟不同的倒塔工况。并且还具有结构简单，易于安装，适用于多种输电塔塔型的特点；可以高效便捷的实现风洞中的薄弱塔倒塌工况模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置的整体示意图；

图2为本发明实施例的支架塔装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的倒塌触发装置的结构示意图；

图4为本发明实施例的限位控制装置的结构示意图。

图中附图标记含义：1、支架塔装置；2、倒塌触发装置；3、限位控制装置；4、塔头框架；5、含球铰塔身；6、钢板底座及支架；7、第一螺栓橡胶套圈；8、第一撑杆；9、磁吸板；10、电磁控制底座；11、内层橡胶套圈；12、外层不锈钢套圈；13、第二螺栓橡胶套圈；14、第二撑杆；15、滑块；16、滑轨；17、限位块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参阅图1至图4，为一种用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，包括倒塌触发装置2、限位控制装置3；支架塔装置1的塔头塔身连接处通过第一螺栓橡胶套圈7与倒塌触发装置2、限位控制装置3连接；支架塔装置1、倒塌触发装置2、限位控制装置3的底部均在根据试验需要调整好相对位置后固结于地面。

支架塔装置1的塔身部位含有球铰，用于模拟倒塔工况，可根据实际工程需要控制支架塔装置1的侧倒方向；支架塔装置1下方的钢板底座及支架用于控制支架塔的动力特性，通过调整支架与塔身杆的焊接高度，改变支架塔的前两阶固有频率，使其与原输电塔的固有频率满足缩尺比要求。

倒塌触发装置2中的第一螺栓橡胶套圈7包括内层的橡胶套圈11与外层的不锈钢套圈12；橡胶套圈套于支架塔装置的塔身杆上，可绕杆转动。在根据试验需要确定了倒塌触发装置与支架塔装置的相对位置后，通过拧紧螺栓使套圈紧固，不能再与支架塔装置发生相对转动；第一撑杆8上端与第一螺栓橡胶套圈7焊接，下端与磁吸板9焊接；电磁控制底座10在确定倒塔方向后固定于地面，与磁吸板9通过磁吸连接；在风洞试验中，可根据试验需要在特定的风速或时刻控制电磁控制器与磁吸板脱开，支架塔装置绕球铰发生弯折，模拟倒塔过程。

限位控制装置3中的第二螺栓橡胶套圈13,包括内外两层，结构同第一螺栓橡胶套圈7；限位控制装置3中的第二撑杆14上端与第二螺栓橡胶套圈13焊接，下端与滑块15焊接；滑轨16在确定倒塔方向后固定于地面；与第二撑杆14相连的滑块15在滑轨16内滑动，故可通过滑轨方向控制塔头4的侧倒方向；限位块17于滑轨16内，可根据试验需要固定在滑轨16的相应位置；滑块15在滑动到限位块17处后停止移动，故可以控制倒塌模拟的塔头侧移幅值。

本实施例的支架塔装置1的杆件截面尺寸与杆件长度均根据实际输电塔按照风洞试验设计的缩尺比计算确定；倒塌触发装置2和限位控制装置3中的撑杆长度根据实际试验的需求选择；倒塌触发装置2中的电磁控制器10的功率根据实际试验的需求选择；限位控制装置3中的滑轨16的长度、滑轨16与滑块15间的摩擦系数根据实际试验的需求选择。

本装置的关键技术参数在于支架塔装置1的杆件截面尺寸与杆件长度、支架塔装置1的球铰布置高度、倒塌触发装置2和限位控制装置3中的撑杆长度及倾斜角度、电磁控制器10的功率、滑轨16的长度及布置位置、滑轨16与滑块15间的摩擦系数；电磁控制器10的功率取值应综合考虑风洞试验中的风速工况及湍流度等风场特性参数、支架塔装置1的塔头框架4的质量和支架塔装置1的球铰布置高度；滑轨16与滑块15间的摩擦系数应综合考虑需要模拟的倒塔过程的持续时间以及风洞试验中的风速工况及湍流度等风场特性参数。

安装时，现场首先将支架塔装置1固定在风洞地面上；之后，根据试验设计工况令倒塌触发装置2绕支架塔装置的塔身杆转动，确定相对位置后将倒塌触发装置2的底座固定在风洞地面上。之后，根据试验设计工况令限位控制装置3绕支架塔装置的塔身杆转动，确定相对位置后将限位控制装置3的底座固定在风洞地面上。之后，紧固倒塌触发装置2和限位控制装置3的螺栓橡胶套筒上的螺栓，直至两个螺栓橡胶套筒不能与塔身杆发生相对转动；之后，关闭倒塌触发装置2的电磁控制器，令塔头框架4绕球铰转动，同时滑块在滑轨内滑动至紧邻限位块；调整限位块位置，确认塔头框架4的侧倒幅值满足试验设计要求后将限位块固定于滑轨内；最后，恢复支架塔装置1呈无侧倒状态，开启电磁控制器，完成本发明装置的安装。

在模拟风洞试验输电塔倒塌的情景中，支架塔装置中的塔身球铰可模拟不同方向的倒塔侧移；通过调整球铰距离地面的高度可以模拟不同的输电塔破坏位置；倒塌触发装置的螺栓橡胶套管可绕塔身杆转动后固定，可根据试验需要在特定的风速或时刻控制电磁控制器与磁吸板脱开，支架塔装置绕球铰发生弯折，模拟倒塔过程；限位控制装置的螺栓橡胶套管可绕塔身杆转动后固定，可根据试验需要确定滑轨在地面上的延伸方向与相对位置；滑块在滑动到限位块处后停止移动，可以通过调节限位块的固定位置控制塔头的侧移幅值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，其特征在于，包括：

支架塔装置，其作为实际工程中输电塔的等效缩尺支架模型；

倒塌触发装置，其用于触发所述支架塔装置发生侧向位移的方向及时刻；以及，

限位控制装置，其用于控制所述支架塔装置侧向位移时的幅度。

2.根据权利要求1所述的用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，其特征在于，所述支架塔装置包括：塔头框架、塔身和钢板底座及支架，所述塔头框架用于模拟实际输电塔的塔头结构以及悬挂绝缘子串和导线结构；所述塔身的上端连接所述塔头框架且所述塔身的下端连接所述钢板底座及支架，其中，所述塔身设有球铰，所述球铰用于模拟不同方向的倒塔侧移。

3.根据权利要求1所述的用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，其特征在于，所述倒塌触发装置包括：第一撑杆、电磁控制器、磁吸板和电磁控制底座，所述第一撑杆的上端可转动地连接在所述塔头框架上且所述第一撑杆的下端通过所述磁吸板连接在所述电磁控制底座上，所述电磁控制底座与磁吸板通过磁吸连接。

4.根据权利要求3所述的用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，其特征在于，所述第一撑杆的上端通过第一螺栓橡胶套圈可转动地连接在所述塔头框架的下部塔身杆上，其中，所述第一螺栓橡胶套圈包括内层的橡胶套圈与同轴套设在所述橡胶套圈的外层的不锈钢套圈。

5.根据权利要求4所述的用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，其特征在于，所述第一撑杆的上端与所述第一螺栓橡胶套圈焊接且所述第一撑杆的下端与所述磁吸板焊接。

6.根据权利要求1所述的用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，其特征在于，所述限位控制装置包括第二撑杆、滑块、滑轨，所述第二撑杆的上端可转动地连接在所述塔头框架上且所述第二撑杆的下端通过所述滑块滑动连接在所述滑轨上，所述滑轨上设有限位块，所述限位块用于控制支架塔装置的最大侧倒值。

7.根据权利要求6所述的用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，其特征在于，所述第二撑杆的上端通过第二螺栓橡胶套圈可转动地连接在所述塔头框架的下部塔身杆上，其中，所述第一螺栓橡胶套圈包括内层的橡胶套圈与同轴套设在所述橡胶套圈的外层的不锈钢套圈。

8.根据权利要求6所述的用于模拟风洞试验输电塔倒塌的支架塔装置，其特征在于，所述第二撑杆的上端与所述第二螺栓橡胶套圈焊接且所述第二撑杆的下端与所述滑块焊接。

9.一种用于模拟风洞试验输电塔倒塌的模拟方法，其利用如权利要求1-8任一所述的装置，其特征在于，包括：

所述倒塌触发装置绕支架塔装置的塔身杆转动，其底部的电磁控制底座在确定倒塔方向后固定于地面，其中，电磁控制底座通过磁吸板和第一撑杆使塔头部分保持稳定；

所述限位控制装置绕支架塔装置的塔身杆转动，其底部的滑轨在确定倒塔方向后固定于地面；

在风洞试验中，根据试验需要在特定的风速或时刻控制电磁控制底座与磁吸板脱开，支架塔装置绕球铰发生弯折，以模拟倒塔过程；

与撑杆相连的滑块在滑轨内滑动，以通过滑轨方向控制塔头弯折方向；其中，限位块位于滑轨内，根据试验需要固定在滑轨的相应位置；

滑块在滑动到限位块处后停止移动，以控制倒塌模拟的塔头侧倒幅值。

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