CN116150567B - 输电塔体内拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了输电塔体内拉索‑杠杆旋转惯容阻尼器系统优化方法，所述优化方法具体为：构建安装拉索‑杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程，以此确定拉索‑杠杆式旋转惯容阻尼器系统在输电塔内的安装情况以及安装参数信息；基于脉动风荷载特性对拉索‑杠杆式旋转惯容阻尼器系统在输电塔内的安装参数信息进行参数分析；获取输电塔架的性能需求，基于输电塔架的性能需求以及参数分析结果进行参数优化。本发明能够通过构建拉索‑杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程来确定具体的安装情况和安装参数信息，从而通过脉动风荷载特性对其进行参数分析，从而实现参数优化，使得输电塔的风振控制能够更加精准，减振性能更加高效。

Description

输电塔体内拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统优化方法

技术领域

本发明涉及输电塔风振控制技术领域，尤其是指输电塔体内拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统优化方法。

背景技术

台风、强台风是对输电线路影响最为严重的自然灾害之一，台风荷载会导致严重的结构构件损坏、整体倒塌或损毁等直接灾害及强降雨、洪水等次生灾害。架空输电线路杆塔、通讯塔、信号塔等高耸结构是一类对风荷载极其敏感的生命线设施或重要基建，在台风、强风等侵袭中容易导致倒塔、断杆、掉（断）线、风偏跳闸等严重灾害，进而产生大量经济损失。在风荷载作用下，导致输电塔倒塔、损毁的原因很多，且影响因素复杂，除了杆塔本身结构设计缺陷和设计风速取值较小的原因外，杆塔所在位置的微地形、微气象，风荷载特性，输电线路塔线耦合效应、长期运行下的杆件疲劳损伤、螺栓松动等多方面因素。

对于沿海台风多发地和已投运多年的老旧输电线路，通过加固改造可以快速提高其对应输电塔的静力风承载能力，具体可以采用增设局部十字形补强构件、增强塔头斜材和增设横隔面以及加强易屈曲的薄弱杆件等方式。但是这些加固措施并未考虑到脉动风的随机特性，且大大增加了铁塔的自身重量，在实施过程中，其中构件更换、增加截面的方式实施困难，会导致输电线路的建设成本攀升，造成巨大的资源占用。而对于广泛应用于建筑结构振动控制中的惯容减振系统，如调谐质量阻尼器（TMD）和调谐液柱阻尼器（TLCD），均需要在塔顶进行安装，对于调谐质量阻尼器和调谐液柱阻尼器而言，无论是支撑式布置还是悬吊布置，质量过小起不到控制效果，质量过大会给输电塔承载带来较大的荷载效应，且对输电线路的带电运行维护带来严重的威胁，难以应用于现有的输电塔的风致振动控制中可见，现有输电塔等结构的风振控制技术存在技术缺陷、现场实施困难、工程造价高等缺点，往往停留在理论和试验研究阶段，难以实现大规模推广应用。为此，针对输电塔的风振控制和加固，急需研究一种适用性强，实施方便，且工程造价低的新型输电塔风振控制技术。

而拉索是一类柔性预应力构件，具有只受拉而不受压的特点，且具备布置方便、结构强度高和冲击韧性强等良好特性。针对目前输电塔杆件加固及减振技术存在的缺点，现有的一种自立式输电塔塔身平面内预应力阻尼拉索加固技术和设计方法，与传统杆塔体外拉索布置加固方式不同，该方法将拉索布置在铁塔塔身平面内，可以增加铁塔节间段面内的抗侧向刚度，具有加固效果好、安装方便、运行维护简便和不占用额外空间等特点。但是此类方式并没有考虑脉动风的荷载特点，且拉索的附加阻尼比为经验取值，无法根据杆塔的实际性能需求进行设计，所能够达到的风振效果不够精准。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的缺点，提供输电塔体内拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统优化方法，通过构建拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程来确定具体的安装情况和安装参数信息，从而通过脉动风荷载特性对其进行参数分析，并实现进一步的参数优化，能够解决现有的通过拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器进行风振控制时，在设置拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的安装参数的过程中没有考虑到脉动风的荷载特点，风振控制效果不够精准的问题，使得输电塔的风振控制能够更加精准，拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的减振性能更加高效。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：

输电塔体内拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统优化方法，包括：

构建安装拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程，基于拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程确定拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器系统在输电塔内的安装情况以及安装参数信息；

基于脉动风荷载特性对拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器系统在输电塔内的安装参数信息进行参数分析；

获取输电塔架的性能需求，基于输电塔架的性能需求以及参数分析结果进行参数优化；

所述建立安装拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程的具体过程为：构建旋转惯容阻尼器力学模型，并基于旋转惯容阻尼器力学模型构建拉索式旋转惯容阻尼器力学模型，确定输电塔塔架结构，基于输电塔塔架结构以及拉索式旋转惯容阻尼器力学模型确定杠杆安装位置，根据杠杆安装位置确定拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的安装布置图以及对应的力学模型，根据拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的安装布置图以及对应的力学模型确定输电塔架运动方程。

进一步的，所述安装拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程具体为：

，

其中：为输电塔塔架的位移响应，/>为输电塔塔架的质量，/>为输电塔塔架的阻尼系数，/>为输电塔塔架的刚度，/>为拉索式旋转惯容阻尼器的布置角度，/>为旋转惯容阻尼器的位移响应，/>为拉索刚度，/>为旋转惯容阻尼器的阻尼系数，/>为旋转惯容阻尼器的惯容系数，/>为杠杆放大系数，/>为地面加速度。

进一步的，在获取输电塔架运动方程后，还获取在布置拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统后，输电塔架在脉动风随机激励下的均方根响应，并根据均方根响应定义均方根位移减振比。

进一步的，在获取均方根位移减振比后，还提取安装拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统后输电塔架的性能参数，并确定每个性能参数与均方根位移减振比的关联关系，根据每个性能参数与均方根位移减振比的关联关系确定每个性能参数的优化调节范围。

进一步的，所述性能参数包括拉索刚度比、惯质比/>和阻尼比/>。

进一步的，在获取输电塔架的性能需求，基于输电塔架的性能需求以及参数分析结果进行参数优化时，基于参数分析结果确定待优化参数，并将均方根位移减振比作为参数优化目标，根据输电塔架的性能需求确定目标减振比，同同时确定杠杆的放大作用的约束条件，在约束条件下，基于确定的目标减振比求解得到每个安装角度对应的优化参数组合。

进一步的，所述待优化参数包括性能参数和杠杆放大系数。

本发明的有益效果是：

通过拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器来实现对于输电塔架的风振控制，并进一步建立安装拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程确定现有的具体安装情况和安装参数信息，从而确定具体的优化方向。并进一步通过脉动风载荷特性进行参数分析，将脉动风载荷特性也考虑至拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的安装过程中，再根据具体的参数分析结果配合输电塔架的具体性能需求来进行参数优化，能够获取在满足输电塔架性能需求下，考虑脉动风载荷特性的最优参数组合，从而实现提高风振控制精准度的目的，使得拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的减振性能更加高效。且相较于传统的拉索式旋转惯容阻尼器，拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器能够通过杠杆的阻尼放大作用来弥补支撑和拉索斜向布置的缺陷，避免出现底部阻尼器变形不充分，耗能能力减弱的问题，同时拉索的刚度也不需要过多增大，能够减小塔架的负担。

附图说明

图1是本发明的一种流程示意图；

图2是本发明实施例的一种旋转惯容阻尼器的力学模型；

图3是本发明实施例的一种拉索式旋转惯容阻尼器的力学模型；

图4是本发明实施例的一种拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的安装布置图；

图5是本发明实施例的一种拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的安装布置图对应的简化模型；

图6是本发明实施例的一种拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的安装布置图对应简化模型的力学模型；

图7是本发明实施例的一种安装拉索-杠杆旋转惯容阻尼器的塔架位移传递函数示意图。

其中：1、输电塔塔架，2、拉索，3、杠杆，4、传动定滑轮，5、基础。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。

实施例：输电塔体内拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统优化方法，如图1所示，包括：

构建安装拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程，基于拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程确定拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器系统在输电塔内的安装情况以及安装参数信息；

基于脉动风荷载特性对拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器系统在输电塔内的安装参数信息进行参数分析；

获取输电塔架的性能需求，基于输电塔架的性能需求以及参数分析结果进行参数优化；

所述建立安装拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程的具体过程为：构建旋转惯容阻尼器力学模型，并基于旋转惯容阻尼器力学模型构建拉索式旋转惯容阻尼器力学模型，确定输电塔塔架结构，基于输电塔塔架结构以及拉索式旋转惯容阻尼器力学模型确定杠杆安装位置，根据杠杆安装位置确定拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的安装布置图以及对应的力学模型，根据拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的安装布置图以及对应的力学模型确定输电塔架运动方程。

惯容单元与普通质量单元相比，可以通过旋转的方式增大惯性，单元两端具有不同加速度，其出力也与两端的相对加速度成正比，可以表示为：

，

其中，为惯性单元的输出力，/>和/>为两端加速度，/>为旋转惯容阻尼器的惯容系数。

惯容单元与质量单元相同，本身无法耗能，一般与阻尼器组合使用。旋转惯容阻尼器(RID)外部的平动自由度可以通过滚珠丝杠转化为阻尼器内的转动自由度/>，阻尼器内的质量通过旋转产生动能，输入能量可由阻尼器中粘性流体耗散，所述旋转惯容阻尼器的力学模型如图2所示。

其中和/>为等效质量和等效阻尼系数，对应RID两端的平动/>；/>和/>为转动惯量和粘性阻尼常数，对应内部的转动/>；通过滚珠丝杠将/>转换/>，可以得到/>和/>的表达式，其中/>为滚珠丝杠的导程，可以表示为：

，

而拉索式旋转惯容阻尼器（CRID）是在RID的基础上串联拉索刚度单元构成，其力学模型如图3所示，其中，为拉索装置的等效刚度。若不考虑布置角度/>的影响，即/>=0°时，拉索式旋转惯容阻尼器可以直接等效为TVMD（拉索布置体系）。

由于输电塔塔架为典型空间桁架结构，在对其进行拉索式旋转惯容阻尼器的布置或安装时，应考虑布置角度的影响，具体的，拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的安装布置图以及对应的简化模型和力学模型分别如图4、图5和图6所示，具体的，图5中拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的安装布置图的简化模型中所示/>为拉索轴向变形。

如图4中拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的安装布置示意图可知，输电塔塔架1包括基础5、塔腿和塔身，拉索2通过传动定滑轮4从底部向上依次与基础、塔腿和塔身连接，最后在塔架顶部固定，RID末端通过拉索及杠杆3与主结构连接，在进行参数的分析时，忽略杠杆本身变形。每个定滑轮高度差以及拉索在底部的布置夹角可根据输电塔塔高、塔腿高度以及底部根开进行设置。以塔高9m，底部根开为3m×3m，塔腿高度为3m为例，其滑轮的高度差设置为3m，且拉索在底部的布置夹角为47.7°。

再结合图5和图6，所述安装拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程具体为：

，

其中：为输电塔塔架的位移响应，m为输电塔塔架的质量，c为输电塔塔架的阻尼系数，k为输电塔塔架的刚度，/>为拉索式旋转惯容阻尼器的布置角度，/>为旋转惯容阻尼器的位移响应，/>为拉索刚度，/>为旋转惯容阻尼器的阻尼系数，/>为旋转惯容阻尼器的惯容系数，/>为杠杆放大系数，/>为地面加速度。

在获取输电塔架运动方程后，还获取在布置拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统后，输电塔架在脉动风随机激励下的均方根响应，并根据均方根响应定义均方根位移减振比。

为了获取在布置拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统后，输电塔架在脉动风随机激励下的均方根响应，需要将获取的安装拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程改写为无量纲形式，因此先定义以下无量纲量：

，

其中，和/>为塔架的固有阻尼比和圆频率；/>和/>为RID的惯质比和阻尼比；/>为拉索刚度比，/>为杠杆放大系数，/>为RID端杠杆长度，/>为拉索端杠杆长度。且在/>=1，则拉索式旋转惯容阻尼器退化为旋转惯容阻尼器。

将安装拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程改写为无量纲形式：

并将无量纲形式的公式进行拉普拉斯变换，得到：

，

其中：，/>为脉动风激励频率，/>、/>和/>分别为/>、/>和/>的拉普拉斯变换。

通过求解拉普拉斯变换后得到的方程组能够获取布置拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统的输电塔架的位移响应传递函数 ：

上式中M和N的具体表达式为：

由于脉动风是具有零均值特性的高斯随机过程，根据随机振动理论，可以得到输电塔架在脉动风随机激励下的均方根响应，其表达式为：

其中，为脉动风功率谱幅值。可以比较减振前后塔架的位移均方根响应来衡量拉索-杠杆旋转惯容阻尼器的风振控制的效果，并进一步定义均方根位移减振比/>为：

其中，为输电塔架位移均方根响应，/>为输电塔架位移传递函数，/>为布置拉索-杠杆旋转惯容阻尼器的输电塔架位移均方根响应，且位移减振比越小说明减振器效果越好。

基于范数的均方根位移减振比是针对线性系统而言的，为此需要考虑塔架变形为小变形，忽略由于拉索弧垂及应力改变产生的非线性变化，所以本实施例中在进行分析时，对于拉索-杠杆旋转惯容阻尼器中的所有力学元件只考虑线性工作状态。

在获取均方根位移减振比后，还提取安装拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统后输电塔架的性能参数，并确定每个性能参数与均方根位移减振比的关联关系，根据每个性能参数与均方根位移减振比的关联关系确定每个性能参数的优化调节范围。

所述性能参数包括拉索刚度比、惯质比/>和阻尼比/>。

需要基于随机响应的均方根位移减振比作为分析指标来展开参数分析，但由于安装拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统的均方根位移减振比/>与三个性能参数都有关，很难直接看出均方根位移减振比/>随三参数同时变化的规律。

为了迅速确定性能参数的最优取值，可将某个参数固定后，观察其他两个参数的变化。

本实施例以取=47.7°，杠杆放大系数/>=2为基准，同时设定惯质比/>、阻尼比/>和刚度比κ的参数范围均为[0.001，1]为例，研究除固定值之外的其他两个参数在参数范围内的连续变化情况，并通过绘制等值线的方式来表示每个性能参数与均方根位移减振比/>的关联关系，并基于绘制的等值线确定每个参数的最优解范围，并将获取的最优解范围作为每个性能参数对应的优化调节范围。

在获取输电塔架的性能需求，基于输电塔架的性能需求以及参数分析结果进行参数优化时，基于参数分析结果确定待优化参数，并将均方根位移减振比作为参数优化目标，根据输电塔架的性能需求确定目标减振比，同时确定杠杆的放大作用的约束条件，在约束条件下，基于确定的目标减振比求解得到每个安装角度对应的优化参数组合。

所述待优化参数包括性能参数和杠杆放大系数。

在进行参数优化时，先确定具体的参数优化目标，通过参数分析结果能够确定每个性能参数对应的优化调节范围，在将均方根位移减振比作为参数优化目标后，基于性能参数与均方根位移减振比/>之间的关系，可确定最后的参数优化目标应为在保障均方根位移减振比/>低的同时，选取较小的/> 、/>和/>值。

所述参数优化目标可表示为：

其中，，为拉索-杠杆旋转惯容阻尼器的待优化参数向量，同时，在进行参数优化时，可根据输电塔架的性能需求确定目标减振比/>，同时采用极值条件对参数优化目标进行求解，即：

由于阻尼比越大，在实际工程的拉索-杠杆旋转惯容阻尼器的安装中也越难实现。为此，当结构的安装角度确定，采用极值条件对参数优化目标进行求解时，其对应的约束条件是为了满足目标减振比J_t的同时，使得阻尼比尽可能同时小，以满足工程需求。但是在采用极值条件进行求解时，无法得到拉索-杠杆旋转惯容阻尼器的所有优化参数，仅是局部优化过程。为此，为了进一步得到一个合适的杠杆放大系数，需要引入理想状态下（=0°）的拉索布置体系TVMD位移减振比/>，并将/>作为杠杆的放大作用的约束条件，即：

配合杠杆的放大作用的约束条件，采用极值条件对参数优化目标进行求解，能够得到每个安装角度对应的优化参数组合。

以将目标减振比固定为0.6（即塔架位移均方根值降低40%），同时考虑塔架固有阻尼比为0.015为例，得到在安装角度为0°、30°、45°和60°下的优化参数组合，其结果具体如表1所示：

表1安装角度为0°、30°、45°和60°下的优化参数组合

由于设置了杠杆的放大系数的约束条件，0°布置的拉索-杠杆旋转惯容阻尼器可等价为拉索布置体系TVMD，杠杆放大系数为1。从表1可以看出，随着角度的增大，各参数均不同程度增大，杠杆放大系数增大明显，但是阻尼比变化不明显，与输电塔架的固有阻尼比取值十分接近。

由表1的分析结果可以得到安装拉索-杠杆旋转惯容阻尼器的塔架位移传递函数，所述安装拉索-杠杆旋转惯容阻尼器的塔架位移传递函数具体如图7所示。在相同目标减振比下，不同布置夹角下塔架的位移峰值均可以得到显著抑制，位移控制效果与理想状态下的拉索布置体系TVMD十分接近。且随着角度的增大，拉索-杠杆旋转惯容阻尼器的优化难度也随着增大，导致实际工程需要较大的杠杆放大系数，降低了拉索-杠杆旋转惯容阻尼器的鲁棒性。为此，本实施例最终将拉索-杠杆旋转惯容阻尼器的拉索布置角度控制在30°-50°，杠杆放大系可控制在1-2之间。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (4)

1.输电塔体内拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统优化方法，其特征在于，包括：

构建安装拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程，基于拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程确定拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器系统在输电塔内的安装情况以及安装参数信息；

基于脉动风荷载特性对拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器系统在输电塔内的安装参数信息进行参数分析；

获取输电塔架的性能需求，基于输电塔架的性能需求以及参数分析结果进行参数优化；

所述构建安装拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程的具体过程为：构建旋转惯容阻尼器力学模型，并基于旋转惯容阻尼器力学模型构建拉索式旋转惯容阻尼器力学模型，确定输电塔塔架结构，基于输电塔塔架结构以及拉索式旋转惯容阻尼器力学模型确定杠杆安装位置，根据杠杆安装位置确定拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的安装布置图以及对应的力学模型，根据拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的安装布置图以及对应的力学模型确定输电塔架运动方程；

在获取输电塔架运动方程后，还获取在布置拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统后，输电塔架在脉动风随机激励下的均方根响应，并根据均方根响应定义均方根位移减振比；

在获取均方根位移减振比后，还提取安装拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统后输电塔架的性能参数，并确定每个性能参数与均方根位移减振比的关联关系，根据每个性能参数与均方根位移减振比的关联关系确定每个性能参数的优化调节范围；

在获取输电塔架的性能需求，基于输电塔架的性能需求以及参数分析结果进行参数优化时，基于参数分析结果确定待优化参数，并将均方根位移减振比作为参数优化目标，根据输电塔架的性能需求确定目标减振比，同时确定杠杆的放大作用的约束条件，在约束条件下，基于确定的目标减振比求解得到每个安装角度对应的优化参数组合。

2.根据权利要求1所述的输电塔体内拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统优化方法，其特征在于，所述安装拉索-杠杆式旋转惯容阻尼器的输电塔架运动方程具体为：

；

其中：为输电塔塔架的位移响应，m为输电塔塔架的质量，c为输电塔塔架的阻尼系数，k为输电塔塔架的刚度，/>为拉索式旋转惯容阻尼器的布置角度，/>为旋转惯容阻尼器的位移响应，/>为拉索刚度，/>为旋转惯容阻尼器的阻尼系数，/>为旋转惯容阻尼器的惯容系数，/>为杠杆放大系数，/>为地面加速度。

3.根据权利要求1所述的输电塔体内拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统优化方法，其特征在于，所述性能参数包括拉索刚度比κ、惯质比μ和阻尼比ζ。

4.根据权利要求1所述的输电塔体内拉索-杠杆旋转惯容阻尼器系统优化方法，其特征在于，所述待优化参数包括性能参数和杠杆放大系数。