CN117213811A - 钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法，它包括步骤(1)：确定钢管塔易发生涡激振动破坏的杆件位置；步骤(2)：计算发生涡激振动杆件的热点应力幅；步骤(3)：确定C型节点疲劳计算S‑N曲线；步骤(4)：确定涡激振动杆件的疲劳寿命；和步骤(5)：修正一种钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法。本发明所述方法可靠合理，计算结果精确，有较好的适应性，可确保输电线路安全、经济、合理。
Description
技术领域
本发明涉及输电线路铁塔塔杆涡振领域，特别是涉及一种钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法。
背景技术
随着中国经济的飞速发展，各行业能源需求与日俱增，尤其是用电需求持续增加。与此同时，我国经济发展与资源分布地域差距较大，东部沿海地区经济发达，但能源紧张，而西部地区刚好与之相反。为了更好的解决资源分布与需求间的差异，需要规划和考虑能源分配，作为新基建的重要一环，特高压输电线路系统工程是引领新经济增长的重要高新技术项目，一大批长距高容量的特高压输电线路的建设，开启了我国大电网时代。而如何保障特高压工程的安全稳定运行，将成为未来电网发展的重要方向。
随着特高压的大力发展，钢管塔应用较多。钢管塔与角钢塔相比，构件风压小、刚度大，结构简洁、传力清晰，能够充分发挥材料的承载性能。钢管塔应用一方面降低了铁塔重量，减小了基础作用力，另一方面有利于增强极端条件下结构抵抗自然灾害的能力，具有技术和经济上的优势。因此，钢管塔更适合大负荷和大型输电塔的发展趋势，被广泛应用于特高压输电线路建设。钢管截面的风荷载体型系数小，抗扭性能好，然而，目前制约钢管塔应用的主要问题就是钢管塔构件的涡激振动问题，且国内外研究很少，没有可直接应用的规范和计算方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，提供一种钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法，该计算方法具有重要的理论和实际应用价值，采用该计算方法可以精确预测钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命，具有较好的适用性，可确保特高压线路安全、经济、合理。
为实现上述目的，本发明钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法，包括以下步骤，
步骤(1)：确定钢管塔易发生涡激振动破坏的杆件位置；
步骤(2)：计算发生涡激振动杆件的热点应力幅；
步骤(3)：确定C型节点疲劳计算S-N曲线；
步骤(4)：确定涡激振动杆件的疲劳寿命的计算方法；
步骤(5)：修正钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法。
在上述技术方案中，所述涡激振动杆件为长细比大于等于110且小于等于160的杆件。
在上述技术方案中，所述涡激振动杆件为C型插板连接杆件。
在上述技术方案中，所述计算方法还包括对该方法的适应性验证。
本发明的有益效果：1、本发明可为特高压钢管塔设计提供参考和指导。2、现有技术中，特高压线路钢管塔的疲劳寿命研究较少，设计中一般不考虑钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命，然而在某些特高压工程中，出现了钢管塔杆件涡激振动现象。由于现有技术中还未涉及到相关计算，因此本发明能很好地补充了特高压线路钢管塔的寿命设计方法。3、本发明是一种非线性的损伤累积方法，考虑了多级荷载的影响，弥补了之前研究的不足，比Miner线性累积损伤法则有更好地适应性，具有广泛推广价值。4、本发明可以针对C型节点计算钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命，为钢管塔其他类型节点(如X型)杆件涡激振动疲劳计算提供了思路，可以确保易涡激振动地区输电线路的安全、经济，为设计合理性提供了保障。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为实施例1中钢管塔涡激振动杆件的正视图。
图3为图2中的1-1剖面图。
图4为实施例1中C型节点正视图。
图5为实施例1中C型节点俯视图。
图6为C型节点连接杆件的结构示意图。
图7为C型节点连接杆件网格划分示意图及局部放大图。
图8为C型节点连接杆件1阶振型示意图。
图9为C型节点连接杆件疲劳热点位置示意图及局部放大图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
图1为本发明钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命计算方法的流程图，具体过程如下：
步骤(1)：确定钢管塔易发生涡激振动破坏的杆件位置；
不同钢管塔杆件的长细比不一，涡激振动临界起振风速也不一样，长细比越大，临界起振风速越小，长细比越小临界起振风速越大。
C型节点钢管塔杆件发生涡激振动时，主要沿螺栓轴线方向振动，故C型节点可以看做铰接，发生涡激振动杆件为两端铰接的涡激振动杆件。
根据DL/T 5486-2020《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》附录A可知钢管塔杆件临界起振风速如下表1：
表1：钢管塔C型节点杆件长细比与临界起振风速关系表
设计时钢管塔主材的长细比不宜超过80，斜材长细比不宜超过160，水平材长细比不宜超过140。表1基本包含了钢管塔所有钢管杆件的长细比与临界起振风风速的关系。从表1可知，主材的临界起振风速达到了17.8m/s，达到8级大风标准，大多数情况下主材长细比往往小于50，其临界起振风速高达45.5m/s，达到14级飓风标准，8级以上大风在中国出现概率较低，因此钢管塔主材很难发生涡激共振。塔身交叉斜材(属于钢管塔斜材的一种)，在塔身变坡以上所受作用力较大，而长度又较小，长细比较小，不易发生涡激共振。而塔腿隔面附近的单斜材、水平材一般情况下长度较大，长细比一般在110～160之间，其临界起振风速在4.4m/s到9.4m/s，风速等级在3级和5级之间，这个区段的风速在中国大多数地区占比较大，因此容易发生涡激振动。
通过以上分析可知，钢管塔易发生涡激振动破坏的杆件位置一般出现在塔腿隔面附近的A、B处(单斜材)和C、D处(水平材)，具体见附图2、附图3。
步骤(2)：计算发生涡激振动杆件的热点应力幅。
确定钢管塔发生涡激振动杆件后，建立钢管塔杆件涡激振动CFD模型，输出钢管塔杆件涡激振动等效荷载。
上述钢管塔杆件涡激振动等效荷载作为输入参数带入钢管塔杆件有限元模型，进行有限元计算，得到发生涡激振动的钢管塔杆件热点应力幅。
步骤(3)：确定C型节点疲劳计算S-N曲线。
所述C型节点疲劳计算S-N曲线，需要通过C型节点疲劳试验获得。
步骤(4)：确定涡激振动杆件的疲劳寿命的计算方法。
在输电线路工程领域，疲劳研究的不太深入，且多考虑Miner线性累积损伤，Miner线性累积损伤没有考虑多级加载的影响，不够准确，因此本专利提出了考虑多级加载的非线性损伤累积方法—基于M-H损伤曲线法的疲劳寿命计算方法。
所述钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法，为考虑多级加载的非线性损伤累积方法(基于M-H损伤曲线法的疲劳寿命计算方法)，如公式(1)所示。
其中，n1、n2…ni为对应实际加载的若干热点应力幅的循环次数，Nf1、Nf2…Nfi为相应热点应力幅的最大循环次数，αi-1,i为考虑多级加载的参数，D为单位周期内杆件在循环荷载作用下产生的损伤。
步骤(5)：修正钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法。
所述钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法，因公式(2)中参数0.4存在样本差异，因此需要根据发生涡激振动杆件疲劳试验数据来修正公式(2)参数0.4，以达到样本更好地适应性。
实施例1
本实施例为某地区1000kV线路工程，铁塔采用钢管塔，部分C型节点杆件发生涡激振动现象，设计风速30m/s(10m高50年一遇10min平均最大值)，覆冰10mm。
(1)确定钢管塔易发生涡激振动破坏的杆件位置：
根据DL/T 5486-2020《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》附录A可知，塔腿隔面附近的单斜材、水平材一般情况下长度较大，长细比一般在110～160之间，其临界起振风速在4.4m/s到9.4m/s，风速等级在3级和5级之间，这个区段的风速在中国大多数地区占比较大。因此，钢管塔易发生涡激振动破坏的杆件位置一般出现在塔腿隔面附近的A、B处(单斜材)和C、D处(水平材)，具体见附图2、附图3。
(2)计算发生涡激振动杆件的热点应力幅：
建立三维实体模型，本实施例计算涡激振动杆件的热点应力幅有限元模型。如下图6所示，在二个C型节点之间连接有长度这L的C型插板杆件，每个C型节点的外侧连接有钢管。仿真模型的单元类型为Solid185，Solid185单元为3D20节点单元，杆件两端考虑铰接连接，用于模拟3D实体结构，C型节点材质为Q235钢材，钢管规格为φ127mm×4mm，C型节点连接杆件网格划分示意图见图7，其中在图7左上部箭头所指方向为方框内的局部放大图
C型节点的1阶振型如图8所示，在图8中连接杆件的中间部位箭头所示弱轴方向变形最大，由中间向两端延伸变形逐步减小。
通过有限元计算分析可得C型节点连接杆件疲劳热点位置，如图9所示，其中箭头所示方向为图中方框内的局部放大图，在图9中有二个方框，相关位置局部放大了二次。从图9可以看出，钢管塔杆件C型节点疲劳热点位置发生在加筋板焊缝处，且一般发生在焊趾位置，因为加筋板焊缝处一般存在应力集中现象。
在本实施例中C型节点采用下表2所述的热点应力幅和分级加载方式，对于二级加载方式，热点应力幅取200/130MPa和130/200MPa，对于三级加载方式，热点应力幅取200/165/130MPa和130/165/200MPa。
表2为变幅疲劳试验工况关系表
(3)确定C型节点疲劳计算S-N曲线：
设计热点应力幅分别为140MPa、200MPa、260MPa和340MPa的四组C型节点疲劳试验来确定S-N曲线，疲劳试验结果见表3所示。
本项目对试件疲劳破坏的判定主要基于超高清摄像头监控以及应变片采集的应变数据。通过超高清摄像头对疲劳热点部位的全程监控，可以观察到试件萌生的微小裂纹，而应变片采集的应变数据变化能反映出疲劳热点部位的裂纹萌生情况。把应变幅值变化率作为判断节点是否破坏的准则，C型试件在第一外推点所测应变数值的幅值下降至83％时，试件发生破坏。
表3 C型节点试件恒幅疲劳试验寿命
根据表3的试验数据，拟合出C型节点的S-N曲线为
log10N＝12.49-3.089log10△σhs 公式(3)
式中，N为疲劳寿命，△σhs为热点应力幅。
(4)确定涡激振动杆件的疲劳寿命的计算方法：
根据表2、公式(1)、公式(2)、S-N曲线公式(3)可得如下表4所示结果。从表4可知，试件C5-2和C5-4理论疲劳寿命和试验疲劳寿命误差很小，但试件C5-1和C5-3理论疲劳寿命和试验疲劳寿命误差较大。
表4 C型试件变幅疲劳寿命偏差表
(5)修正钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法
表4计算的理论疲劳寿命和试验值差别较大，根据表1、S-N曲线公式(3)、公式(1)和公式(2)主要对公式(2)中系数0.4进行修正，经过数据处理，公式(2)中系数0.4修正为0.25时，理论计算值和试验值吻合较好，见表5。
表5修正后的C型试件变幅疲劳寿命偏差表
综上所述，适用于钢管塔杆件涡激疲劳计算的修正方法见公式(1)和公式(2)。
其中，n1、n2…ni为对应实际加载的若干热点应力幅的循环次数，Nf1、Nf2…Nfi为相应热点应力幅的最大循环次数，αi-1,i为考虑多级加载的参数，D为单位周期内杆件在循环荷载作用下产生的损伤。
本发明中未作详细描述的部分属于现有技术。
Claims (6)
1.钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法，其特征在于：包括
步骤(1)：确定钢管塔易发生涡激振动破坏的杆件位置；
步骤(2)：计算发生涡激振动杆件的热点应力幅；
步骤(3)：确定C型节点疲劳计算S-N曲线；
步骤(4)：确定涡激振动杆件的疲劳寿命计算方法；
步骤(5)：修正钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法。
2.根据权利要求1所述的钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法，其特征在于：所述涡激振动杆件为长细比大于等于110且小于等于160的杆件。
3.根据权利要求1或2所述的钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法，其特征在于：发生所述涡激振动的杆件为C型插板杆件。
4.根据权利要求3所述的钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法，其特征在于：所述C型节点疲劳计算S-N曲线公式为：
log10N＝12.49-3.089log10△σhs；
式中，N为疲劳寿命，△σhs为热点应力幅。
5.根据权利要求3所述的钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法，其特征在于：所述步骤(4)中确定涡激振动杆件的疲劳寿命计算方法为：
其中，n1、n2…ni为对应实际加载的若干热点应力幅的循环次数，Nf1、Nf2…Nfi为相应热点应力幅的最大循环次数，αi-1,i为考虑多级加载的参数，D为单位周期内杆件在循环荷载作用下产生的损伤。
6.根据权利要求1或2所述的钢管塔杆件涡激振动疲劳寿命的计算方法，其特征在于：所述步骤(4)中，因公式(2)中参数0.4存在样本差异，需要根据发生涡激振动杆件疲劳试验数据来修正公式(2)参数0.4，以达到样本更好地适应性；
所述修正后的计算方法为：
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|---|---|---|---|---|
| CN115201009A (zh) * | 2022-07-12 | 2022-10-18 | 中国石油大学(华东) | 一种点涡流场条件下井眼周围热流固耦合载荷改变的自适应加载试验装置和方法 |
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2023
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| CN115201009B (zh) * | 2022-07-12 | 2024-06-25 | 中国石油大学(华东) | 一种点涡流场条件下井眼周围热流固耦合载荷改变的自适应加载试验装置和方法 |
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