大跨越输电塔线体系气弹模型风洞试验

大跨越输电塔线体系在脉动风荷载作用下振动方程可一般性地表述成 ｛" ｝#［ $ ］ ｛" ｝#［ % ］ ｛" ｝& ｛’ （ (， ｝ ［ !］ "， "， "）
・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・
（&）
式中： ［ !］ ［ $］ ， ［ %］ ， 分别为体系的质量、 阻尼、 刚度矩阵； ｛" ｝ ， ｛" ｝ ， ｛" ｝ 分别为体系加速度、 速度、 位移响 应向量； ［ !］ ｛" ｝ ［ $］ ， ｛" ｝ 和 ［ %］ ｛" ｝ 分别对应于体系惯性力、 阻尼力以及弹性力； ｛’ （ (， ｝ 为作用在 "， "， "） 体系上的水平荷载， 包括气动力及由于结构运动而产生的自激力 % 对于实际结构体系， 作用于其上的气动 力与当地气候条件、 地形地貌及其体型等因素有关， 自激力则与结构体系在风作用下的运动有关 %
"
风场模拟
风速控制范围为 & % " A &= % : 7 连续可调 % 紊流场的模拟采用二元尖塔旋 45 6 万方数据 ’ 风洞为低速风洞， ・/ 6 & ，
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同
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大
学
学
报
第 !# 卷
涡发生器加分布粗糙元的被动紊流发生方法 （见图 !） （风速剖面指 " 试验模拟缩尺比为 # $ %&& 的 ’ 类地貌 大气边界层流场， 经调试后测得流场的风功率谱以及平均风速剖面、 紊流度剖面分别如图 *， 数! ( & " #)） +， ) 所示 " 试验参考风速定于离开风洞底面高度 *& ,- 处 "
频率 )0 9"" !
塔模型总高 & =’9 77， 采用圆锥形钢柱来模拟刚度 % 塔架外形采用 >?@ 板来模拟体形 % 两个横担采用 黄铜弯折成的小角钢制作而成 % 导线材料采用康铜丝， 直径、 单位长度的质量以及初张力由相似常数确定 % 单个输电塔模型见图 &， 输电塔线体系模型为两塔三段线模型 （见图 9） 。
表! "#$% !
几何 )* & ; 9"" 风速 )+ &; ! 9"" 抗弯刚度 )./ & ; 9""
!
模型主要相似常数
&’()#’* +()(,#’(-* .#’#)/-/’+ 01 -2/ /3./’()/4- )05/,
时间 )( &; ! 9"" 基本风压 （面荷载） )1 & ; 9"" 集中荷载 )’ 导线张力 )2 线位移响应 )" 加速度响应 )3 & ; 9""’ & ; 9""’ & ; 9"" &
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（ C2D.EF-23F 6G H8/01/34 ,34/322E/34， ?634I/ @3/J2E:/FK， L5.345./ !"""%!， M5/3.）
［’， (］ 导线的自振频率主要Байду номын сангаас导线的垂跨比确定 ， 因此通过控制导线的垂跨比来满足导线的动力特性
相似条件， 同时也要满足导线的外形、 质量等相似条件 % 气动弹性模型法通过试验模型直接模拟式 （&） ， 因而试验中除了要求风场相似和模型气动外形的几何 相似外， 还要求模型与原型间的 ! 个无量纲相似判据相等， 分别是弹性参数、 惯性参数、 阻尼参数、 重力参 数和雷诺数 % 要同时、 全面地反映风场和结构两个方面的相似要求通常十分困难 % 因此， 在大跨越输电塔线 体系模型试验中， 需要根据待解决的主要问题以及具体的试验条件， 忽略一些次要因素 % 在模型设计时主 试验段截面尺寸和模拟紊流边 要考虑以下几个因素： ! 模型几何相似比 )* 的选取取决于原形结构高度、 界层风场尺寸的要求； 但要按照相似比实现弹性模 " 模型材料的弹性模量可根据弹性相似条件来确定， 量的相似是不可能的， 由于弹性模量总是出现在结构刚度表达式中， 故可将弹性参数相似转化为刚度相 似； 根据风洞试验结果和现场实测结果的对比研究表明， 在模拟 # )*+,-./ 数和 01,2.* 数是相互矛盾的， 的大气边界层风场中， 在表面光滑的模型上测得的脉动压力功率谱和实测结果很接近， 即在一定紊流度的 模拟大气边界层风场中， 在具有较低雷诺数的模型上测量得到的动态气动力结果在工程精度范围内可以 用于对实际结构的分析， 对于输电塔线体系， 塔架构件为角钢组合断面， 而导线应主要考虑重力参数影响， 因此本试验模型设计确保 01,2.* 数， 忽略 )*3+,-./ 数； $江阴大跨越输电塔的每一个构件都是复杂的组合 构件， 因此模型很难完全由实际结构按比例制作， 另一方面， 完全按照结构几何相似比制作的模型也很难 满足刚度相似条件， 又由于实际塔架结构中间设有封闭圆型电梯井道， 刚好为设计模型的刚度分离提供了 条件， 故本试验模型设计采取了外形、 质量以及刚度相分离的处理方法 % 试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室 45 6 ’ 边界层风洞实验室中进行 % 该风洞的试验段尺 寸为 &( 7 8 &! 7 8 9 7， 江阴大跨越输电塔高 ’(: % ! 7， 导线跨度 9 ’"" 7， 因此几何相似比 )* 取为& ; 9"" % 为 确定风速相似比 )+ < !)* < & , !9"" - 由此确定塔线体系模型相似常数如表 & 满足风场 01,2.* 数的相似， 所示 %
万方数据
第9期
邓洪洲， 等： 大跨越输电塔线体系气弹模型风洞试验
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对大跨越输电塔线体系进行了模型风洞试验研究， 研究了大跨越 !"" #$ 江阴大跨越输电塔为工程背景， 输电塔线体系模型动力特性， 并进行了均匀流场和紊流场中模型风振响应测试 %
!
塔线体系模型设计
本文大跨越输电塔线体系风洞试验模型为气动弹性模型， 主要研究结构体系的动力特性和风振响应 %
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脉动风功率谱图
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平均风速剖面 @)./ A)2’>#+9 6*’8#2) "#$% B
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紊流度剖面
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图! "#$% !
单塔模型 &’()* (#+,’-+ +*./01#00#’/ 2#/)0 "#$% 3
图3
塔线模型
图:
二元尖塔和粗糙元的布置 ;**./$)1)/+ ’8 06#*)0 ./7 *’-$,/)00
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大跨越输电塔线体系气弹模型风洞试验
邓洪洲，朱松晔，陈晓明，王肇民
（同济大学 建筑工程系， 上海 !"""%!）
摘要：以建设中世界最高输电铁塔— — —<(* + $ - 高、 通过气弹模型风洞试验， $"" => 江阴大跨越塔为工程背景， 对大跨越输电塔线体系动力特性和风振响应进行了研究 + 采用外形、 质量、 刚度分离的处理方法设计了大跨越塔 模型， 塔线体系为两塔三段线模型 + 用自由振动法测得单塔和塔线体系的自振频率和阻尼比， 进行了多个风速下 单塔、 塔线体系在均匀流场和紊流场中的风洞试验 + 通过对试验结果的分析， 揭示了大跨越输电塔线体系动力特 性和风振响应特点， 为实际工程抗风设计提供了依据 + 关键词：输电塔线体系；风洞试验；风振响应； 动力特性 中图分类号：?@ &*) + < 文献标识码：A 文章编号："!$< # <&(B （!""<） "! # ")<! # "*
［)， ［<］ !］ 对档距 ("" V *"" - 的一般线路输电塔线体系进行了风振实测， 对 U6-6-8E. 等 W6E216 # L687. 等 输电电缆进行了风洞试验， 但有关大跨越输电塔线体系风振响应的风洞试验国内外尚未见报道 + 本文以
收稿日期：!""! # "$ # "% 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （$""&’"("） 作者简介：邓洪洲 （)%*" # ） ， 男， 黑龙江宾县人， 副研究员， 工学博士 + , # -./0： 1234563475689 630/32+ :5+ ;3