(免费)基于完全气弹模型风洞试验输电塔风荷载识别

基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 51078296 )。 作者简介: 熊铁华 ( 1968 ), 男, 湖北孝感人, 工学博士, 副教授。 E m a i:l thxiong@ w hu edu cn 收稿日期: 2009 年 11月
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0 前言
1 风洞试验概况及模态参数识别
风灾是电力线路 破坏的首 要原因。 尤其是 近年 来随着电压等级的 提高, 高压、特高压 输电线路 中的 塔高、档距相应增加, 输电塔在 强风作 用下的风 毁事 故时有发生。输电线 路抗风设 计是国 内外风工 程界 长期关注且至 今尚 未 解决 的 重大 研 究课 题。 国外, 诸如加拿大、日本、澳 大利亚风 工程界 对该课题 进行 了相关研究, 并取 得了阶 段性 成果 [1 8]。 国内风 工程 界对输电塔 线体系抗风设计的理论与试验 研究始于 上世纪 90年代, 十 多年 来, 已 在输电 塔 线 体系 动力 计算模型与 动力 特性 分析、风 荷载 模型 与风 振 响应 分析方 法 以 及 风 洞 试 验、现 场 实 测 等 方 面 有 所 进 展 [ 9 16]。但是, 大量输电塔线体系 的风毁事故 说明目 前输电线 路抗 风研 究、设计 尚存 在 严重 不足。 大量 文献资料证明 [ 14 15, 17] , 输电塔横风向振动响 应与顺风 向相当, 甚 至比 顺 风向 大。同 时输 电塔 的扭 转 振动 亦不可忽 略。然 而, 目 前输 电 塔抗 风设 计只 考 虑了 顺风向, 而 未考 虑横 风向 与 扭转 等效 风荷 载, 显然, 目前输电塔的动力风荷载模型亟待完善。
EA
m
n3
n3
n/n
1∀27000 1∀27000 1∀1
风洞试验加速度的 采集采用 同济大 学土木 工程 防灾国家重点实验室 自行研制 的微型 加速度传 感器 量测, 该 传 感 器 重 量 约 1 克; 位 移 采 用 M atsush ita LM 10 微型激 光位 移计 进行 量测。 信号 采集 系统 采 用美国 BNC公司 TS5865型信号采集器; 信号 放大器 采用扬州 产 TS1721 型 直流 放 大器。 传感 器 布置 如 图 1所示 ( 为了清晰有些杆件未画出 ) , 其中测点 1、3 均布置 有两 个 加 速度 传 感 器分 别 测 量 塔架 沿 弱 轴 (图 1中 y 轴 ) 与强轴 ( 图 1 中 x轴 )加速度响应; 塔顶 端部测点 2处布置 1个加 速度传 感器测量 塔架 端部 弱轴加速度响应。 2个激光位 移计布置在 测点 1 处, 分别测量塔架顶部 弱轴与强 轴的位 移响应。输 电塔 加速度 和 位 移 的 采 样 频 率 为 200H z, 采 样 时 间 为 100s。
建筑结构学报 Jou rn al of Bu ild ing S tructures 文章编号: 1000 6869( 2010) 10 0048 07
第 31卷 第 10期 2010年 10月 V o l 31 N o 10 O ct 2010
007
基于完全气弹模型风洞试验输电塔风荷载识别
熊铁华, 梁枢果, 邹良浩 (武汉大学 土木建筑工程学院, 湖北武汉 430072)
Abstract: In ligh t o f bas ic sca le laws, a fu ll aero elastic m odel of a transm iss ion tower was designed and produced. D isp lacem en ts and accelerations response of th e aero elast ic mod el of th e transm iss ion tow er under various w ind speed s and various w ind d irections w ere investigated through boundary layer w ind tunn el tests. The structure natural frequ encies were iden tified by the accelerat ion power spectrum m ethod and the structural total mod e damp ing rat ios in clud ing structure dam p ing ratios and aerodynam ic dam p ing rat ios were acqu ired by H ilbert Huang transform method and random decrem en t techn ique. A m ethod w as in troduced to iden tify dyn am ic w ind load spectra in th e along w ind and across w ind d irections from d isp lacemen t spectra b ased on pseudo excitat ion m ethod. A s w ind load spectrum curves of the transm iss ion tower h ad been iden tified, the exp erient ial formu las o f th e dynam ic w ind load m odels of the tow er in along w ind and across w ind d irection s w ere estab lished by non lin ear least squares regression. Ana lysis resu lts show th e fu ll aero elastic m odel of th e tow er produ ced in the test is very fin e and its first order natural frequency is mu ch closed to th e one ca lcu lated by FEM. Comparison between across w ind and along w ind force spectra ind icate that the en ergy of across w ind force spectra is d istribu ted on amu ch w ider frequ en cy doma in and th eir dom inan t frequenc ies are 3 to 4 tmi es of those in along w ind d irection. K eywo rds: tran sm ission tower; aero elasticm ode;l w ind tunnel test; load ing id en tification; p seudo excitation method
本文按照基本缩尺律, 设计、制作了输电 塔 线体 系模型的一 塔两 跨线 完全 气 弹模 型, 并 通过 大 气边 界层风洞试验, 测试了 单塔 模型及 输电 塔 线体 系模 型在不同工况下的 位移、加速 度响应, 识别结构 固有 频率和阻 尼比。 在此 基础 上, 根据 单塔 风振 响 应反 演得到输电塔顺 (横 )风向风荷载模型。
风洞试验 中, 风 速工 况分 别为 2 0m / s、3 0m / s、 4 0m / s、4 5m / s、5 0m / s、5 5m / s、6 0m / s、6 5m / s、 7 0m / s等 9种; 风向与 y 轴夹 角分别为 0#、30#、45#、 60#、90#等 5种情况。 1 2 模态参数识别
W ind load ing identificatioቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ of transm ission tow ers based on w ind tunnel tests of fu ll aero elastic m odel
X IONG T iehua, L IANG Shuguo, ZOU L ianghao ( Schoo l of C iv il and A rchitec tural Eng ineering, W uhan U niversity, W uhan 430072, Ch ina)
表 1 输电塔完全气弹模型相似比
Tab le 1 S mi ila rity ra tios o f aero e las tic m ode l
o f transm ission towe r
相似参数
相似公式 相似比
几何
L
n 1∀30
风速 频率 拉伸刚度 质量 阻尼
U
n0 5 1∀5 48
n
n- 0 5 5 48∀1
由于构造 上的 特殊 性, 输电 塔所 受 风荷 载很 难 进行测量, 而且就测 量精度而 言, 响应 量的测量 精度 比荷载的测量精度 要高。因此 利用结 构的实测 响应 量反演结构 的动 力荷 载, 是 建 立输 电塔 的动 力 风荷 载模型的重要手 段。在目前条 件下, 制 作精细、满足 基本缩尺律的完全气弹模型风洞试验是研究输 电塔 线体系 在风 荷 载 作 用下 的 实 际力 学 行 为 的重 要 方 法。该方法 通过 多种 风速、多 种风 向角、多 种 塔型、 多种垂跨比 导地 线与 不同 塔 高间 的匹 配情 况, 分析 塔线耦联体系效 应、气动阻 尼效应 等。 然而, 由 于输 电塔 线体系结构的特 殊性, 满足基 本缩尺 律的 完全 气弹模型 的制 作十 分 困难、复杂。 从近 年来 已 有文 献报 道 的 输 电 塔 线 体 系 气 弹 模 型 的 制 作 情 况 来 看 [ 14 16] , 这些气弹 模型 在结 构基 本缩 尺律 和 (或 ) 构 件层面的缩 尺律 等方 面都 存 在着 一些 问题, 还 不能 称为 完全气 弹模 型 !。这 些问 题的 存在, 使得 上述 气弹模型风洞试验结果的参考价值显著降低。
1 1 气弹模型风洞试验概况 试验模型采用昌西到 南昌的 500kV 送电线 路中
的输电塔线 体系为 原型。输 电塔为 塔高 48 50m, 主 材为角钢格 构式猫 头 塔, 输 电塔 模 型设 计除 了结 构 及其各构件 严格满 足 几何 相似 以 外, 同 时还 满足 了 完全气动弹性模型 最重要 的相 似参数: S trouhal数相 似、弗劳德数相似、弹性 参数 ( Cau ch y数 )、惯性 参数 (质量 ) 和 阻尼 比 等相 似。雷 诺 数相 似 虽 未得 到 满 足, 但由于输电塔各构 件皆为 角钢, 其绕 流场分 离点 不受雷诺数 差异的 影 响, 因 而放 松 雷诺 数相 似性 要 求的试验结果不会 引起较大 误差。本次 风洞试 验在 同济大学 T J 3号风洞中进行。 根据该风洞的 几何尺 寸, 选择模型几何缩尺 比为 1∀30, 输电 塔气弹模型相 似比见表 1。
摘要: 按照基本缩尺律, 设计、制作了输电塔完全气弹模型, 并通过大气边界层风洞试验, 测试了多 种风速、风向 条件下输电 塔的位移与加速度响应。通过加速度响应功率谱识别出结构的 固有频率, 并采用 H ilbe rtH uang 变换结 合随机减量 法识别 出包含结构阻尼和气动阻尼的结构总阻尼。利用虚拟激励法建 立了由测点 位移响应来 识别结构 顺风向、横风向风 荷载的 方法。由识别出的风荷载谱曲线, 利用非线性 最小二乘 法拟合 得到输 电塔顺 风向、横风向 风荷载 经验公 式。研究结 果表 明: 风洞试验设计、制作的输电塔气弹模型, 测试得到的模型第 1阶自振频率与 有限元计算结果吻 合较好; 横风 向荷载谱形 态与顺风向的相比有较大的区别, 其能量分布在一个更宽的频带上, 其峰值频率是顺风向的 3~ 4倍。 关键词: 输电塔; 气动弹性模型; 风洞试验; 荷载识别; 虚拟激励法 中图分类号: TU 312 1 TU 317 1 文献标志码: A