不同类风场雨滴冲击荷载对输变电塔线体系动力响应的影响研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .文章编号:()收稿日期:修回日期:基金项目:亚热带建筑科学国家重点实验室开放课题项目(.)教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(教外司留 号)安徽省自然科学基金资助项目(.)通信作者:王辉教授:.引用格式:王辉戴根张鑫.不同类风场雨滴冲击荷载对输变电塔线体系动力响应的影响研究.应用力学学报():.():.不同类风场雨滴冲击荷载对输变电塔线体系动力响应的影响研究王辉戴根张鑫(.合肥工业大学土木与水利工程学院 合肥.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室 广州)摘 要:输变电塔体系遭受风雨耦合作用破坏时常将原因归于风荷载忽略了雨荷载耦合激励的放大效应 针对
2、某输电线路“一塔两线”体系模型以数值方法模拟良态风雨场与湿下击暴流场的风雨时程荷载分别对塔线体系进行动力响应分析结果表明:降雨对输电塔线体系的响应具有显著影响随着雨强变大塔线体系响应增大明显在极值降雨条件下湿下击暴流场塔顶位移增幅最大在 向和 向分别达到.和.两种风雨场中塔顶位移及加速度功率谱密度均出现明显增幅体系共振响应增强塔身关键位置主材应力分别增大了.、.在不同类风场中强降雨时雨滴冲击对塔线体系产生的激励增大作用不可忽略关键词:塔线体系风雨荷载良态风雨场湿下击暴流动力响应分析中图分类号:.文献标志码:./.(.):.第 期王辉等:不同类风场雨滴冲击荷载对输变电塔线体系动力响应的影响研究
3、投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .:输电塔线体系是电能输送的载体因其具有轻质、高柔、小阻尼的特性在极端气象条件下容易发生疲劳损伤和倒塌破坏而事故调查分析往往将原因归结于强风作用 由于强风通常伴随强降雨降雨对结构动力响应的影响显著因此有必要针对不同类型的风场对输电塔线体系受风雨作用效应开展深入研究为电力设施抵抗强风雨作用的设计提供依据目前有关输电塔线体系抗风雨研究还比较缺乏 对于良态风场文献对输电塔线路的风雨激振特性进行实验研究表明降雨具有显著荷载效应 文献考虑降雨分类建立输电塔线体系的风雨激励动力分析模型分析降雨对结构响应的贡献程度 上述研究为深入揭示风雨对塔线体系的作用机理奠定了基础
4、 而对于下击暴流其属于特异风相较于良态风存在显著差异具有对流空间小、突发性强、瞬间风力大的特点而湿下击暴流还会伴随强降雨对构筑物产生的影响仍然缺乏必要认识文献对输电塔线在下击暴流作用下的受力特征及影响参数进行研究但未考虑降雨荷载的影响文献利用非高斯随机过程方法模拟湿下击暴流的雨滴冲击荷载为湿下击暴流对塔线体系的作用研究提供理论方法 文献对输电线路受下击暴流风雨作用的振动特性进行分析但未涉及塔线体系由于雨滴冲击力受重力及风力双重驱动作用不同风场结构类型的风雨对塔线体系的作用必然存在差异 本研究以“一塔两线”体系模型为对象针对两种风场伴随不同降雨模拟风雨对塔线体系的动力作用从塔身的塔顶位移响应均方
5、根、功率谱以及主材应力等角度分析获取相关特性 风雨荷载模拟理论方法.风荷载对于良态风采用谐波叠加法进行脉动风模拟对于下击暴流风可以看作由平均部分和具有随机性的脉动部分组成 其平均部分风速具有时变特征可由竖向风剖面分布函数与时间函数的相乘获得即()()()()式中:()为竖向风剖面在该高度处的最大风速()为描述数值风剖面变化的时间函数()()/()()式中:()为合成风速根据文献提出的矢量合成方法空间一点 的风速为径向风速()与风暴移动速度 的矢量和图 风速矢量合成图.非平稳脉动风速可表示为调制函数和平稳高斯随机过程的乘积()()()()式中:()(.)()其为平均风乘以经验系数(.)()为频谱
6、特征不随时间改变且服从标准正态分布的高斯随机过程由两种风雨场各高度点的风速时程可确定结构所受风荷载时程即()()()式中:为 年重现期调整系数.为空气密度 为风荷载体型系数 为体系结构迎风面积.雨荷载按每小时降雨量对雨强等级进行分类如表 所示 结合已有实测数据和研究分析单位体积中雨滴的分布情况可由 谱分布确定即 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报()()式中:个斜率因子 .这里 为雨强(/)单个雨滴的作用力为()()式中:为雨滴撞击结构持续时间 为雨滴直径为雨滴撞击前的末速度 模拟时将雨滴作用力转化为构件表面的均布面荷载即()/()式中:为雨滴截面面积 /为雨滴空
7、气中占有率取 /雨滴的作用力可以表示为顺风向和竖直方向顺风向雨滴速度趋于风速竖直方向速度趋于自由下落速度与雨滴粒径、阻力系数、雨滴密度和空气密度相关表 不同降雨等级降雨量.参数小雨中雨大雨暴雨大暴雨弱中强极值降雨量/().结构及荷载模型.塔线体系模型以南方某地区 输电线路耐张塔为对象塔高.塔腿根开为.水平档距为 线路两端无高度差 塔体主材及辅材分别采用、角钢弹性模量均为 输电导线截面积.弹性模量.建立梁杆混合模型对于主材位置采用 空间梁单元建模辅材及导线建模选用 单元体系整体有限元模型如图 所示图 塔线体系整体有限元模型.对塔线体系进行模态分析获取塔体及导线的一阶振型频率以反应体系的动力特性其
8、结果如表 所示表 体系动力特性.阶数部位频率/振型 阶塔体.平面外 向弯曲.平面内 向弯曲 阶导线.出平面振动.平面内振动.风雨荷载对于良态风输电塔所在地为 类地貌(.)高度处设计风速 /风速谱采用 谱时间步长 .截取频率上限 采样频率点数 按上述条件模拟获得塔线体系各高度点脉动风时程由图 可知模拟风速的功率谱和理想谱能较好吻合图 体系.高度点位置脉动风频谱分析.对于下击暴流风模拟参数取 /最大径向风速取 /特征距离 模第 期王辉等:不同类风场雨滴冲击荷载对输变电塔线体系动力响应的影响研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报拟时长为 体系与风暴中心初始相对 下击暴流中心相对体系移动状态见图
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