下?lián)舯┝飨赂駱?gòu)式塔架的受力與穩(wěn)定論文綜述

1、下?lián)舯┝飨赂駱?gòu)式塔架的受力與穩(wěn)定論文綜述、戶.、 刖言：為研究下?lián)舯┝飨螺旊娋€塔的破壞情況及其預(yù)防，本人進(jìn)行了 這次論文綜述的工作。本文分四部分，分別是1.下?lián)舯┝鞯母拍罴疤?征2.下?lián)舯┝鞯臄?shù)值模擬3.下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)荷載模擬4.下?lián)舯┝髯?用下格構(gòu)式塔架的倒塌過程分析下?lián)舯┝鞯母拍钆c特征1.1概念下?lián)舯┝鳛槔妆┨鞖庵袕?qiáng)下沉氣流沖擊地面后向四周擴(kuò)散引起 的沖擊性的近地面強(qiáng)風(fēng)。根據(jù)所引起的近地面強(qiáng)風(fēng)的影響范圍，下?lián)?暴流可進(jìn)一步分為宏下?lián)舯┝骱臀⑾聯(lián)舯┝?。宏下?lián)舯┝髦赶聯(lián)舯┝?引起的地面強(qiáng)風(fēng)在水平尺度上超過4 km，微下?lián)舯┝髦赶聯(lián)舯┝饕?起的地面強(qiáng)風(fēng)在水平尺度上小于或等于4 km。1.2特征尺度

2、特征。產(chǎn)生下?lián)舯┝鞯南鲁翚饬髯畛跣纬膳c距離地面高度 為H=2100m至H=4100m的冷空氣團(tuán)云底位置。下沉氣流的初始出流直 徑介于D=600m和D=1700m之間。速度特征。下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)速剖面中最大風(fēng)速值出現(xiàn)在距地面非 常低的高度。平均而言，相對(duì)于初始出流直徑D=1800m的下?lián)舯┝黠L(fēng)， 其風(fēng)速最大值出現(xiàn)在距離下沉氣流沖擊地面點(diǎn)水平距離約r=1500m， 高度H=80m的位置。同傳統(tǒng)大氣邊界層風(fēng)的風(fēng)速隨高度增加而增大明 顯不同，下?lián)舯┝黠L(fēng)在近地面區(qū)域迅速增大到最大值，隨后隨高度增 加而迅速減小。（3）隨機(jī)特征。同傳統(tǒng)大氣邊界風(fēng)常被看作各態(tài)經(jīng)歷的平穩(wěn)隨機(jī)過 程不同，下?lián)舯┝鬟^程一般伴隨風(fēng)暴中心

3、的移動(dòng)，為典型的非平穩(wěn)過 程。（4）氣壓特征。下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)場(chǎng)中存在著明顯的氣壓變化過程。Fujita推斷，這種劇烈的壓力變化可能達(dá)到2至3KPa。下?lián)舯┝黠L(fēng) 場(chǎng)中劇烈變化的壓力場(chǎng)對(duì)相關(guān)的工程結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)取值會(huì)產(chǎn)生相 當(dāng)大影響。當(dāng)前研究對(duì)下?lián)舯┝鞯奶卣鞯恼J(rèn)識(shí)已經(jīng)比較全面，對(duì)徑向和豎向 風(fēng)剖面的的數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較好吻合度，下?lián)舯┝鲗?duì)輸電 線塔的破壞作用已引起各國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的重視，個(gè)別國家在設(shè)計(jì)規(guī) 范里明確了要考慮下?lián)舯┝髌茐牡囊蛩?，可見下?lián)舯┝鲗?duì)塔架結(jié)構(gòu)的 破壞是常見的，研究它是必要的迫切的。下?lián)舯┝鞯臄?shù)值模擬下?lián)舯┝鞯难芯糠椒ㄓ鞋F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，解析模型，實(shí)驗(yàn)室物理模擬和 數(shù)值模擬，其中以

4、數(shù)值模擬是最重要的一種研究手段。風(fēng)工程界最關(guān) 心的是下?lián)舯┝髯矒舻孛婧螽a(chǎn)生的近地面輻散大風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)特征及對(duì) 結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)，主要采用CFD數(shù)值模式模擬高精度的理想下?lián)舯┝?近地風(fēng)場(chǎng)。采用CFD數(shù)值模擬主要應(yīng)注意以下三個(gè)方面:2.1風(fēng)場(chǎng)模型目前從結(jié)構(gòu)風(fēng)工程角度開展的下?lián)舯┝鲾?shù)值模擬主要依據(jù)了兩個(gè)基本的風(fēng)場(chǎng)模型，即環(huán)渦模型和沖擊射流模型。如圖:(a)環(huán)形渦流模型(b)沖擊射流模型圖3環(huán)形渦流模型和沖擊射流模型據(jù)Wan使用解析和數(shù)值模擬兩種方法比較發(fā)現(xiàn)，在高空位置沖擊射流 模型能較準(zhǔn)確描述下沉氣流形態(tài)，在中控位置則能更好地描述環(huán)形 渦，在京地面位置尤其是下沉氣流沖擊地面后擴(kuò)散過程的描述沖擊射 流模型更

5、為準(zhǔn)確。近年來基于沖擊射流模型開展的許多下?lián)舯┝魑锢?模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果頁表明該模型同實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合。2.2邊界條件當(dāng)前基于沖擊射流模型的下?lián)舯┝鲾?shù)值模擬的邊界條件通常設(shè)置 如表所示表1邊界條件Table 1Boundary conditions邊界類壩邊界條件速度入口噴射速度人口= 1%,水力半徑=日卬AXIS壁面增強(qiáng)壁畫姓理模型刑流湍流度7啜，水壓力出口力半徑=上滑移壁面零蟄心(2.3湍流模型與網(wǎng)格通常，雷諾應(yīng)力湍流模型（RSM模型）常常被認(rèn)為是下?lián)舯┝鲾?shù)值 模擬中兼顧了計(jì)算精度和計(jì)算耗時(shí)的最佳選擇。RSM模型屬于高雷諾 數(shù)模型，在固體壁面附近，由于分子黏性作用，湍流脈動(dòng)受到阻尼作 用，雷諾數(shù)很小

6、，RSM湍流模型不再適用，此時(shí)，大多數(shù)下?lián)舯┝髂?擬者采用增強(qiáng)壁面處理的近壁面模型來修正RSM模型，以模擬近壁區(qū) 的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。近壁面首層網(wǎng)格至壁面的無量綱距離滿足廣wi，其中廣。利用下?lián)舯┝鞯臄?shù)值模擬，我們可以得到下?lián)舯┝餍纬?、下沉與 擴(kuò)散的全過程數(shù)值仿真。其中包括了下?lián)舯┝鳑_擊地面前后的風(fēng)場(chǎng)特 征，下?lián)舯┝鞯乃矐B(tài)風(fēng)速特征，下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)剖面特征等。這些數(shù)值 與特征對(duì)于我們將下?lián)舯┝鞯挠绊憫?yīng)用于結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用具有重要 意義。下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)荷載模擬要研究下?lián)舯┝飨陆Y(jié)構(gòu)的受力與穩(wěn)定，就必須要知道下?lián)舯┝髯?用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特征和破壞模式，為此，需要獲得下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)荷載。3.1下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載的基本模型

7、為與普通近地風(fēng)荷載的描述方法保持一致，將作用在結(jié)構(gòu)上的下 擊暴流荷載寫成隨時(shí)間變化的平均部分和脈動(dòng)部分之和，即U（z，t）=U （z， t）+u（z，t）式中，U （z，t）為隨時(shí)間變化的平均風(fēng)速；u（z，t）為脈動(dòng)風(fēng)速，是 一0均值的隨機(jī)過程。與普通近地風(fēng)不同的是，下?lián)舯┝骱奢d時(shí)程是一個(gè)非平穩(wěn)的隨機(jī) 過程。下?lián)舯┝髌骄L(fēng)速U (z，t)是通過風(fēng)速時(shí)程在一定時(shí)間步長 內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)平均的方式獲得的，故而是一種瞬時(shí)平均的時(shí)變過程。而 下?lián)舯┝髅}動(dòng)風(fēng)速也并不一定服從高斯分布，但這里假定它服從高斯 分布。3.2下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載的平均成分假定不同高度處的下?lián)舯┝髌骄L(fēng)速同時(shí)達(dá)到最大值，這樣任一 高度處的瞬時(shí)

8、平均風(fēng)速可表示為一最大平均風(fēng)速V(z)和一最大值為1 的時(shí)間函數(shù)f(t)之積，即U (z，t)=v(z)f(t)Oseguera、Vicroy、Wood分別提出了3種最大平均風(fēng)速模型。Oseguera的模型為V(z)=(德2/(2廣)1 -丁承尸(e-廣5)式中，V(z)為高度z處的最大平均風(fēng)速；r為到風(fēng)暴中心的距離；R為 下?lián)舯┝鞯奶卣靼霃?；z大為邊界層外的某一特征高度；e為邊界層內(nèi) 的某一特征高度；久為一比例系數(shù)。Victoy提出的模型為V(t) = L22 x exp(- 0.15芝/與皿)- exp(- 3*217x式中，Vmax為下?lián)舯┝鞯淖畲笏斤L(fēng)速，發(fā)生在Zmax高度處(通常 Z

9、max為60 m左右)。Wood的模型為V(Q = L55(”6)璀 x U -erf(O，d) x Vg 式中，5為高度參數(shù)；erf為誤差函數(shù)。3.3下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載的脈動(dòng)成分 下?lián)舯┝鞯拿}動(dòng)風(fēng)速是一個(gè)非平穩(wěn)的隨機(jī)過程。Chen認(rèn)為，脈動(dòng)風(fēng)速 的最大幅值大約為該時(shí)平均風(fēng)速的0. 25倍，Chay認(rèn)為是該時(shí)平均風(fēng) 速的0. 080. 11倍。因此可假定脈動(dòng)風(fēng)速的頻域特性是不隨時(shí)間改 變的，將脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程寫成一隨時(shí)間變化的幅值調(diào)制函數(shù)和一服從標(biāo) 準(zhǔn)正態(tài)分布（均值為0，方差為1）的高斯隨機(jī)過程，其表達(dá)式為（w 井）=式中，取隨時(shí)間變化的幅值調(diào)制函數(shù)打6仃）=0一；K （z，t）為服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布且頻

10、譜特性不隨時(shí)間變化的高斯平 穩(wěn)隨機(jī)過程，它反映風(fēng)荷載的脈動(dòng)特點(diǎn)。3.4下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載的荷載效應(yīng)取下?lián)舯┝黠L(fēng)平均風(fēng)速it（z，t）達(dá)到最大時(shí)的平均風(fēng)速Umax（z）及 其對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)風(fēng)速作為設(shè)計(jì)風(fēng)荷載的基本風(fēng)速，這樣所得的設(shè)計(jì)風(fēng)荷 載為對(duì)結(jié)構(gòu)最不利的下?lián)舯┝髟O(shè)計(jì)風(fēng)荷載的最大值。=1/響1+0.11機(jī)睛）作用在結(jié)構(gòu)上的下?lián)舯┝黠L(fēng)壓為!.十一*用涉。+ 0* 1 IpUmax- Wd（N）+ Wd（zft）如果將下?lián)舯┝鞯脑O(shè)計(jì)風(fēng)荷載形式與一般設(shè)計(jì)風(fēng)荷載的形式統(tǒng)一，則簡(jiǎn)化為F = 0.5 缶其中p air為空氣的密度，可取為1. 2kg/m3o Cftg為空氣動(dòng)力體型 系數(shù)。A/為節(jié)點(diǎn)的迎風(fēng)面積。Cdy

11、n為動(dòng)力響應(yīng)因子，其計(jì)算如下：1 + 2/點(diǎn)旭+業(yè)嚴(yán)卜%=L + 2M其中Ih為結(jié)構(gòu)頂部的紊流度，gv為迎風(fēng)向速度脈動(dòng)的峰因子，Bs為高 度s處的背景因子，Z為結(jié)構(gòu)阻尼比，Hs為高度s處的共振因子，gR 為共振響應(yīng)的峰因子，S為形狀換算因子，Et為風(fēng)流向的紊流譜。下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載模擬是將下?lián)舯┝髯饔脩?yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要一 環(huán)，日前算法理論還不夠完善，有很多簡(jiǎn)化計(jì)算的地方，國內(nèi)已有相 當(dāng)一部分論文在討論。下?lián)舯┝髯饔孟赂駱?gòu)式塔架的倒塌過程分析下?lián)舯┝髯饔孟缕茐牡妮旊娋€塔的主要特征是：塔腿部分比較完 整，未發(fā)生嚴(yán)重的變形或屈曲；塔腿以上塔身的第一、二塔段發(fā)生了 比較嚴(yán)重的破壞，部分桿件斷裂。王錦文和

12、瞿偉廉的研究表明，下?lián)舯┝黠L(fēng)作用下底部彎矩達(dá)到抗 彎極限狀態(tài)時(shí)，在結(jié)構(gòu)40 m以下區(qū)域內(nèi)的彎矩值大于結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)高度的 抗彎極限彎矩，表明此時(shí)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞并不是首先發(fā)生在結(jié)構(gòu)底 部，而是發(fā)生在結(jié)構(gòu)底部以上40 m以下區(qū)域內(nèi)。當(dāng)?shù)撞窟_(dá)到抗風(fēng)能力 極限狀態(tài)時(shí)，下?lián)舯┝骺蓪?dǎo)致結(jié)構(gòu)在40 m高度區(qū)域內(nèi)發(fā)生破壞。輸電線-塔結(jié)構(gòu)在下?lián)舯┝鲝?qiáng)風(fēng)荷載作用下的破壞從結(jié)構(gòu)的中下 部開始，而非從底部開始；若在一次強(qiáng)度極大的下?lián)舯┝髯饔孟?，?電線-塔結(jié)構(gòu)的中下部結(jié)構(gòu)主桿在彎矩和軸向壓力的共同作用下會(huì)發(fā)生彈翅性失穩(wěn)破壞，進(jìn)而導(dǎo)致輸電線-塔結(jié)構(gòu)的倒塌。若在數(shù)次強(qiáng)度 較小的下?lián)舯┝鞯睦鄯e作用下，輸電線-塔結(jié)構(gòu)的中下部結(jié)點(diǎn)層

13、的部 分腹桿會(huì)發(fā)生塑性疲勞破壞，部分結(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生焊縫的累積疲勞破壞。 從而引起輸電線一塔結(jié)構(gòu)的倒塌?？偨Y(jié)通過此次論文綜述的過程，我認(rèn)識(shí)到了下?lián)舯┝鬟@種對(duì)塔架結(jié)構(gòu) 破壞作用嚴(yán)重的雷暴風(fēng)，知道了從認(rèn)識(shí)到分析到應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié) 構(gòu)分析的整個(gè)過程。遺憾的是，由于自身知識(shí)有限，很多地方未能理 解，尤其數(shù)值模擬，振動(dòng)響應(yīng)的部分，所以此次的綜述也只是將所看 論文的內(nèi)容整理摘抄，再加上一點(diǎn)自己的看法。通過這幾天的學(xué)習(xí)以 及對(duì)sap2000的摸索，我認(rèn)為對(duì)下?lián)舯┝飨赂駱?gòu)式塔架的受力與穩(wěn)定 分析的最重要部分就是塔架的有限元建模和如何將下?lián)舯┝鞯淖饔?最大程度擬真地轉(zhuǎn)化為作用在結(jié)構(gòu)上的荷載兩部分。希望在接下來的 學(xué)

14、習(xí)中能夠解決好這兩個(gè)問題。參考文獻(xiàn):李宏李承銘李春祥李錦華于志強(qiáng)瞿偉廉梁政平王力爭(zhēng)吉柏鋒李春祥劉晨哲申建紅李錦華鄒波瞿偉廉吉柏鋒李健群王錦文瞿偉廉吉柏鋒王錦文王錦文瞿偉廉吉柏鋒瞿偉廉鋼塔架在風(fēng)荷載作用下的受力與變形輸電塔線體系抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論與發(fā)展下?lián)舯┝鞯奶卣骷捌鋵?duì)輸電線塔風(fēng)致倒塌的影響土木工程下?lián)舯┝黠L(fēng)速數(shù)值模擬的研究下?lián)舯┝鞯奶卣骷把芯肯聯(lián)舯┝黠L(fēng)的數(shù)值仿真研究下?lián)舯┝黠L(fēng)與大氣邊界層風(fēng)的風(fēng)剖面特征比較下?lián)舯┝黠L(fēng)作用下輸電“線.塔”結(jié)構(gòu)倒塌破壞的特征分析下?lián)舯┝髯饔孟赂邔咏ㄖ锉砻骘L(fēng)壓分布特性李宏海歐進(jìn)萍瞿偉廉王錦文張鋼潘運(yùn)紅柳暢馬文玉馮樹常金朝坤王世民林友新李宏男于秀雷梁樞果鄒良浩Leon K

15、empner Jr下?lián)舯┝髯饔孟陆ㄖ锉砻骘L(fēng)壓分布模擬下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載的數(shù)值模擬下?lián)舯┝鲄^(qū)域特征提取和識(shí)刖算法下?lián)舯┝鲗?shí)例分析風(fēng)雨荷載作用下輸電塔動(dòng)力響應(yīng)分析格構(gòu)式塔架順風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)簡(jiǎn)化計(jì)算Wind Load Methodologies for Line Towers and ConductorsHoria Hangan, Eric Savory, Ashraf El Damatty Jon Galsworthy, Craig MillerModeling and prediction of failure of transmission lines due to high intensity windsPartha P.Sarkar,PH.D.and Thomas B.Gardner Model Test to Rain/Wind-I