大跨越輸電塔風(fēng)振控制

主要內(nèi)容1研究目的、意義及國(guó)內(nèi)外研究概況2工程背景和力學(xué)模型3阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案研究4塔線耦合體系在橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究5結(jié)論§1

研究目的、意義及國(guó)內(nèi)外研究概況第1章研究目的及意義國(guó)內(nèi)外研究狀況本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)§1

研究目的、意義及國(guó)內(nèi)外研究概況1.1

研究目的和意義

在我國(guó)，輸電線路的風(fēng)致振動(dòng)導(dǎo)致輸電塔強(qiáng)烈振動(dòng)甚至倒塌之事時(shí)有發(fā)生。特高壓輸電線路是生命線工程，輸電塔的強(qiáng)烈振動(dòng)會(huì)帶來安全隱患。對(duì)晉東南～南陽(yáng)～荊門1000kV輸電線路的漢江大跨越輸電塔進(jìn)行振動(dòng)控制研究既有重要的理論意義，又有保證線路安全運(yùn)營(yíng)的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1.2

國(guó)內(nèi)外研究概況

§1

研究目的、意義及國(guó)內(nèi)外研究概況

國(guó)外：以美國(guó)和日本為代表的一些學(xué)者對(duì)塔線耦合體系的風(fēng)致振動(dòng)分析方法和振動(dòng)控制措施作了研究，其中Battista等提出了一種非線性擺錘吸振器設(shè)計(jì)方法。國(guó)內(nèi)：對(duì)塔的風(fēng)振控制方面的研究起步較晚同濟(jì)大學(xué)采用MTMD和VED對(duì)塔架進(jìn)行聯(lián)合振動(dòng)控制研究，武漢理工大學(xué)對(duì)塔線耦合體系進(jìn)行了動(dòng)力特性影響因素的研究;

§1

研究目的、意義及國(guó)內(nèi)外研究概況李宏男、梁樞果等提出了多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化計(jì)算模型，將輸電塔簡(jiǎn)化為具有多個(gè)集中質(zhì)量的串聯(lián)多自由度體系，導(dǎo)線簡(jiǎn)化為多個(gè)集中質(zhì)點(diǎn)，各集中質(zhì)點(diǎn)之間由剛性桿相連，利用該模型開展了高壓輸電塔線體系的地震反應(yīng)研究。并針對(duì)輸電塔線體系屬高柔結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是主要荷載的特點(diǎn)，對(duì)輸電塔線體系的頻域風(fēng)振響應(yīng)做了研究;§1

研究目的、意義及研究?jī)?nèi)容以沿山頭輸電塔為背景，研究了TMD對(duì)大跨越輸電塔脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)的振動(dòng)控制問題；以王家灘輸電塔為背景，通過計(jì)算和實(shí)測(cè)研究了加設(shè)VED的減振效果；以李埠輸電塔為背景，研究了鉛阻尼器對(duì)大跨越輸電塔風(fēng)振響應(yīng)的控制問題；數(shù)值仿真了空間相關(guān)的輸電塔脈動(dòng)風(fēng)速場(chǎng)；以塔坪橋大跨越輸電塔為背景，運(yùn)用有限元法分析了架空輸電線路的順風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)。華中科技大學(xué)在輸電塔的風(fēng)振控制方面做了以下工作：§1

研究目的、意義及國(guó)內(nèi)外研究概況1.3

本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)編制了空間相關(guān)的脈動(dòng)風(fēng)速場(chǎng)模擬程序WVFM開發(fā)了適于用大跨越輸電塔的橡膠鉛芯阻尼器探索了橡膠鉛芯阻尼器的最佳控制方案總結(jié)了橡膠鉛芯阻尼器對(duì)大跨越輸電塔的控制效果§2

工程背景和力學(xué)模型第2章力學(xué)模型工程概況

本文研究中取大跨越酒杯輸電塔的呼高為168m，塔位地面標(biāo)高47m；耐張塔的呼高為40m，地線掛點(diǎn)高72m；跨越形式為耐－直－直－耐，檔距分配為706m－1650m－600m?！?

工程背景和力學(xué)模型2.1

工程概況導(dǎo)線型號(hào)：6×AACSR/EST—500/230地線型號(hào)：JLB20B—240，OPGW—250

§2

工程背景和力學(xué)模型本工程塔型采用單回路直線跨越塔和單回路跨越耐張塔，直線跨越塔中導(dǎo)線與邊導(dǎo)線間的線間距離為29m，耐張塔為19m，兩種塔的導(dǎo)、地線掛線點(diǎn)之間存在懸掛偏角，導(dǎo)線掛線偏角為1°，地線掛線偏角為1.5°。

在單塔有限元建模時(shí)，利用ANSYS建立空間三維有限元模型，順線方向（X方向），豎向（Y方向），橫向（Z方向），共574個(gè)節(jié)點(diǎn)，塔桿采用1520個(gè)BEAM44單元模擬，塔底四角固結(jié)。§2

工程背景和力學(xué)模型2.2

力學(xué)模型

在塔線有限元建模時(shí)，根據(jù)性能參數(shù)等效的原則，將導(dǎo)線6×AACSR/EST-500等效為一根導(dǎo)線，利用ANSYS建立空間三維有限元模型，順線方向（X方向），豎向（Y方向），橫向（Z方向）。考慮了三相導(dǎo)線和兩相地線，此時(shí)模型共1698個(gè)節(jié)點(diǎn)，塔桿采用4116個(gè)BEAM44單元模擬，地線、絕緣串、導(dǎo)線共采用84個(gè)LINK10單元模擬，塔底四角固結(jié)。根據(jù)受力特點(diǎn)，地線、導(dǎo)線端處理成鉸接?！?

工程背景和力學(xué)模型§3

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案第3章各種阻尼器比選橡膠鉛芯阻尼器的性能特點(diǎn)橡膠鉛芯阻尼器數(shù)學(xué)模型橡膠鉛芯阻尼器的構(gòu)造和安裝橡膠鉛芯阻尼器布置方案金屬屈服阻尼器

將結(jié)構(gòu)振動(dòng)的部分能量通過金屬的屈服滯回耗能耗散掉；摩擦阻尼器

將結(jié)構(gòu)振動(dòng)的部分能量通過阻尼器中元件之間的摩擦耗能耗散掉；粘性液體阻尼器

將結(jié)構(gòu)振動(dòng)的部分能量通過阻尼器中流體的粘滯耗能耗散掉；粘彈性阻尼器

將結(jié)構(gòu)振動(dòng)的部分能量通過阻尼器中粘彈性材料的剪切變形耗能耗散掉?！?

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案3.1

各種阻尼器比選§3

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案+＝粘彈橡膠鉛芯橡膠鉛芯

3.2橡膠鉛芯阻尼器的性能特點(diǎn)橡膠鉛芯阻尼器示意圖本構(gòu)關(guān)系示意圖充分利用了鉛和粘彈橡膠兩種材料的特點(diǎn)，具有較大的耗能能力；鉛的力－位移滯回曲線近似為矩形，即鉛在屈服前剛度無窮大，屈服后剛度為零，而橡膠的力－位移滯回曲線近似為一直線，且剛度較小，因此橡膠鉛芯阻尼器具有較大的初始剛度和較小的屈服后剛度；

橡膠鉛芯阻尼器的性能穩(wěn)定、在一定條件下受溫度、頻率和應(yīng)變幅值等因素的影響較?。昏偳对阡摴艿膬?nèi)側(cè)，既不增加迎風(fēng)面積，又不影響塔的美觀；構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、施工方便?！?

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案§3

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案0.5Hz-2mm實(shí)驗(yàn)曲線：3.3

橡膠鉛芯阻尼器參數(shù)計(jì)算屈服前剛度較大，屈服后剛度較??；屈服后繼續(xù)加載，荷載－位移曲線基本上為一直線；在屈服后卸載，初始卸載剛度較大，而后逐漸減小，直到反向加載屈服；滯回環(huán)兩端較為豐滿，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)幾乎不發(fā)生改變；§3

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案由圖可看出：§3

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案橡膠鉛芯阻尼器數(shù)學(xué)模型雙線性數(shù)學(xué)模型：阻尼器采用彈簧-滑移單元COMBIN40模擬。單元通過兩個(gè)節(jié)點(diǎn)、兩個(gè)彈簧常數(shù)k1和k2（力/長(zhǎng)度）和一個(gè)界限滑移力FSLIDE(力)進(jìn)行描述。

橡膠鉛芯阻尼器的屈服剪力主要由鉛芯提供，其計(jì)算公式為

阻尼器的第二剛度主要由橡膠提供，其計(jì)算公式為

其中，為橡膠的厚度，為橡膠面積，為橡膠的剪切模量?！?

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案橡膠鉛芯阻尼器參數(shù)計(jì)算如下：阻尼器的第一剛度為鉛芯屈服前的剛度加橡膠剛度，其計(jì)算公式為

其中，為鉛芯的屈服位移。

阻尼器的出力為：

其中，為阻尼器的相對(duì)位移?！?

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案§3

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案參數(shù)第一剛度k1(N/mm)第二剛度k2(N/mm)起滑力Qslide(kN)數(shù)值81.476.1422.6橡膠鉛芯阻尼器參數(shù)

橡膠鉛芯阻尼器是由鋼板、橡膠和鉛芯組成，橡膠與約束鋼板通過高溫高壓硫化為一體，鉛芯成型后壓入預(yù)留孔中。由上面的計(jì)算可得，本工程中所用的橡膠鉛芯阻尼器的各參數(shù)如下：3.4

橡膠鉛芯阻尼器的構(gòu)造和安裝§3

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案橡膠鉛芯阻尼器示意圖

在本工程中所用的橡膠鉛芯阻尼器的尺寸和外形如圖所示?！?

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案橡膠鉛芯阻尼器安裝示意圖

將橡膠鉛芯阻尼器并聯(lián)安裝于塔桿上的鋼管內(nèi)側(cè)，單個(gè)阻尼器的連接安裝方式見連接安裝示意如圖所示?！?

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案阻尼器連接板示意圖

其中連桿的受力70kN，由于鋼管兩端的相對(duì)位移主要由阻尼器承擔(dān)，要避免連桿的變形，就必須加大其截面尺寸，使其承載力達(dá)到出力的若干倍。連接鋼板采用圓形連接板，其外形和尺寸如圖所示，連接螺栓起固定和連接作用，采用8個(gè)M16。

§3

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案ZBK跨越直線塔阻尼器安裝圖

阻尼器的安裝為了減少塔的風(fēng)振反應(yīng)，在ZBK跨越直線塔的曲臂主材內(nèi)安裝阻尼器，如圖所示。由于阻尼器不能遇高溫，必須在塔體鍍鋅完成后，才能與塔身主材焊接，焊接后涂環(huán)氧樹脂富鋅漆防腐。3.5

阻尼器布置方案方案0—

不加阻尼器方案1—

塔頭頂橫擔(dān)邊緣桿件加16個(gè)阻尼器方案2—

塔頭上半部分邊緣桿件加16個(gè)阻尼器方案3—

塔頭下半部分邊緣桿件加16個(gè)阻尼器方案4—

塔身上半部分四角桿件加24個(gè)阻尼器

方案5—

塔身下半部分四角桿件加20個(gè)阻尼器方案6

—

方案2+方案3共加32個(gè)阻尼器

§3

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案減振率定義：§3

阻尼器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制布置方案A點(diǎn)為塔頭根部節(jié)點(diǎn)，B點(diǎn)為塔頭上、下部分相交點(diǎn)，C點(diǎn)為橫擔(dān)外邊緣節(jié)點(diǎn)，D點(diǎn)為塔頭節(jié)點(diǎn)，A’~D’點(diǎn)與A~D對(duì)稱，皆為提取位移、速度、加速度關(guān)鍵點(diǎn)。鋼管1為塔身頂部邊緣桿件和鋼管2為塔身底部邊緣桿件，皆為提取內(nèi)力部位的控制構(gòu)件。

返回33頁(yè)

返回39頁(yè)§4

塔線橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究第4章風(fēng)速場(chǎng)的數(shù)值模擬動(dòng)風(fēng)作用下塔線體系的的振動(dòng)控制

4.1

風(fēng)速場(chǎng)的數(shù)值模擬根據(jù)各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)隨機(jī)過程的數(shù)值模擬理論，在FORTRAN環(huán)境里自行開發(fā)了空間相關(guān)的風(fēng)速模擬程序WVFS(windvelocityfieldsimulation)。風(fēng)荷載加載節(jié)點(diǎn)全在迎風(fēng)面上均勻分布，共281點(diǎn)，其中兩個(gè)塔上共140點(diǎn)，地線、導(dǎo)線上共141點(diǎn)。假設(shè)離地10m高度處的基本風(fēng)速，其他高度處的平均風(fēng)速按照指數(shù)律換算；§4

塔線橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究§4

塔線橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究

各種型鋼（角鋼、鋼管等）及其組合構(gòu)件的風(fēng)荷載體型系數(shù)一律取1.3，導(dǎo)（地）線的風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.1；受風(fēng)面積取節(jié)點(diǎn)的有效受風(fēng)面積，即節(jié)點(diǎn)控制范圍內(nèi)型鋼及導(dǎo)（地）線的迎風(fēng)面積；模擬目標(biāo)譜取反映高度變化的Kaimal譜，譜頻率分割為1024塊；模擬時(shí)間步長(zhǎng)0.25s，共4096步，總時(shí)長(zhǎng)1024s。

塔頂風(fēng)速時(shí)程曲線4.2

動(dòng)風(fēng)作用下塔線耦合體系的的振動(dòng)控制§4

塔線橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究1）塔線體系在動(dòng)風(fēng)作用下的響應(yīng)

動(dòng)風(fēng)作用指平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)共同作用在塔身和導(dǎo)（地）線上，根據(jù)式，將動(dòng)風(fēng)荷載作用在塔-線系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，沿塔高的位移、速度、加速度響應(yīng)如下表所示，表中的控制點(diǎn)A、B、C、D見阻尼器方案布置圖?！?

塔線橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究阻尼器方案關(guān)鍵點(diǎn)位移速度加速度最大值(cm)減振率(%)最大值(cm)減振率(%)最大值(cm)減振率(%)0A31.07--11.88--12.80--B58.11--21.77--22.35--C87.37--35.14--34.32--D110.26--45.13--42.15--1A30.960.3511.840.3212.462.66B57.840.4721.680.4220.299.19C86.780.6734.781.0333.711.79D109.400.7845.030.2240.613.672A30.232.6910.4811.8212.432.86B55.105.1718.6214.4922.041.36C79.519.0028.7018.3232.166.31D99.2110.0236.1519.8938.109.633A28.179.339.6818.5511.639.10B47.9117.5516.1126.0017.6521.01C73.2816.1226.3824.9226.2523.52D92.2416.3533.5025.7732.9621.81塔線系統(tǒng)控制點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)最大值及減振率

§4

塔線橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究阻尼器方案關(guān)鍵點(diǎn)位移速度加速度最大值(cm)減振率(%)最大值(cm)減振率(%)最大值(cm)減振率(%)0A31.07--11.88--12.80--B58.11--21.77--22.35--C87.37--35.14--34.32--D110.26--45.13--42.15--4A31.040.0810.997.4912.671.00B58.080.0419.908.5921.374.38C87.290.0932.028.8632.106.47D110.100.1540.719.7938.698.225A31.050.0510.997.5312.661.09B58.070.0719.908.6321.374.38C87.270.1232.018.8932.076.54D110.070.1740.709.8237.6610.676A27.3911.8511.404.0311.1812.65B46.4520.0619.4910.4816.8624.55C66.8923.4428.9917.4923.2832.17D83.5224.2537.0717.8728.5532.27§4

塔線橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究沿塔高位移最大值沿塔高加速度最大值§4

塔線橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究塔頂位移時(shí)程2）塔線體系在動(dòng)風(fēng)作用下的時(shí)程塔頂加速度時(shí)程各方案塔頂位移減振率§4

塔線橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究3）塔線體系在動(dòng)風(fēng)作用下各方案的位移減振率各方案塔頂加速度減振率

動(dòng)風(fēng)作用下阻尼器布置方案6對(duì)塔-線系統(tǒng)的減振效果最好，第2、3方案次之?！?

塔線橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究4）塔線體系在動(dòng)風(fēng)作用下各方案的內(nèi)力減振率

將動(dòng)風(fēng)荷載作用在塔-線系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，鋼管1、鋼管2的內(nèi)力最大值如下表所示，表中的鋼管1、鋼管2見阻尼器方案布置圖§4

塔線橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究阻尼器方案提取項(xiàng)目最大值(kN)減振率(%)0鋼管1剪力925.2--鋼管1軸力11280.0--鋼管2剪力1186.0--鋼管2軸力13780.0--1鋼管1剪力843.08.88鋼管1軸力10280.08.87鋼管2剪力1095.07.67鋼管2軸力12690.07.912鋼管1剪力736.020.45鋼管1軸力8991.020.29鋼管2剪力996.016.02鋼管2軸力11510.016.473鋼管1剪力655.229.18鋼管1軸力8077.028.40鋼管2剪力961.918.90鋼管2軸力11110.019.38塔線系統(tǒng)控制鋼管內(nèi)力最大值及減振率

§4

塔線橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究阻尼器方案提取項(xiàng)目最大值(kN)減振率(%)0鋼管1剪力925.2--鋼管1軸力11280.0--鋼管2剪力1186.0--鋼管2軸力13780.0--4鋼管1剪力774.916.25鋼管1軸力9466.016.08鋼管2剪力1015.014.42鋼管2軸力11730.014.885鋼管1剪力776.516.07鋼管1軸力9481.015.95鋼管2剪力1011.014.76鋼管2軸力11690.015.176鋼管1剪力573.238.05鋼管1軸力7509.033.43鋼管2剪力912.323.08鋼管2軸力10303.025.23鋼管1各方案內(nèi)力減振率§4

塔線橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究鋼管2各方案內(nèi)力減振率

動(dòng)風(fēng)作用下阻尼器布置仍然是方案6對(duì)塔-線系統(tǒng)的減振效果最好，第2、3方案次之?！?

塔線橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究5）動(dòng)風(fēng)作用下鋼管的軸向變形控制

為了分析動(dòng)風(fēng)作用下的鋼管軸向變形是否足以使阻尼器發(fā)揮作用，將動(dòng)風(fēng)荷載作用在塔-線系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，第0方案和第6方案的鋼管軸向變形如下表所示，表中的鋼管編號(hào)見右圖?！?

塔線橫風(fēng)作用下的振動(dòng)控制研究第0方案的鋼管軸向變形

鋼管編號(hào)外鋼管截面(m2)外鋼管長(zhǎng)度(m)鋼管受力(kN）彈性模量（Gpa)外鋼管軸向變形（mm）10.0197.633844.612001.7020.0157.5372308.312005.6530.0199.5112543.032006.3640.0158.7552522.432007.3650.0249.72979