輸電鐵塔是輸電線路的關(guān)鍵設(shè)備,也是保證電力輸送的重要環(huán)節(jié)。輸電鐵塔在強(qiáng)風(fēng)作用下會(huì)出現(xiàn)桿件結(jié)構(gòu)變形或斷裂,嚴(yán)重時(shí)發(fā)生整體結(jié)構(gòu)倒塌,造成輸電線路損毀和大面積停電,給工業(yè)生產(chǎn)和人民日常生活帶來(lái)極大不便。
輸電塔線結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的幾何非線性,在風(fēng)荷載作用下振動(dòng)特性較為復(fù)雜,再加上風(fēng)荷載本身的復(fù)雜性及隨機(jī)性等問(wèn)題使得輸電塔線風(fēng)致動(dòng)態(tài)荷載理論計(jì)算無(wú)法實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者和專家對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行了相應(yīng)的研究,并取得了一定成果。目前研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法、風(fēng)洞試驗(yàn)法、數(shù)值仿真計(jì)算法和理論分析法。
現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法最有效,但測(cè)量具有不確定性和隨機(jī)性,并且周期較長(zhǎng);風(fēng)洞試驗(yàn)法對(duì)風(fēng)場(chǎng)模擬和風(fēng)洞模型的設(shè)計(jì)要求較高,適于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小的物體,對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體很難找到能夠滿足風(fēng)洞試驗(yàn)要求的材料,無(wú)法設(shè)計(jì)出相應(yīng)的風(fēng)洞模型,風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度受到影響;數(shù)值仿真計(jì)算法通常借助有限元分析軟件,建立仿真模型,施加風(fēng)荷載和設(shè)置邊界條件進(jìn)行模擬,當(dāng)仿真模型比較復(fù)雜時(shí),邊界條件難以確定,且求解過(guò)程比較復(fù)雜,時(shí)間較長(zhǎng),無(wú)法預(yù)知是否可解;理論分析法利用風(fēng)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P瓦M(jìn)行風(fēng)場(chǎng)仿真,計(jì)算輸電線路的氣動(dòng)繞流特性,該方法受限于經(jīng)驗(yàn)?zāi)P偷臏?zhǔn)確性,未全面考慮風(fēng)場(chǎng)的復(fù)雜流體效應(yīng),計(jì)算結(jié)果偏差較大。
針對(duì)目前輸電鐵塔風(fēng)荷載研究方法存在的問(wèn)題,本文提出一種分段輸電鐵塔模型的風(fēng)洞試驗(yàn)方法,選取全尺寸的分段鐵塔模型進(jìn)行不同風(fēng)速和迎風(fēng)角下的風(fēng)洞試驗(yàn),獲得了風(fēng)荷載隨風(fēng)速和迎風(fēng)角的變化規(guī)律以及鐵塔整體風(fēng)荷載豎向力分布規(guī)律。
本文采用的全尺寸分段模型試驗(yàn)方法能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)的輸電鐵塔力學(xué)特性研究中縮尺風(fēng)洞模型試驗(yàn)和真型力學(xué)試驗(yàn)的不足,研究成果可為輸電線路鐵塔防風(fēng)減災(zāi)提供理論依據(jù)。
圖1 輸電鐵塔分段模型
結(jié)論
本文采用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了分段輸電鐵塔模型在不同風(fēng)速和迎風(fēng)角時(shí)的縱向風(fēng)荷載,研究了分段輸電鐵塔模型的風(fēng)荷載特性與風(fēng)速和迎風(fēng)角的關(guān)系,分析了不同風(fēng)速下分段鐵塔的風(fēng)荷載分布特性,結(jié)論如下:
1)分段鐵塔風(fēng)洞模型豎向力隨風(fēng)速的增加而單調(diào)增加,通過(guò)數(shù)據(jù)擬合分析可得到在低風(fēng)速段近似符合指數(shù)變化規(guī)律,中高風(fēng)速段符合線性變化規(guī)律。
2)分段鐵塔模型風(fēng)荷載隨迎風(fēng)角的變化而變化,近似符合正弦變化規(guī)律??紤]到受風(fēng)面積與迎風(fēng)角也近似符合正弦規(guī)律,說(shuō)明分段模型的空間結(jié)構(gòu)對(duì)其整體受力影響較小,而且不同分段鐵塔模型的豎向風(fēng)荷載波峰或波谷對(duì)應(yīng)的迎風(fēng)角不同,說(shuō)明在風(fēng)向不定的實(shí)際狀況下輸電鐵塔的最大受力位置會(huì)出現(xiàn)較大的變化。
3)隨風(fēng)速的增加,輸電鐵塔風(fēng)荷載豎向力發(fā)生明顯變化。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí),豎向力最大值出現(xiàn)在輸電鐵塔塔腿處,且其值較小,不影響輸電鐵塔的安全運(yùn)行;當(dāng)風(fēng)速較高時(shí),輸電鐵塔各部分的豎向力都比較大,其中塔頂和地線橫擔(dān)部位受到的豎向風(fēng)力最大,塔頂風(fēng)速50m/s時(shí)豎向力將超過(guò)20kN。
4)輸電鐵塔的受力平衡狀態(tài)與其眾多冗余約束相關(guān),對(duì)鐵塔局部結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載進(jìn)行分析,能夠在一定程度上減少冗余約束的影響,使輸電鐵塔的風(fēng)荷載特性研究更加精確化和系統(tǒng)化。
5)利用有限元仿真軟件Ansys對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行仿真計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果有較大差異,考慮到仿真建模存在一定的局限性,因此全尺寸分段模型的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)鐵塔防風(fēng)研究具有重要意義。如何有效利用仿真與試驗(yàn)研究結(jié)果有待于進(jìn)一步開(kāi)展工作。