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輸電塔—線體系的風振分析及其減振操縱
(武漢理工大學土木工程與建筑學院)
摘要：本文首先對的力學特性舉辦分析，指出目前輸電塔—線體系的抗風安排的不敷，然后滿堂評論辯論了風振分析的研究現狀以及在實際分析、風洞實驗、現場實測三方面輸電塔—線體系的研究進展。末了評論辯論了目前輸電塔—線體系在主動操縱、主動操縱、半主動操縱三方面減振操縱的研究進展。
關鍵詞：輸電塔—線體系 風荷載 振動分析 減振操縱
Wind vibr inquiries a goodd reducing vibr control of tra goodsmission tower - line system
(Civil engineering a goodd executive institute of Wuha good university of technology)
Abaloneytroperhmarketing chaudio-videoe always indeed beenpaign: First. . .to current tra goodsmission tower line - system . . .studying the mecha goodicing properties of tra goodsmission tower - line system a goodd suggesting the insufficiency of the wind-resistould like design . . . then discussed the wind vibr resemid-foot ( arch ) into the resemid-foot ( arch ) situ a goodd from the theoreticing inquiries. . . wind tunnel experiments. . . site meas well asured three key points to tingk resemid-foot ( arch ) progress. Finnumindeed ber one every singley from the pbumive control. . . on the go control. . . semi-on the go control resemid-foot ( arch )e to sthmarketing chaudio-videoe always indeed beenpaign the vibr control study in tra goodsmission tower - line system present.
Keywords: Tra goodsmission tower—line system Wind lomarketing chaudio-videoe always indeed beenpaign Vibr inquiries Reducing vibr control
引言:輸電塔一線體系作為特高壓輸電線路的支持體，它是由導線、絕緣子和輸電塔組成的具有激烈非線性的龐雜禍聯體系。由于輸電塔一線體系是一種挺拔柔性結構，對風荷載、地震作用、暴雪等的影響對比遲鈍，易發作較大的動力反響，簡略單純發作破壞，如在2005年青海貴德縣朵讓鄉拉脊山上的330千伏龍硝蘭線因微風發生倒塔;2005年湖南電網多條輸電線路因覆冰發生倒塔斷線。這樣的災難會招致供電體例的癱瘓，緊要影響人們的分娩建設、生活秩序，而且還會發作龐大的次生磨難，給社會和國民的生命物業造成難以設想的后果。故對輸電塔一線體系舉辦風振分析及減振操縱研究將是目前電力工程與土木工程界一個重要的研究課題，既有重要的實際意義，又有重要的經濟價值。
1 輸電塔—線體系的力學特性和安排伎倆
1.1 輸電塔—線體系的力學特性
輸電塔—線體系與通常的鋼結構自立式播送電視塔這種空間桁架結構相比，最明顯的特質是它是由導線和各個輸電塔連接而成的連續體，包括有非線性很強的輸電線。且由于輸電塔挺拔、柔性性質，在荷載作用下，具有清爽明明的非線性行為，故對輸電塔—線體系非線性的正確解決是準確計算的關鍵所在。即必需準確的研究非線性行為的力學分析。
輸電塔架屬于典型的空間桿件體例，其靜力計算實際和伎倆都較為幼稚。鋼芯鋁絞線。
輸電導線是罕見的懸索結構之一，常為鋼絞線或鋼芯鋁絞線，其力學性質額外龐雜，資料非線性和幾何非線性都額外明顯。懸索結構的分析伎倆不妨分為兩類:一類是連續伎倆，另一類是離散伎倆。連續伎倆適合于分析形態對比規則的大型預應力索網結構，而離散伎倆多用于分析形態對比龐雜或較松弛的懸索結構，及懸索同其它構件組成的組合結構。目前最常用的離散分析伎倆有直線單元法、拋物線單元法和懸鏈線單元法等。且與以往只研究導線舞動不研究輸電塔的振動或研究塔的風振反響而不研究導線的禍互助用不同，目前越來越多的研究著手研究塔線在動力反響中的彼此作用[1]。對于鋼芯鋁絞線是絕緣的嗎。
1.2 目前的輸電塔—線體系的安排伎倆
目前除多數大跨越越輸電塔一線體系結構外，其它輸電塔一線體系的抗風安排通常采用準靜態安排伎倆，即在安排基準期內，根據輸電線路等級選取服從某種概率漫衍的最大平均風速作為荷載的安排圭表值，采用風振系數或陣風荷載因子研究風湍流的縮小作用. . .以等效荷載的形式舉辦結構安排。準靜態安排對付呼稱高度較低，輸電回路繁多. . .湍流效應不明顯的輸電塔線體系具有輕便適用，安好貯藏偏于守舊的特質而得以沿用。并且，輸電塔與輸電線是隔離研究的。鋼芯鋁絞線和鋼絞線2011年03月31日。首先計算輸電線荷載，然后將其作為外力施加于輸電塔上，由此再舉辦安排與計算，這樣取得的計算結果和結構體系的實際就業狀況還是有必然差異的。
但是，隨著電網輸電向超高壓或特高壓化開展，輸電塔線體系趨于大型化，環境荷載效應發生了質的更改，主要發揮闡發為：(1)輸電塔高度的增加. . .縱向剛度的低落. . .使其動力特性發揮闡發為挺拔結構的特征；(2)大跨越體系的導(地)線、絕緣子所占結構質量比增加，且與輸電塔發生禍合振動. . .結構反響龐雜；（3）最新研究證據. . .降雨具有荷載屬性，風雨配互助用造成的結構體系破好變亂更為一再。準靜態安排解決此類結構分析顯然生計局限性。于是. . . 對輸電塔—線體系的風振分析舉辦特別深切研究尤為必要。[2]
2 輸電塔—線體系的風振分析
柔性結構的風致振動有多種機理。對付挺拔結構主要是紊流風場中的迎風向反響；對付大跨結構，主要是發散性的顫振和馳振(氣氛動力穩定題目)，非發散性的渦振和抖振。高壓線路是集挺拔和大跨兩種特性于一身的風遲鈍結構體系。輸電塔的風振反響主要是脈動風惹起的迎風向和橫風向反響，導(地)線的風振反響主要有渦激振動、子導線振蕩和馳振等幾種形式。風對輸電線路結構的作用由于風這種天然局面的不肯定性及線路各構件間的機關聯系、構件自己的力學特性的多樣性而顯得額外龐雜。
2.1 風振分析研究現狀
風荷載通常分為平均風(靜力)和脈動風(動力)兩局部. . .以往的實際研究多聚合于平均風. . .對脈動風則作簡化解決。但是. . .由于輸電線路漫衍地域的尋常性. . . 經受的風荷載隨線路跨越地域地形和善候條件的不同而不同。在內地地域、季風多發的丘陵地域. . . 風隨地形、地貌的變化呈現出不同的紀律性. . . 對輸電線體系的動力反應也有明顯分歧. . .Totherwise known lung burning as well ashlung burning as well ashi等的研究仍然證明了這些紀律。另外. . .風與強降雨的配互助用造成輸電塔—線體系破好事例也已惹起科研就業者的關懷. . .對其作用機理還有待研究。在冰冷地域. . . 導線浮冰也是輸電線路的外荷載形式之一，導線浮冰自己會增加導線的內力. . .浮冰的零落會破壞導線的穩定均衡而惹起導線的振動. . . 使導線發作內力增量；借使浮冰導線再遇風作用. . . 除導線發生弛振外. . . 還會發生塔—線耦合振動效應. . . 其力學特性更為龐雜。
高壓輸電塔架大凡為格構式鋼塔. . . 其動力風荷載模型. . . 尤其是橫風向與旋轉挽回風荷載模型. . . 目前在國際外風工程界基礎沒有文獻不妨查閱。僅有的一些迎風向風振反響計算文獻. . . 也是在準穩態假定的前提下. . . 由迎風向紊流譜間接取得迎風向風力譜。
對付風荷載的計算，我國采用線路所在地的10分鐘最大平均風速來計算風荷載。研究到風的脈動成分對結構的影響，并依據線路的重要性，引入了風振系數的概念調整基礎風壓，從而轉換為等效靜風荷載舉辦計算。對付導線的風振系數尚缺少同一了解，95鋼芯鋁絞線。故大都國度(包括我國)均未計入。由于脈動風荷載的龐雜性，等效靜力風荷載的安排伎倆具有必然的局限性，對付各種滿堂的塔架結構形式不具有普遍適用性。
動力風荷載須要始末實際和實驗的伎倆，根據風特性、結構自振特性以及風和結構彼此作用的氣動機能等三方面的參數本領加以肯定，于是，動力風效應分析的正確性和精度將聯系到輸電塔—線體系安排的合理和安好。目前輸電塔線體系的風振反響研究伎倆主要分為三類:實際研究、風洞試驗和現場實測。[3]
2.2 實際研究
1961年，Daudio-videoenport首先在 Liepma goodn抖振實際的基礎上建筑了用于預算挺拔結構和高層建筑迎風向風振反響的“陣風荷載因子”法，同時提出了等效靜力風荷載的概念。他的實際成為從此風工程領域的主要研究方向之一，是結構風工程研究的一個重要里程碑。
H.Max Irvine在《cinside a position structure》中周到論說了纜索振消息動力的分析伎倆。從研究與不研究輸電線剛度兩種狀況，采用連續體模型分析了兩端安穩輸電線的動力特性。
S.Ozono等在大批試驗分析的基礎上提出了求解輸電塔線禍聯體系在立體動力特性的兩種計算模型:在高頻段，把輸電線塔體系簡化為塔線禍聯擺動模型;在低頻段，輸電線塔體系立體內振動動力特性對比接近塔線多質點模型。對塔線體系立體內的振動特性舉辦了分析，并研究了塔線跨數，畛域條件等要素的影響。
H.Yas well asui用梁和桁架單元模仿輸電塔，用桁架單元模仿導線與絕緣子，你看鋼芯鋁絞線和鋼絞線2011年03月31日。采用時程分析伎倆計算了輸電塔一線體系的風振反響。對比了不同畛域條件下輸電塔一線體系動力特性的分歧，證明了采用時程分析伎倆所得的位移峰值比采用功率譜的譜分析伎倆時大。
Loerdo—souza等始末模型改進的伎倆，研究了輸電導線與輸電塔無法知足異樣的幾何相通系數的題目，并對輸電線的氣動阻尼和導線間的彼此影響舉辦了探討。
20世紀90年代，Kor netersk指出DvaePnort定義為位移等效的靜力風荷載法在計算彎矩、剪力等反響時誤差過大，并對此提出了用“荷載反響相關”法計算背景等效風荷載。Hofmes在此基礎上定義了新“陣風作用因子”概念，并給出了計算格構式自立塔架最大位移、彎矩和剪力的閉合公式。
在國際，李宏男等率先開展了高壓輸電塔線體系的地震反應研究。他們提出了一種簡化的計算伎倆——多質點模型。梁樞果等在李宏男等的研究就業的基礎上研究了節點縱向位移二階小量的影響，并基于輸電塔線體系屬高柔結構、風荷載是主要荷載的特質，對輸電塔線體系的動力特性和頻域風振反響做了尋常地研究，以使多自在度模型能同時應用于地震微風振反響的計算。[3]
張旭日等以為導線的抗彎剛度對其低頻振動的影響很小，秉承自重條件下的導線即為懸鏈線，在此基礎上推導了無抗彎剛度彈性淺懸鏈線的立體高下振動微分方程及其大凡解，并用該解求得大凡傳達矩陣，可解決縱情對稱與阻撓稱(絕對付懸鏈線最低點)淺懸鏈線。
馬星等以H.Max Irvine的實際解析解為基礎，提出了一種始末研究輸電塔和導線動力相關聯系，建筑整個別系的禍合振動方程來求解塔線體系風振反響的伎倆。
武漢大學的劉文杰等以 MSC.ADAMS為研究平臺，建筑了研究初始垂度的輸電線路的虛擬樣機模型，分析了架空導線在簡諧驅策下的非線性振動反響，研究證據，體例反響包括主振動和次諧波振動兩個局部。
李宏男基于如圖（1）所示的五種不同類型的實際輸電塔舉辦地震微風振的實際分析和試驗考證證據. . .輸電塔線體系整體簡化動力分析模型在分身體系剪切剛度和曲折剛度的同時. . .不妨在很大水平上進步計算效率. . .輕便可行。導線對輸電塔的動力反響進貢水平會隨桿塔檔距的增加而增大. . .且隨著地條件的變軟亦有增加的趨向. . .其附加效應不容怠忽。[3]
圖（1）
2.3 風洞試驗
同濟大學鄧洪洲教授等曾在國度重點實驗室風工程館畛域層風洞舉辦了江陰大跨越輸電塔線體系氣動彈性模型風洞試驗習，用自在振動法測得單塔和塔線體系的自振頻次和阻尼比，舉辦了多個風速下單塔、塔線體系在勻稱流場和紊流場中的風洞試驗。始末對試驗結果的分析，鋼芯鋁絞線重量表。透露了大跨越輸電塔線體系動力特性微風振反響特質，為實際工程抗風安排提供了依據，并且還試驗了多種振動操縱計劃，測試了在勻稱流場和紊流場中對模型風振反響的操縱效果。結果證據:與單塔相比，塔一線體系的自振周期略有進步;導線對塔架阻尼的影響額外明顯;隨著風速的增加，塔一線體系的非線性反響慢慢增強. [4] [5]
浙江大學付國宏、孫炳楠等遵從氣氛動力彈性相通準則安排創造了某高壓輸電塔架氣動彈性模型，在大氣畛域層風洞及第辦了風振反響的試驗研究，獲得了塔架風振反響等重要數據。
梁樞果等以廣東羅江500KV輸電線路為工程背景[1]，舉辦了塔線體系氣彈模型風洞試驗，研究了在掛和不掛導線以及不同來流風攻角下輸電線對輸電塔動力特性的影響。試驗結果證據，無論掛導線與否塔體結構的加快度反響均隨風速枯燥增加;對加快度反響譜舉辦分析浮現迎風向加快度反響主要來自第一階振型的進貢。[6]
樓文娟、孫炳楠教授對椒江大跨越輸電塔舉辦了風洞試驗，學習為什么用鋼芯鋁絞線。研究了風速、風向角等要素，對脈動風作用下的橫風向及迎風向的反響，并以此為基礎作了數值計算分析，提出了輸電塔架橫風向反響的簡化計算伎倆。[7]
2.4 現場實測
劉群等對漫灣—昆明500KV輸電線路舉辦了野外現場實測，結果證據實測頻次與不研究塔線禍聯的計算結果相差較大。據此，他們建筑了一種彈簧支持導線模型，將瓷瓶簡化為具有必然剛度的彈簧，并推導了導線振動的超越方程。該計算結果與實測值相當接近，并且結果證據導線自振頻次實在不受畛域條件的影響。
何锃等以中山口大跨越豆剖導線為實際工程背景，鋼芯鋁絞線重量表。研究了導線靜、動力特性的計算伎倆。他們基于懸鏈線模型法推導了三豆剖導線的單元矩陣，末了用無限元法計算了中山口大跨越導線鉛垂面內的固有頻次和振型，計算結果與實測基礎一致。證據用無限元法為基礎建筑大跨越豆剖導線的氣動彈性模型，即舞動數學模型是有用而可行的。
西南電力安排院的李永雙、左柳、張春艷針對大跨越導線的防振、防舞安排，從微風振動、次檔距振蕩和導線舞動的發作等方面羅列了國際外大批的統計數據，對500KV荊孝線漢江大跨越防振、防舞計劃舉辦分析研究，從而為該工程的防振、防舞安排提供了依據。
同濟大學的王肇民老師和他的研究生，以江陰大跨越為工程背景，對輸電導線的微風振動舉辦了算例分析，并得出一些重要結論。同時對輸電導線微風振動舉辦了參數分析，導線的振動與風速及懸掛高度、檔距等要素相關。評論辯論了防御導線微風振動措施的原理。分析了導線舞動的造成機理。分析了豆剖導線尾流馳振的機理。
浙江大學的唐錦春教授和他的研究生針對己有的懸鏈線單元剛度矩陣中關于立體外剛度系數生計的不敷之處，用虛功原理推導了立體外剛度系數，為什么用鋼芯鋁絞線。使空間懸鏈線單元剛度矩陣得以完好。行使無限單元法和懸索振動的線性實際分析了輸電線路塔索禍合體系的動力特性。
劉萬群以廣東崖門大跨越輸電塔線體系為工程背景，始末模態分析取得大跨越輸電塔線體系的頻次和振型等動力特性，并始末與單塔、單根導線、無電梯井筒塔線體系等多種情形的結果絕對比，分析了體系中輸電塔、導線、電梯井筒三者之間的彼此影響。[8]
3 輸電塔—線體系減振操縱研究
3.1 減振操縱研究現狀
由于輸電塔線—體系具有柔柔的特質. . . 以往的減振措施主要是用一些簡單的操縱元件. . . 或增大線路阻尼. . . 或減小豆剖導線檔距. . . 到達操縱線路的大幅振動、減緩線路怠倦和破壞的宗旨。隨著結構界限的陸續伸張. . . 其減振操縱理念由電力線路事故操縱轉向結構體例磨難操縱；相應的操縱措施也由線路振動操縱轉向結構體系振動操縱。
結構振動操縱實際在輸電塔—線體系中的應用起步較晚. . . 處于初期開展階段。在輸電塔線—體系中完畢結構振動操縱主要有兩條門路. . .一是始末更改脈沖反響函數h(t). . .即更改體例內在機能如阻尼（ξ）、頻次（ω）或質量等的漫衍以減小結構的動力反響. . .如采用TLD、錨索等的操縱措施；二是始末減小結構物上的外驅策幅值F(t)來低落結構物的動力反響. . . 如主動氣氛擋風板、氣體脈沖發生器操縱體例等。
目前輸電塔—線體系減振操縱主要基于兩方面研究: 一方面根據結構物的動力特性. . . 選用恰當的隔震器、阻尼器等減振裝置. . . 優化操縱參數. . . 到達最佳的操縱效果；另一方面. . . 研究荷載與結構反響特性. . . 建筑結構體系疏通穩定性的動力學判據. . . 用調整結構安排參數的伎倆到達操縱其振動失穩的宗旨。輸電塔一線體系在基于結構操縱分為主動操縱、主動操縱和半主動操縱三方面，上面是的滿堂的研究履行進展。
3.2 主動操縱
主動操縱有基礎隔振、耗能、吸振三種。由于主動操縱無需外加動力，確實性好，易于在工程上完畢，于是對該技術的研究較早，看著鋼芯鋁絞線技術參數。實際研究和工程應用對比尋常。
目前，調頻質量阻尼器（TMD）體例因其機關簡單、造價低. . .故在挺拔結構工程方面取得了尋常的應用。澳大利亞1971年在324.8m的悉尼電視塔上裝配了TMD體例用來減小電視塔第一振型和第二振型風振反應；加拿大1975年在553.5m多倫多電視塔上裝設了兩個小型TMD，操縱塔的第二和第四振型，使天線桿所受荷載減小。但是，TMD生計以下不敷：(l)只能用于操縱結構某個振型的反應，而且操縱效果對頻次額外遲鈍。(2)TMD的操縱能力無限。例如，當TMD體例附加的阻尼比不趕過4%時，其質量與被控振型狹義質量之比為3%。于是，對阻尼比稍大的結構，如鋼筋混凝土結構，其操縱效果較差。(3)TMD會增大結構的豎向恒載，對輸電塔的安排晦氣。
同濟大學的王肇民教授對嘉定電視塔和上海西方明珠電視塔做了振動操縱試驗，并在一些電視塔上裝配了TMD，鋼芯鋁絞線技術參數。取得了優秀的操縱效果. . .同時在輸電塔—線體系方面的振動操縱也取得了必然的收獲。
黃斌、唐家祥等以沿山頭大跨越輸電塔為工程背景[9]，研究了設置多個環形TMD對大跨越輸電塔結構脈動風反應的振動操縱題目，并應用隨機振動和多變量非線性優化伎倆對TMD裝置的阻尼比舉辦了優化。在此基礎上對裝有TMD的輸電塔結構舉辦了風振操縱模仿計算。入圖（2）示
圖（2）
胡松等依據輸電線體例的機關特質，以江陰長江大跨越輸電線路塔為工程背景，采用MTMD對其舉辦振動操縱研究。他們推導了研究兩振型時的結構多點操縱的頻次傳達函數的顯式，使得能迅速而準確地在頻域內對結構舉辦振動操縱分析。
鄧洪洲同等樣以江陰長江大跨越為工程背景，采用4個TMD和VED對輸電塔線體系舉辦聯合操縱。計算證據，聯合操縱對導線張力、塔頂位移和加快度均有不同水平的操縱效果，其反響最大值減小了10%一20%。操縱效果舉辦了時頻域對比和確實性評價。
陳亦等采用MTMD和多個粘彈性阻尼器(VED)對江陰長江大跨越舉辦了聯合操縱，VED和MTMD都有著明顯且穩定的耗能效果。
李黎、尹鵬等開發了一種種橡膠鉛芯阻尼器，并在特高壓項目晉西北-南陽-荊門1000kV 漢江大跨越輸電線路工程為研究背景舉辦了滿堂的應用和分析，考證了阻尼器的操縱水平，取得了較好的效果[10]。
Bperformera等提出了一種非線性擺錘吸振器(NLPD)的安排伎倆，主要操縱輸電塔的一階模態振動。當NLPD的自振頻次與結構迎風向一階頻次接近時，對一階模態振動的操縱效果到達90%。[11]
3.2 主動操縱
主動操縱是一種力操縱型結構振動操縱手段。力操縱型是始末實時引入外界能量馴服外界驅策惹起的振動，操縱力全部或局部地根據反應信號遵從某一事前安排算法實時發作。
目前已有54座高層建筑、電視塔和大型橋塔結構(包括橋塔施工階段的風振操縱)應用了HMD或AMD主動操縱體例，聽聽為什么用鋼芯鋁絞線。中國與美國互助研究于2001年完畢了南京電視塔風振操縱的AMD體例。但在輸電塔—線體系中應用的還不多見。
3.3 半主動操縱
半主動操縱從實質上說就是一種變結構參數操縱型，變結構參數操縱始末靜態更改結構參數舉辦操縱，滿堂的說就是始末更改結構的剛度與阻尼而到達全局操縱的宗旨。
在土木工程領域，相比看鋼絞線。第一個半主動應用操縱實例是在1983年由Hrovduring完成的。目前，半主動操縱已在高層建筑、電視塔、水壩、橋梁、飛機、車輛等領域內取得了大批的應用，在輸電塔—線體系也已取得較大的開展。
陳波等人提出了一種適用于輸電塔結構風振操縱的半主動沖突阻尼器力學模型. . .建筑了輸電導線動力分析的多自在度模型. . .并建筑了塔線耦聯體系的受控動力分析模型和動力分析伎倆。[12]
賀亞飛以毆江第三跨越直線高塔為背景[3]，對磁流變阻尼器的半主動操縱戰術和效果舉辦了周到的分析計算，聽說鋼芯鋁絞線是絕緣的嗎。得出了一些有價值的結論。
4 評論辯論與瞻望
盡量對輸電塔—線體系的的風振分析及其減振操縱研究已取得了必然的進展. . .但對付風振分析的力學模型的通用性不強，試驗模仿和實際觀測的數據誤差較大，減振操縱實際的工程應用開展慢慢等許多題目仍需亟待解決。今后. . . 輸電塔—線體系減振操縱伎倆研究該當基于荷載的隨機性和結構反應的非線性. . . 由振型操縱向實時操縱方向開展。始末貫串輸電塔線體系的結構特質. . . 進一步研究其磨難荷載作用機理與磨難成因. . . 對高壓輸電塔—線體系的安排、建設、強壯診斷和防災減災具有重要的迷信意義。
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