分析瓯江瓯江大跨越输电塔抗风

论文导读：定，因此风振系数是一个关键的数据。而对于大跨越钢管塔的风振响应问题，目前还没有一套成熟通用的理论，体现在工程设计中便是缺乏在理论上相对准确、在使用上较为简便的规范来指导实际的设计工作，我国规范只给出高层和高耸结构相应的风振系数计算公式，这就使得设计人员在输电高塔风振系数的取值上往往存在相当大的经验性和盲目
摘要：大跨越输电塔是一种柔性结构，风荷载是其设计的主要控制荷载，超高输电铁塔的风效应十分复杂,目前对于此类结构往往通过气弹模型风洞实验来完成。500kV乐清－温东输电线路瓯江大跨越高塔处于强台风经常袭击的温州瓯江边，为了确定跨越塔的设计风荷载和风振特性，保证其的安全、可靠和经济性，对该跨越高塔结构进行气弹模型的风洞试验是很有必要的。本文从项目需求背景、设计原则与思路、技术要点和应用效果等几个方面，来验证研究瓯江大跨越输电塔的安全性和科学性。
关键词：瓯江 大跨越输电塔 风洞抗风
1 引言
随着我国经济持续、高速的发展，电力能源供求矛盾将日趋尖锐。因此，建设坚强可靠的电网将成为我国经济高速发展的重要保证。在电力输电线路工程中，跨越江河、山谷等自然屏障的线路，往往要采用高耸跨越钢管塔来实现，所以大跨越输电钢管塔往往处于极其重要的地位。
大跨越输电钢管塔往往具有高度大、荷载重、自振频率低等特点，是一种风敏感的柔性结构，风荷载是铁塔设计的主要控制荷载，特别是在强台风地区，大风暴对结构的不利影响以及由于风速脉动而产生的风振效应显得尤为突出。输电钢管塔风荷载的确定在设计上体现为风振系数的确定，因此风振系数是一个关键的数据。而对于大跨越钢管塔的风振响应问题，目前还没有一套成熟通用的理论，体现在工程设计中便是缺乏在理论上相对准确、在使用上较为简便的规范来指导实际的设计工作，我国规范只给出高层和高耸结构相应的风振系数计算公式，这就使得设计人员在输电高塔风振系数的取值上往往存在相当大的经验性和盲目性。为了保证结构的安全，设计时往往考虑了较多的人为的增大因素，致使风振系数的取值数值较大，但缺乏科学依据。因此有必要通过风洞试验来确定大跨越高塔的风荷载特性。
2塔线体系模型设计
本文大跨越输电塔线体系风洞试验模型为气动弹性模型，主要研究结构体系的动力特性和风振响应%大跨越输电塔线体系在脉动风荷载作用下振动方程可一般性地表述
［M］｛X｝+［C］｛X｝+［K］｛X｝=｛F（(t,x,x，x）｝（1）
式中：［M］，［C］，［K］分别为体系的质量、阻尼、刚度矩阵；｛x｝，｛x｝，｛x｝分别为体系加速度、速度、位移响应向量；［M］｛X｝，［C］｛X｝和［K］｛X｝分别对应于体系惯性力、阻尼力以及弹性力；｛F（(t,x,x，x）｝为作用在体系上的水平荷载，包括气动力及由于结构运动而产生的自激力%对于实际结构体系，作用于其上的气动力与当地气候条件、地形地貌及其体型等因素有关，自激力则与结构体系在风作用下的运动有关。
导线的自振频率主要由导线的垂跨比确定，因此通过控制导线的垂跨比来满足导线的动力特性相似条件，同时也要满足导线的外形、质量等相似条件。
气动弹性模型法通过试验模型直接模拟式（1），因而试验中除了要求风场相似和模型气动外形的几何相似外，还要求模型与原型间的5个无量纲相似判据相等，分别是弹性参数、惯性参数、阻尼参数、重力参数和雷诺数。要同时、全面地反映风场和结构两个方面的相似要求通常十分困难。因此，在大跨越输电塔线体系模型试验中，需要根据待解决的主要问题以及具体的试验条件，忽略一些次要因素，在模型设计时主要考虑以下几个因素：①模型几何相似比S1选取取决于原形结构高度、试验段截面尺寸和模拟紊流边界层风场尺寸的要求；②模型材料的弹性模量可根据弹性相似条件来确定，但要按照相似比实现弹性模量的相似是不可能的，由于弹性模量总是出现在结构刚度表达式中，故可将弹性参数相似转化为刚度相似；Renolds数和Froude数是相互矛盾的，根据风洞试验结果和现场实测结果的对比研究表明，在模拟的大气边界层风场中，在表面光滑的模型上测得的脉动压力功率谱和实测结果很接近，即在一定紊流度的模拟大气边界层风场中，在具有较低雷诺数的模型上测量得到的动态气动力结果在工程精度范围内可以用于对实际结构的分析，对于输电塔线体系，塔架构件为角钢组合断面，而导线应主要考虑重力参数影响，因此本试验模型设计确保Renolds数，忽略Froude数；④瓯江大跨越输电塔的每一个构件都是复杂的组合构件，因此模型很难完全由实际结构按比例制作，另一方面，完全按照结构几何相似比制作的模型也很难满足刚度相似条件，又由于实际塔架结构中间设有封闭圆论文导读：测绘科技大学出版社,199

1.上一页12

型电梯井道，刚好为设计模型的刚度分离提供了条件，故本试验模型设计采取了外形、质量以及刚度相分离的处理方法。
3测点布置及试验工况

3.1模型测点布置

试验中，信号测量采用了2个高灵敏度压电陶瓷加速度传感器和6个激光位移计，共计8个测点，其中测点1,2为加速度传感器，布置在塔顶，分别测量塔顶处X向及Y向的加速度；测点3~8为位移计，分别布置在塔顶、塔高1683mm处和绝缘子上，每处布置两个，分别测量X向及Y向的位移（X向为塔线平面的水平方向，Y向为垂直于塔线平面的水平方向）。加速度器和激光位移计采集的信号经电荷放大器放大后，分别送往FFP频谱分析仪（HP35660A）及经A/D转换板得到数值信号，存贮在计算机硬盘上。

3.2试验工况

本文研究的风洞试验对象模型为两个，为未悬挂导线的单个塔架模型（见图1）和塔线体系的两塔三段线模型（见图2）,风洞试验内容为：①单塔自振特性；②单塔在均匀流场和紊流场中的风振响应；③塔线体系自振特性；④塔线体系在均匀流场和紊流场中的风振响应。均匀流场和紊流场中的风速级数均为：0，1.25，1.50，1.75，2.00，2.25，2.50，3.00，3.25，3.50，3.75，

4.00，25，50,5.00S级风速下采样时间均为90s，风向始终沿Y向。

图1：单塔模型图2：塔线模型
4应用效果
1、在本跨越段线路设计时，该类高塔总共有两基，最终该输电高塔的设计总重量约为650吨，按上述分析的结果来看，就可比原先设计的重量降低约为130吨；另外还有类似高塔两基，分别重量为400吨和350吨，同样可比原先设计的重量降低约为75吨；对于这四基塔总共约可以节约钢材205吨，按照建造当时每吨钢材11000元/吨的计算，直接经济效益就可以节省225.5万元的投资。随着输电塔设计总重量的降低，材料的运输成本也随之降低。由于铁塔总重量的降低，铁塔厂加工的成本、铁塔运输和安装成本也会有所降低。就此而言，通过风洞试验产生的间接经济效益也是相当可观的。
2、该输电高塔处于强台风经常袭击的温州瓯江边，该输电塔自建成以来，经受了2007年第13号强台风“韦帕”（近中心最大风力14级，风速45米/秒，10级风圈半径150公里）和第16号台风“罗莎”（浙中南沿海海面最大风力达12-13级，沿海海面风力最大的站为洞头虎头屿39源于：科技论文www.7ctime.com
.8米/秒，陆地风力最大的站为苍南35.3米/秒），以及2008年第13号超强台风“森拉克”（台风中心位置在距离浙江温州东南偏南方向约856公里的洋面，近中心最大风速50米／秒，15级）和第15号超强台风“蔷薇”（台风中心在距离温州东南偏南方向约950公里的洋面，近中心最大风速65米/秒，17级）的袭击，这些大台风过后输电塔经受了严峻的考验，并没有出现任何安全隐患和问题，说明按照该风洞试验结果设计的输电高塔具有较高的可靠性和安全性。
5总结
我国是多江河国家，随着我国经济的腾飞，电网建设方兴未艾，送电线路大跨越工程将以更大规模出现在中国大地上，我们要总结瓯江大跨越工程设计、施工和运行的经验，为我国早日达到全面小康水平做贡献。
参考文献：
GB50009-2001, 建筑结构荷载规范[S]. 2006.
GB50009-2001, Load code for the design of building structures [S]. 200

6. (in Chinese)

GB50068-2001, 建筑结构可靠度设计统一标准 [S].2002.
GB50068-2001, Unified standard for reliability design of
building structures [S]. 200

2. (in Chinese)

[3] 瞿伟廉. 高层建筑和高耸结构的风振控制设计[M]. 武汉: 武汉测绘科技大学出版社, 1991.