08-205号稿件输电塔线体系的气弹模型设计(修改稿0718)

收稿日期：2008-4-15基金项目：国家自然科学基金委员会资助项目(50678181)作者简介：稿件编号：08-205特高压输电塔线体系的气动弹性模型设计梁政平1，王乘1，李正良2(1.华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉430074；2.重庆大学土木工程学院400030)摘要：以向家坝-上海的±800kv特高压直流线路为例，详细阐述了特高压输电塔线体系的气动弹性模型设计与制作方法。通常的集中刚度法和离散刚度法制作的铁塔模型都很难满足气动弹性模型的要求。考虑铁塔模型刚度和气动反应两方面的情况，提出了以半刚性模型节段加“U”型弹簧片的方法制作铁塔弹性模型。另外，对导线模型进行跨度方向上的缩聚解决了按统一比例无法满足风洞尺寸要求的问题。通过理论分析和实际检测对比，塔线体系模型的动力特性可以满足气动弹性试验的要求。关键词：输电塔线体系；气动力弹性；风洞试验；模型设计中图分类号：TU279.7文献标识码：ATheAeroelasticModelDesignofUHVPowerTransmissionLineSystemLIANGZheng-ping1,WANGCheng1,LIZheng-liang2(1.SchoolofCivilEngineering&Mechanics,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;2.CollegeofCivilEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)Abstract:Withtheinstanceof±800kvultrahighvoltage(UHV)powertransmissonlinefromXiangJiabatoShanghai,theaeroelasticmodeldesignandmadeareexpatiatedcompletely.Boththecentralizedstiffnessmodelingmethodanddiscretestiffnessmodelingmethodareunsuitableforthetoweraeroelasticmodeling.Consideringthestiffnessandaerodynamiccharacterofthemodel,amethodisintroduced,thatmakingtheaeroelasticmodelbysemi-rigidmodelsegmentandU-shapespring.Besides,thespanofthetransmissionlineistoolongtosatisfythewindtunnel’sspaceinthesameproportionwiththetower,andthenthemodelofthelineisdistortedinthespandirection.Bythecomparisonofthetheoryanalysisandactualmeasurementofthedynamicsofthemodelofthesystem,theaeroelastictestcanbesatisfied.Keyword:PowerTransmissionLineSystem;Aeroelasticity;WindTunnelTesting;ModelDesign1引言关于输电塔线体系耦合振动的气弹性风洞试验已经取得了一大批成果。邓洪洲等[1,2]以江阴500kv大跨越为背景，进行了输电塔线体系的气弹模型风洞试验。楼文娟等[3,4]以200kV椒江大跨越输电工程为背景，通过气弹风洞试验研究了高耸格构式结构的风振响应与风振系数。付国宏等[5]等以杭州-瓶窑500kV输电线路为原型，进行了架空输电线路风振试验研究。郭勇等[6]以舟山大跨越为背景也进行了相似的风洞试验研究。总结这些输电塔线体系的气弹性风洞试验，其中气弹性模型刚度模拟通常有两种方法，集中刚度法和离散刚度法。集中刚度法将模型的刚度和外形分开模拟，用合适的弹性材料做成截面沿高度变化的“芯梁”以模拟原型的刚度分布，再用轻质材料按几何缩尺比做成原型结构的几何外形，用于承受风荷载。离散刚度法是将铁塔杆件看作为“二力杆”，只对其进行轴向刚度的等效，以此来模拟整个铁塔的刚度。离散刚度法要求模型各杆件既做到刚度相似又做到几何相似。由于输电塔为质量较轻刚度较大的格构式塔架，在满足刚度相似的条件下设计出的“芯梁”截面较大，会对整个铁塔的挡风面积产生较大的影响，而通常用于制作“外衣”的ABS塑料板在满足质量相似的情况下，杆件将非常纤薄，无法满足刚性“外衣”的要求，从而导致气弹试验结果的不准确。按照离散刚度法的要求制作的模型很难保证在各个杆件刚度和几何尺寸相似的情况下做到模型的整体刚度和质量的严格相似。因此这两种方法制作输电塔气弹模型的难度较大，也很难保证其满足气弹性风洞试验的要求。本文针对输电塔的结构特点，尝试采用半刚性的塔架节段加“U”型弹簧片制作铁塔的气弹性模型。2相似准则[7~12]根据Buckingham's定理，通过量纲分析，可推导出进行气动弹性模型风洞试验所要满足的相似准则。根据各相似准则，除满足模型与结构原型几何相似、刚度相似、质量分布一致外，还应满足表1所列的各无量纲参数[7]。事实上，试验时要完全满足表1所列的各相似参数是不可能的，因此在模型设计及流场模拟时，相似参数必须根据研究对象和目的进行取舍，做到重要参数严格相似，而放弃次要参数，并对试验结果进行合理的修正。表1气动弹性模型风洞试验相似参数无量纲参数表达式力学意义惯性参数(密度比)fs/结构惯性力流体惯性力弹性参数(Cauchy数)2/vE结构弹性力流体惯性力重力参数(Froude数)2/vgD结构重力流体惯性力粘性参数(Reynolds数)/Dv流体惯性力流体粘性力阻尼比(对数衰减率)s一个周期耗散的能量振动总能量Strouhal数vfL/时间尺度Reynolds数反映了惯性力与粘性力之比。在普通风洞内进行缩尺模型试验，Reynolds数一致性条件是无法模拟的[4]。对于具有锐缘的钝体结构，如桥梁、高层建筑及高压输电塔等结构，由于流动的分离点几乎固定不变，忽略Reynolds数相似对试验结果影响不大，因此在本次试验中放松了Reynolds数的要求。而Froude数反映了重力与惯性力之比，对于输电塔线结构体系的气动弹性试验，满足重力参数的一致性是十分必要的。Strouhal数是所有动态试验必须满足的相似准则，它反映了模型的固有频率缩尺与风速和几何缩尺之间的关系。Cauchy数是关于弹性力与惯性力之比，在多数情况下由模型与实塔的这个参数相等来决定风洞试验的风速缩尺。结构阻尼参数在设计模型时是难以控制的，只能通过对模型做模态测试来检验其是否与预期值接近。因此在模型制作时，应注意尽量减少摩擦源，以免模型阻尼过大。在塔线体系气弹模型风洞试验中，为了使模型运动与实塔运动达到相似，一方面要求模型在与风致响应有关的结构特性上与原型相似；另一方面还要求试验流场与塔位处的实际风场相似。尽管气象学对大气边界层近地风特性已做了充分的研究，在风洞内模拟大气边界层的理论和技术已取得了很大进步，但是实现完全的模拟是不可能的。就特高压输电塔风洞试验而言，风场模拟时应考虑的重要因素有湍流强度wI、uI，湍流风的功率谱fSw、fSu，平均风速的分布zyxU,,等。3铁塔的模型设计本次试验的工程背景为向家坝-上海的±800kv特高压直流线路。单塔试验选取三种具有代表性的塔型，其中直线塔ZV351呼高46m，耐张塔J351呼高42m，跨越塔ZVK呼高87m；塔线体系试验选取线路中一段跨越段——耐-直-耐三塔两线的塔线体系进行考察，跨度为418m和608m。根据线路的初步设计资料，导线为6分裂ACSR-720/50钢芯铝铰线，地线为LBGJ-180-20AC。铁塔的示意图如图1所示。a.耐张塔J351b.直线塔ZV351c.跨越塔ZVK图1铁塔示意图根据无量纲参数的要求，结合原型结构高度，风洞试验段截面尺寸和模拟紊流边界层风场尺寸等条件，确定输电塔模型几何缩尺比为1/30。铁塔气弹模型的相似系数如表2所示。表2气弹模型相似系数参数符号单位相似系数几何尺寸CLm1:30面积CAm21:900空气密度Cρkg/m31单位长度质量CMkg1:900侧弯刚度EIN·m21:305侧弯频率CfHz5.48加速度Cam/s21张力CHN1:303风速CUm/s1:5.48位移Cym1:30文献[10]中在1000kV的汉江大跨越输电塔线体系气动弹性模型试验中采用了“V”型弹簧片加刚性模型节段的方法加工铁塔的气动弹性模型。实际制作时，“V”型弹簧片的加工有比较大的难度。因此，采用半刚性节段加“U”型弹簧片进行气弹模型设计，具体过程可以分别从几何外形，质量系统和弹性刚度三方面进行模型加工。3.1几何外形模拟采用薄铝板加工成与型钢形状相似的杆件。由于铁塔中的杆件截面型号繁多，一般会达到30种以上，有些截面尺寸差别较小，相对于模型制作中的误差，这些差别是可以忽略的，因此对模型的杆件进行归并，归并后杆件的种类减少到10种左右。选取厚度为0.3mm到1mm的铝板，加工成截面肢长为1.5mm到7mm的“角钢”型杆件，再按几何尺寸制作模型。表3跨越塔ZVK杆件归并与模型杆件尺寸实际杆件尺寸肢长×厚度(mm)模型杆件尺寸肢长×厚度(mm)200×247×1200×20200×16200×147×0.8180×146×0.8160×14160×12160×105.5×0.6140×14140×12140×104.5×0.6125×10125×84×0.6110×8110×7100×73.5×0.690×790×680×63×0.675×675×570×670×52.5×0.463×562×456×42×0.350×445×445×31.5×0.3表3中列出了跨越塔ZVK的杆件归并情况和选取的模型杆件尺寸。在选择模型杆件时，为提高整塔的刚度，在保持杆件截面肢长相似系数的同时加大了模型杆件的壁厚。杆件的连接采用高性能粘合剂。这样制作而成的模型重量较轻，刚度比较大，可以看成是一个半刚性的模型。3.2质量相似模拟按气弹模型制作的相似比要求，结构的质量应当严格模拟，以确保结构动力特性的相似性。几何模型制作完成以后，在铁塔的适当位置截断，将其分成若干段，每一段根据质量相似比的要求，用铅丝配重。配重时按照均匀、对称的原则将铅丝粘贴杆件的内侧。以跨越塔ZVK为例，图2表示了模型的分段，全塔共分为10段。分段时必须选择塔身截面只有四根角部主材的截面。在条件允许的情况下分段数越多模拟的振型效果越好。图2跨越塔ZVK分段示意图表4中列出了其各个节段的原形与模型的质量对比。考虑到连接弹簧的自重，在模型配重时扣除了弹簧的质量，实际弹性模型的总重为2.962kg，与期望值2.959kg相差仅1%。表4跨越塔各个分段质量与模型分段质量对比节段编号原形质量(kg)模型质量期望值(kg)模型实际质量+配重(kg)1168790.6250.6152127580.4730.4533106330.3940.374474090.2740.254539440.1460.126656130.2080.188733450.1240.104848570.1800.160932290.1200.10010112120.4150.305总重798792.9592.6793.3弹性刚度模拟将半刚性的铁塔模型节段用定制的“U”型弹簧片连接，完成弹性模型的制作。图3为半刚性节段及“U”型弹簧片示意图。根据弯曲刚度和轴向刚度的相似比要求，设计符合侧弯和轴向刚度要求的“U”型弹簧片。具体步骤为：①建立实际铁塔的有限元模型，分析其动力特性，根据相似比得出模型的动力特性期望值；②建立实际制作模型的有限元模型，并在各个