输电塔钢管构件涡激振动分布荷载预测方法

本发明涉及电力传输领域，具体涉及输电塔杆件风荷载的预测方法。

背景技术：

1、为了更好的解决我国资源分布与需求间的不平衡，近年来，一大批长距高容量的特高压输电线路的建设，开启了我国大电网时代。

2、钢管塔与角钢塔相比，其构件风压小、刚度大，结构简洁、传力清晰，能够充分发挥材料的承载性能，具有经济上、技术上的优势。因此，钢管塔更适合于大负荷和大型输电塔的发展趋势，被广泛应用于特高压输电线路之中。然而，经调研发现，目前制约钢管塔应用的主要问题就是构件的涡激振动问题。

3、2017年7月，某特高压交流线路工程中发现部分钢管塔腿部附近的杆件存在着较强烈的涡激振动现象；结合线路沿线气象和现场振动情况调查发现：该塔的塔腿正面、v面斜材，塔腿隔面水平横材、隔面以上塔身斜材(1-2个节间正倒k)等部位(如图1所示)易发生振动。

4、2019年4月，在河南濮阳地区某特高压交流工程21基钢管塔同一位置的节点板出现裂纹现象，裂纹板件位于塔身横隔面，裂纹由焊缝端头向两边延伸，裂纹呈现直线状态，如图2和图3所示。初步调查板件开裂的原因为：焊接残余应力的作用和可能存在的安装误差导致焊缝端部应力集中加剧，加之吊杆的涡激振动使得板件在应力集中处产生初始疲劳裂纹，最终导致板件发生开裂。

5、钢管塔结构构件由法兰螺栓连接而成，如钢管构件发生持续振动，极易造成连接松动以及构件的疲劳破坏，同时由于铁塔与导地线的振动耦合作用，挂点部位钢管构件的高频振动会与导线的高阶振动产生共振，影响导地线防振器的减振效果。而水平或接近水平且可能上人的构件的高频振动也会对维护作业人员带来身体不适。钢管塔斜材和横材的涡激振动会影响整条输电线路及周边的安全，一旦出现严重故障将给人民的生命财产造成不可估量的损害。但目前由于缺乏钢管塔涡激振动理论和试验研究的支撑，国内规范对涡激振动问题的规定较为模糊，无相应计算公式可供操作，设计人员只能通过减小杆件长细比的方式提高起振风速来避免可能出现的涡激振动，这势必带来材料使用上的浪费，且是否合理仍需探讨。

技术实现思路

1、涡激振动是造成输电塔钢管构件的疲劳失效主要原因，是制约钢管塔进一步推广应用的“卡脖子”难题之一。鉴于此，本发明的目的在于提出一种钢管构件涡激振动荷载的确定方法，以填补当前相关规范中尚无涡激振动分布荷载取值方法的空白。本发明的方法能够为钢管构件的疲劳寿命计算、可靠度分析提供精确的荷载来源及数据支撑。

2、采用的主要技术方案如下：

3、一种输电塔钢管构件涡激振动分布荷载预测方法，其关键在于按以下步骤进行：

4、步骤一、测量参数，按照式(1)计算钢管构件的自振频率f；

5、

6、其中：

7、λ为钢管构件的长细比；

8、d为钢管构件外径；

9、d为钢管构件的内径；

10、步骤二、按以下公式(2)预测钢管构件的跨中振幅a；

11、

12、其中：

13、γ为模态参数；

14、ρa为空气密度；

15、ρs为钢管构件的密度；

16、e为弹性模量；

17、st为斯托罗哈数；

18、c为阻尼长度；

19、l为钢管构件的长度；

20、步骤三、通过钢管构件的振型曲线，按照式(3)确定钢管构件沿杆长分布的振动位移a(xi)；

21、

22、其中：

23、为归一化振型的曲线函数；

24、步骤四、基于强迫振动方法进行cfd数值模拟，获得在振动位移分别为a(xi)，频率为f条件下钢管构件的气动力系数-时程的数据集；

25、步骤五、基于上述数据集建立气动力系数cl(a,f,x)关于自振频率f，跨中振幅a和位置x处的二阶拟合公式；

26、cl(a,f,x)＝β(1)+β(2)·x+β(3)·a+β(4)·f

27、+β(5)·x2+β(6)·a2+β(7)·f2，式(4)；

28、其中：

29、β(1)、β(2)、β(3)、β(4)、β(5)、β(6)、β(7)为各项的参数，拟合得到；

30、步骤六、按照式(5)计算钢管构件的气动升力fl(a,f,x)；

31、

32、其中：

33、v为实际风速；

34、以所述气动升力表征钢管构件的涡激振动荷载，即涡激振动荷载＝气动升力。

技术特征：

1.一种输电塔钢管构件涡激振动分布荷载预测方法，其特征在于按以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的输电塔钢管构件涡激振动分布荷载预测方法，其特征在于：所述步骤三中，

3.根据权利要求1所述的输电塔钢管构件涡激振动分布荷载预测方法，其特征在于：所述步骤六中，v＝fd/st。

技术总结
本发明公开了一种输电塔钢管构件涡激振动分布荷载预测方法，首先需要按照测量的参数计算钢管构件的自振频率和跨中振幅；再通过钢管构件的振型曲线确定钢管构件沿杆长分布的振动位移幅值；最后基于强迫振动方法进行CFD数值模拟，获得在气动力系数‑时程的数据集，并根据这些数据集建立气动力系数的二阶拟合公式；由此可得到气动升力。并用气动升力直接表征钢管构件的涡激振动荷载。采用本发明的显著效果是，能快速、直管、相对准确的对钢管构件的涡激振动荷载进行量化预测，从而为钢管构件的疲劳寿命计算、可靠度分析提供关键的荷载来源及数据支撑。

技术研发人员：汪之松,李正良,李佳鸿,侯中伟,刘泉,范文亮
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13