格构式圆截面钢管塔风荷载特性的风洞试验研究

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格构式圆截面钢管输电塔(以下简称圆钢塔)由于具有体型系数小、回转半径大、抗扭性能好等特性,在输电线路中得到广泛应用。因为输电塔具有轻质、高柔、小阻尼等特征,对风荷载的作用十分敏感,故对输电塔的风荷载特性进行研究具有重要意义。本文以一典型的长塔臂圆钢塔为原型,制作1:130刚性模型及1:45气动弹性模型,通过风洞试验手段研究圆钢塔的风荷载特性。首先,对1:130刚性模型依次卸除横担,分六种体型依次在均匀流和B类地貌下进行天平测力风洞试验。根据基底剪力和基底弯矩反算得到圆钢塔的整体体型系数,对比两类风场下六种体型输电塔的整体体型系数,探讨圆钢塔雷诺数效应的修正问题。研究发现,体型系数可以按基底弯矩或基底剪力公式计算,两者差别不大;B类地貌流场下由试验获得的体型系数不用考虑雷诺数效应;而在均匀流场下试验获得的体型系数则应考虑雷诺数效应的折减。据此在B类地貌下讨论圆钢塔的体型系数问题,根据试验得到的剪力计算整塔、塔身和横担的体型系数,将塔身顺线向的体型系数与各国规范的数据进行比较,并探讨角度风吹时塔身和横担风荷载分配系数的合理性。研究发现,整塔、塔身和横担的顺线向体型系数均在15°风向(而不是0°风向)达到最大值,15°风向是顺线向受风的最不利风向;试验得到塔身0°方向的体型系数与IEC60826、ASCE/SEI规范数据最为接近,比中国规范数据大;45°风向时三角形横担风荷载的试验结果比规范值大50%。其次,对1:45气动弹性模型在B类地貌下进行测振试验,分别采用经验模态分解法(EMD)及改进的经验模态分解法(EEMD)分解测振试验的加速度时程,对比两者分解得到的本征模态函数,发现EEMD具有较好的分解结果。然后运用改进的经验模态分解法、改进的随机减量法及Hilbert变换法识别不同风速作用下圆钢塔顺、横风向的阻尼特性,再对模型依次卸除横担,探讨横担对输电塔阻尼特性的影响。研究发现,圆钢塔的阻尼在总体趋势上随着风速的增大而增大,而频率则随着风速的增大而减小;横担的存在使得圆钢塔横线向阻尼在某个特定风速下会突然出现极值,同时使得顺、横风向圆钢塔的阻尼值差异较大;圆钢塔顺、横线向分别处于正迎风方向时的阻尼大于处于横风向方向的阻尼;一般情况下圆钢塔模型横线性的一阶阻尼比可取为4%,而顺线性的一阶阻尼比可取为3%。最后,利用1:45气弹模型横担及塔身上的3个加速度测点进行扭转效应的分析,提出扭转角加速度和扭矩的计算方法,并给出计算结果。将所有扭转风荷载集中为基底的扭矩后和1:130刚性模型天平测力经相似理论转换后得到的扭矩进行比较分析。研究发现,利用惯性力方法获得的圆钢塔扭转风荷载与经相似理论转换后高频天平测试获得的基底扭矩数据比较接近。
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