大跨越輸電塔結(jié)構(gòu)在龍卷風(fēng)作用下的響應(yīng)分析.pdf

1、龍卷風(fēng)是一種伴隨著高速旋轉(zhuǎn)的漏斗狀云柱的強風(fēng)渦旋，發(fā)生的概率較低，但破壞力巨大。大跨越輸電塔結(jié)構(gòu)是重要的生命線電力工程設(shè)施，具有數(shù)量大、分布廣等特點，容易遭受龍卷風(fēng)的襲擊，其破壞將導(dǎo)致供電系統(tǒng)的癱瘓甚至引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重后果，造成重大經(jīng)濟損失。美國輸電塔設(shè)計規(guī)范已考慮龍卷風(fēng)等極端氣象荷載，中國相關(guān)設(shè)計規(guī)范尚未涉及。為保障龍卷風(fēng)多發(fā)地區(qū)電網(wǎng)運行安全，進(jìn)行輸電線路的龍卷風(fēng)荷載及抗風(fēng)研究具有重要的理論和實用價值。本文利用計算流體動力學(xué)(CFD)模

2、擬技術(shù)和規(guī)范方法，研究龍卷風(fēng)數(shù)值風(fēng)場的生成和其作用于大跨越輸電塔結(jié)構(gòu)的靜態(tài)荷載和考慮龍卷風(fēng)移動效應(yīng)的動態(tài)荷載，分析典型工況下輸電塔結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。
　　首先，研究利用CFD模擬技術(shù)建立龍卷風(fēng)數(shù)值風(fēng)場的方法。根據(jù)龍卷風(fēng)的試驗?zāi)M文獻(xiàn)，并參考前人的數(shù)值模擬方法，建立了相應(yīng)于縮尺龍卷風(fēng)發(fā)生裝置的CFD數(shù)值模型。模擬結(jié)果表明數(shù)值風(fēng)場的切向速度的分布與Rankine渦模型及試驗測量的風(fēng)速分布吻合較好，驗證了縮尺龍卷風(fēng)數(shù)值風(fēng)場的可靠性。并將縮尺龍

3、卷風(fēng)數(shù)值風(fēng)場與1998年發(fā)生在Spencer地區(qū)的龍卷風(fēng)實測風(fēng)場進(jìn)行對比，通過長度相似比和速度相似比的概念將縮尺風(fēng)場模型改造成足尺模型。發(fā)現(xiàn)速度相似比取為60、根據(jù)文獻(xiàn)取長度相似比為4000時，龍卷風(fēng)足尺數(shù)值風(fēng)場與實測風(fēng)場的切向速度分布吻合較好。
　　其次，利用單向流固耦合(FSI)方法和規(guī)范方法計算龍卷風(fēng)作用于輸電塔結(jié)構(gòu)的荷載，并分析比較結(jié)構(gòu)響應(yīng)。FSI方法直接在足尺龍卷風(fēng)風(fēng)場中建立輸電塔結(jié)構(gòu)的剛性模型，通過CFD方法計算得到結(jié)

4、構(gòu)表面受到的龍卷風(fēng)風(fēng)壓，并將其轉(zhuǎn)化為輸電塔梁單元模型的節(jié)點集中力;規(guī)范方法利用輸電塔設(shè)計規(guī)范中風(fēng)荷載計算公式將足尺龍卷風(fēng)數(shù)值風(fēng)場轉(zhuǎn)化為風(fēng)荷載。然后在龍卷風(fēng)典型襲擊角度（0°、45°和90°）工況下，以兩種方法計算輸電塔結(jié)構(gòu)受到的龍卷風(fēng)荷載，進(jìn)行靜力彈塑性分析并提取結(jié)構(gòu)響應(yīng)。結(jié)果表明，采用FSI方法計算得到的輸電塔結(jié)構(gòu)響應(yīng)整體上小于規(guī)范方法，其中最大軸向力誤差不超過20％，位移分量誤差不超過30％;兩種方法計算的結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨龍卷風(fēng)襲擊角度的

5、變化趨勢相似，可實現(xiàn)兩種龍卷風(fēng)荷載計算方法的相互驗證。
　　最后，進(jìn)行了輸電塔結(jié)構(gòu)在考慮龍卷風(fēng)平移效應(yīng)時的動態(tài)響應(yīng)分析。選取龍卷風(fēng)移動路徑平行和垂直于輸電線的兩種典型工況，在任意時間步利用規(guī)范方法計算并施加龍卷風(fēng)動態(tài)荷載，進(jìn)行動力時程分析，并分析龍卷風(fēng)動態(tài)荷載和結(jié)構(gòu)典型響應(yīng)的時程。結(jié)果表明，平行工況下龍卷風(fēng)荷載總和時程沿輸電線方向的分量出現(xiàn)持續(xù)時間約為10s的波形（荷載先逐漸增大，后逐漸衰減），且荷載峰值較大，呈現(xiàn)出一定的沖擊效應(yīng)