输电塔钢管构件涡激振动分布荷载预测方法

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

采用的主要技术方案如下：

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：

步骤一、测量参数，按照式(1)计算钢管构件的自振频率f；

其中：

λ为钢管构件的长细比；

D为钢管构件外径；

d为钢管构件的内径；

步骤二、按以下公式(2)预测钢管构件的跨中振幅A；

其中：

γ为模态参数；

ρ

ρ

E为弹性模量；

St为斯托罗哈数；

c为阻尼长度；

L为钢管构件的长度；

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(x

其中：

为归一化振型的曲线函数；

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(x

步骤五、基于上述数据集建立气动力系数C

C

+β(5)·x

其中：

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

步骤六、按照式(5)计算钢管构件的气动升力F

其中：

v为实际风速；

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。

附图说明

图1为铁塔上容易出现涡激振动的构件的位置示意图；

图2为铁塔塔身横隔面节点板涡振疲劳裂纹位置示意图；

图3为图2中的节点板涡振疲劳裂纹细节图；

图4为本发明的流程图；

图5为气动升力的分段计算示意图；

图6为F

图7为F

图8为F

图9为气动升力的预测值和真实值的比较图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图4所示，一种输电塔钢管构件涡激振动荷载预测方法，以钢管构件一端的中线点为原点，以钢管构件长度方向的中心线为x轴方向，以垂直于钢管构件长度的方向为y轴方向；

按以下步骤进行：

步骤一、测量参数，按照式(1)计算钢管构件的自振频率f；

其中：

λ为钢管构件的长细比；

D为钢管构件外径；

d为钢管构件的内径；

步骤二、按以下公式(2)预测钢管构件的跨中振幅A；

其中：

γ为模态参数，对于单插板、C型插板，取值为1.27；

ρ

ρ

E为弹性模量，在本实施例中的取值为2.06GPa；

St为斯托罗哈数，在本实施例中的取值为0.2；

c为阻尼长度，对于C型插板，取值为5.79kg/s

L为钢管构件的长度；

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(x

/>

其中：

为归一化振型的曲线函数；

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(x

步骤五、基于上述数据集建立气动力系数C

C

+β(5)·x

步骤六、按照式(5)计算钢管构件的气动升力F

其中：

v为实际风速，v＝fD/St；

x为计算点在钢管构件长度方向的位置，即计算点的x轴坐标；

以所述气动升力表征钢管构件的涡激振动荷载。

试验例：

实际应用中，当钢管构件的几何尺寸在一定范围内时，其自振频率和跨中振幅相对接近，现有以下钢管：

长细比为140-180，外径：60-127mm，壁厚：3-4mm，长度：2.7-6.9m；

按照式(1)算得其自振频率为：8Hz-20Hz；

按照式(2)算得其跨中振幅为：1-5mm；

按照以上方案拟合得到式(4)中的参数分别为：β(1)＝1.3070；β(2)＝0.6156；β(3)＝0.0380；β(4)＝0.0682；β(5)＝-0.6527；β(6)＝-0.0021；β(7)＝0.0019。

下面以几个典型工况(自振频率为：8Hz、10Hz、12Hz；跨中振幅为2mm)为例，按照式(5)计算钢管构件的气动升力。

由于钢管构件振动时振幅是关于跨中对称的，因而计算其任一半的气动升力即可；更具体的是，将钢管构件原点和跨中之间的部分五等分，得到6个计算点(分别为Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6)，如图5所示，分别计算每个点的气动升力(F1、F2、F3、F4、F5、F6)。分别绘制不同频率下的气动升力预测值F

从图6、7、8可以看出，采用以上方法算得的气动升力与CFD模拟结果较为吻合，能够较好的预测钢管构件典型工况下的升力系数。

经过更为广泛的计算，获得若干气动升力的预测值，将预测值与对应的真实值进行比较，如图9所示，计算得决定系数R

有益效果：采用本发明的方法，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。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。