內懸浮外拉線抱桿風振響應研究

徐金城, 耿淑偉, 肖 峰, 周煥林

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.國家電網公司 交流建設分公司,北京 100052)

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內懸浮外拉線抱桿風振響應研究

徐金城1, 耿淑偉1, 肖 峰2, 周煥林1

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.國家電網公司 交流建設分公司,北京 100052)

內懸浮外拉線抱桿作為一種特種起重設備,廣泛應用于電力建設中。抱桿具有較大的長細比和特殊的約束形式,因此對結構進行風振響應分析是十分必要的。文章基于線性濾波法,利用Matlab模擬脈動風荷載,施加于ANSYS建立的抱桿模型上,對抱桿進行風振響應分析。通過分析,揭示了抱桿的風振特性,給出其在工作狀態下的風振系數,為抱桿的設計和使用提供參考。

內懸浮外拉線抱桿;線性濾波法;風振響應;風振系數

0 引 言

隨著我國特高壓電力建設的日益發展,國家電網對特高壓的投資建設也越來越大。內懸浮外拉線抱桿作為一種特種起重設備,其成本與其他起重設備相比低廉且組裝方便,因此在輸電線路的施工過程中,采用其分解組立輸電塔成為一種常用的方法。

國家電網在浙北—福州1 000 kV輸電線路鐵塔的建設過程中,17個標段組塔方案中的多數標段都采用了內懸浮外拉線抱桿進行組塔。由于內懸浮外拉線抱桿在工程中的大量使用,它在施工過程中的安全性日益引起人們的重視。抱桿由于其較大的長細比和特殊的約束形式,在高空中作業與高層建筑一樣,風荷載是其主要的動力荷載,在靜力分析的基礎上需要針對結構進行必要的風振響應分析,以保證其在施工過程中的安全,從而保障施工人員的人身安全,避免不必要的經濟損失,保障電力建設安全、有序進行。然而,目前關于抱桿的風振響應分析較少,因此針對內懸浮外拉線抱桿進行風振響應分析是十分必要的。

本文以安徽送變電工程公司自行設計、制造的內懸浮外拉線抱桿(以下簡稱“抱桿”)為例,采用線性濾波法模擬各節點脈動風荷載時程[1],以節點荷載方式施加于有限元模型[2],對抱桿進行風振響應分析,為其設計和使用提供一定的參考。

1 抱桿模型介紹

抱桿模型采用ANSYS有限元軟件建立,主材、斜材、腹桿采用BEAM188單元(三維線性梁單元),承托繩、外拉線采用LINK10單元(3D僅受拉桿單元),抱桿端部加強板采用SHELL63單元(彈性殼單元),有限元模型如圖3所示。其中,單元2401至2404為承托繩,單元2405至2408為外拉線,圖中箭頭表示在吊重作用下,抱桿頂端沿各方向上的分力。

1.外拉線 2.抱桿 3.承托繩 4.牽引繩 5.地滑車 6.控制繩 7.吊件 8.起吊滑車組

1.外拉線 2.上錐段 3.標準節 4.下錐段 5.承托繩

圖3 抱桿有限元模型

2 風荷載模擬

采用線性濾波法模擬風速時程,風速譜采用Kaimal譜[3]。以安徽地區為例,地面粗糙類別為B類,地面粗糙度取0.03,10 m高度處的10 min平均風速取10 m/s(5級風)[4]。利用Matlab軟件編程模擬得到不同高度處的風速時程曲線[5-6],94.3、110.3 m高度處脈動風速時程如圖4所示。

圖4 94.3、110.3 m高度處脈動風速時程曲線

根據懸浮抱桿最大工作高度120 m,將其分為6段,上下錐段各1段,中間標準節分為4段,分別模擬各段中點所在高度處的風速時程。由于篇幅所限,僅列舉了94.3 m高處、110.3 m高處(抱桿中段標準節2處高度)的脈動風速時程,2處高度對應抱桿位置如圖5所示。

圖5 94.3、110.3 m高度示意圖

在t時刻,作用于抱桿i段的風荷載計算公式為:

(1)

根據起重機設計規范[4],作用在抱桿上的工作狀態下的風荷載計算公式為:

Pi=Cpi(t)Ai

(2)

于是,可以得出:

(3)

查起重機設計規范,取風力系數C=1.7,計算得到各段實體迎風面面積Ai,代入(3)式便可得到抱桿各段的風荷載時程曲線。

3 風振響應

3.1 模態分析

運用ANSYS的模態分析功能對建立的抱桿有限元模型進行模態分析,計算得到前5階主要振型及固有頻率。抱桿的各階模態固有頻率及周期見表1所列,前5階模態振型如圖6所示。

表1 結構固有頻率及模態類型

圖6 抱桿前5階模態

因為抱桿兩端均由鋼絞線連接,各點約束都可以看做鉸接,抗扭剛度較差,所以導致一階振型為扭轉。實際工程中,需要通過給抱桿外拉線施加預緊力的方式來提高其整體抗扭剛度,從而達到抗扭的目的。又因為抱桿模型關于YOZ平面對稱,所以二、三階模態的固有頻率相同,四、五階模態同樣如此。

3.2 位移時程分析

將模擬得到的風荷載時程,沿Z軸正向,以節點力的方式施加于結構迎風面的各節點。選取抱桿底部節點1、中部節點1291和頂部節點3599,通過ANSYS時間歷程后處理,得到底部、中部、頂部位移時程,如圖7所示。

圖7 各部分位移時程曲線

由于各點位移均取3個方向的合位移,抱桿在自重和吊重作用下,產生一個較大的位移,風荷載在此基礎上施加于結構上。因此,各點位移均為正值,在自重和吊重作用下的平衡位置呈現往復振動形式。對比抱桿各部分位移時程可以看出,抱桿中、上部位移響應較大,底部位移響應較小。抱桿底部承托繩長度相對頂部外拉線較短,所以底部位移響應比頂部小很多,抱桿中部沒有其他約束,因此位移響應也較大。建議施工過程中重點監測和控制抱桿的中、上部位移,以確保輸電塔的施工安全。

本文將抱桿分為底部、頂部錐段各為1段,中部標準節平均分為8段,共10段,由下到上取11個節點,將200 s內各節點位移的平均值和僅脈動風荷載作用下的均方根值進行比較,各節點位移平均值和均方根值如圖8所示。

從圖8可以看出,位移平均值隨著高度的增加而增大,說明抱桿在工作狀態下中上部位移較大,底部位移較小。位移均方根值中間大兩端小,說明在風荷載的作用下,抱桿中部振動幅度最大,越往兩端振幅越小。抱桿設計和組裝過程中,建議加強中間段標準節之間的連接,避免風振引起的標準節連接失效而造成的工程事故。

圖8 節點位移平均值與均方根值

3.3 風振系數分析

風振系數β是指結構總響應(位移、荷載、內力、力矩)與平均風壓引起的結構響應的比值,常用的風振系數有位移風振系數和荷載風振系數[7-8]。本文主要研究位移風振系數βDi,其定義式為:

(4)

其中,UDi、USi分別為動力位移和靜力位移;μ為峰值保證因子,本文取3.0[9];σSi為僅脈動風荷載作用下節點i的動位移UDt的均方根值,其計算公式為:

(5)

沿抱桿高度的風振系數分布如圖9所示。

圖9 抱桿各高度風振系數

抱桿在最大吊重80 kN、最大工作高度120 m狀態下的位移風振系數見表2所列,由結果可以看出,抱桿各高度處的風振系數中間大兩端小,這與抱桿兩端采用的約束方式有關。其中,86.3 m高度處的風振系數最大,為1.28。根據計算結果,建議工作狀態下,抱桿各高度處的風振系數均取1.3。

表2 抱桿各高度風振系數

4 結 論

本文基于線性濾波法,利用Matlab模擬各點風速時程,并運用ANSYS有限元軟件對內懸浮外拉線抱桿進行風振響應分析,得到以下結論:

(1) 由模態分析結果可以得出,抱桿的抗扭剛度較弱,在抱桿的安裝過程中,建議在外拉線和承托繩上施加預緊力,以提高其整體抗扭剛度。

(2) 工作狀態下,抱桿中上部位移較大,底部位移較小。建議施工過程中重點監測、控制抱桿的中上部位移,以確保輸電塔的施工安全。在風荷載作用下,抱桿中部振幅最大,越往兩端振幅越小。在設計和組裝抱桿過程中,應當加強中間段標準節之間的連接,避免風振引起的標準節連接失效而造成的工程事故。

(3) 工作狀態下,抱桿各高度處的風振系數中間大兩端小;根據計算結果,建議各高度處的風振系數均取1.3。

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(責任編輯 張淑艷)

Research on wind-induced response for inner suspended and outer guyed holding poles

XU Jincheng1, GENG Shuwei1, XIAO Feng2, ZHOU Huanlin1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.State Grid AC Engineering Construction Company, Beijing 100052, China)

The inner suspended and outer guyed holding pole is a kind of special hoisting machine which has been widely used in the electric industry. The holding pole has a large slenderness ratio and a special form of constraints, so it is necessary to analyze the wind-induced vibration response of the structure. Based on the linear filtering method, the fluctuating wind load is obtained by Matlab, and then it is applied to the model of the holding pole established by ANSYS to analyze the wind-induced response. The characteristic of wind-induced vibration of the holding pole is revealed and the wind-induced vibration coefficient of the holding pole in working condition is given. These results can provide a reference for the design and use of holding poles.

inner suspended and outer guyed holding pole; linear filtering method; wind-induced response; wind-induced vibration coefficient

2015-04-28；

2015-06-29

國家電網公司交流建設分公司科技資助項目(SGZB0000JLJS1400072)

徐金城(1989-),男,安徽肥東人,合肥工業大學碩士生; 周煥林(1973-),男,安徽宿松人,博士,合肥工業大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.019

TH212

A

1003-5060(2016)11-1531-05