風(fēng)荷載作用下大跨越輸電塔動力響應(yīng)分析

劉海銳

摘要： 在ANSYS軟件中建立大跨越輸電塔有限元模型，對該結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡化分段，基于線性濾波法在MATLAB軟件中模擬輸電塔各段中心節(jié)點處的脈動風(fēng)速時程，將其與平均風(fēng)速疊加得到各段中心節(jié)點處的風(fēng)速時程，根據(jù)風(fēng)荷載與風(fēng)速的關(guān)系，得到作用在各段中心節(jié)點上的風(fēng)荷載時程，采用ANSYS軟件中的時程分析方法計算輸電塔在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)振響應(yīng)。結(jié)果表明：在風(fēng)荷載作用下，隨著高度的增加，輸電塔動力響應(yīng)的位移均值及加速度均方根逐漸增大。

Abstract： A finite element model of a large span transmission tower is established in ANSYS software， and the structural model is simplified and segmented. The fluctuating wind speed time history at the central node of each segment is simulated in MATLAB software based on linear filtering method， and overlaid with the average wind speed so that the wind speed time history at the central node of each segment is obtained. According to the relationship between wind load and wind speed， the wind load time history acting on the central node of each segment is obtained. The time history analysis method in ANSYS software is used to calculate the wind-induced response under the wind load of the transmission tower. The results show that under the action of wind load， the average value of displacement and the root mean square of acceleration of transmission tower dynamic response increase gradually with the increase of the height.

關(guān)鍵詞： 輸電塔;風(fēng)荷載;線性濾波法;時程分析;風(fēng)振響應(yīng)

Key words： transmission tower;wind load;linear filtering method;time history analysis;wind-induced response

中圖分類號：TB532 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）13-0114-04

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電能的重要性也愈發(fā)明顯，我國電力電網(wǎng)的建設(shè)也得到了蓬勃發(fā)展。作為高負(fù)荷電能輸送載體的重要組成部分，輸電塔具有高度高、重量相對較輕、外形細(xì)長、剛度相對較小等特點，基本自振周期較長，風(fēng)荷載對其起主要作用，是它的控制荷載[1]，因此有必要研究輸電塔在風(fēng)荷載作用下的動力響應(yīng)。

本文主要考慮大跨越輸電塔受順風(fēng)向風(fēng)荷載的響應(yīng)作用，風(fēng)荷載分為平均風(fēng)荷載和脈動風(fēng)荷載，平均風(fēng)荷載在一定時間內(nèi)不變，可視為靜力荷載，脈動風(fēng)荷載是隨時間變化的，相當(dāng)于動力荷載，在MATLAB軟件中采用線性濾波法中的自回歸模型模擬輸電塔各段迎風(fēng)面中心節(jié)點處的脈動風(fēng)速時程[2]，用時程分析方法計算了輸電塔受風(fēng)荷載的振動響應(yīng)，并分析了輸電塔的動力特性。

1 輸電塔有限元模型建立

本文以某大跨越輸電塔為原型建立有限元模型，進(jìn)行風(fēng)荷載作用下動力特性計算分析，該輸電塔總高度為87.5m，由角鋼剛性連接而成，角鋼材料型號為Q235型鋼，它的彈性模量E=2.1×1011Pa，密度ρ=7850kg/m3，泊松比ν=0.3，角鋼截面面積隨高度的改變而改變，輸電塔底部采用比較大而厚的角鋼，上部則采用比較短和稍薄的角鋼[3]，其截面積的總體變化趨勢是隨輸電塔高度的增加而逐漸減小。

在ANSYS軟件中，BEAM188單元適合于分析從細(xì)長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于Timoshenko梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響，在空間具有6個自由度，它可以保證輸電塔模型在整個結(jié)構(gòu)上的一致性，能較好地反映輸電塔結(jié)構(gòu)的實際受力特點，因此采用BEAM188單元模擬輸電塔的角鋼構(gòu)件[4]，圖1是輸電塔結(jié)構(gòu)的有限元模型。

2 輸電塔風(fēng)荷載數(shù)值模擬

2.1 風(fēng)速時程模擬

3.2 瞬態(tài)動力響應(yīng)分析

瞬態(tài)動力分析也稱為時間歷程分析，其分析方法有完全法、縮減法和模態(tài)疊加法，其中完全法采用完整的系統(tǒng)矩陣計算瞬態(tài)響應(yīng)，可在幾何模型上施加所有類型的荷載，可考慮各種類型的非線性特性，一次分析就能得到結(jié)構(gòu)所有的位移和加速度等動力特征值[7]，本文的瞬態(tài)動力分析采用完全法。本文只對輸電塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，不考慮基礎(chǔ)的變形，故將輸電塔與基礎(chǔ)的連接看成固定支承[8]，在進(jìn)行動態(tài)分析時將它們連接處節(jié)點的6個自由度全部約束。

通過ANSYS軟件中的APDL技術(shù)將風(fēng)荷載加載到輸電塔模型上，進(jìn)行動力響應(yīng)時程分析[9]，最終得到輸電塔結(jié)構(gòu)中心節(jié)點的位移和加速度時程，分別如圖7、圖8所示，同時繪出輸電塔結(jié)構(gòu)沿著高度方向的位移均值和加速度均方根變化曲線，分別如圖9、圖10所示。

由輸電塔在風(fēng)荷載作用下位移和加速度時程圖可以看出，輸電塔在節(jié)點5處的最大位移為67mm，最大加速度為209mm/s2，由輸電塔的位移均值和加速度均方根隨高度變化曲線圖可以看出，輸電塔在風(fēng)荷載作用下，其位移均值和加速度均方根沿高度均不斷增大，整體表現(xiàn)為彎曲變形。輸電塔結(jié)構(gòu)的最大位移出現(xiàn)在其頂部位置，這與輸電塔由鋼質(zhì)構(gòu)件組成的情況相符合;輸電塔結(jié)構(gòu)位移時程曲線與風(fēng)荷載時程曲線變化趨勢基本相同，說明輸電塔的變形在其組成材料的彈性變形范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

本文以某大跨越輸電塔為研究對象，模擬了輸電塔各段中心節(jié)點處風(fēng)速時程，得到了各段中心節(jié)點上的風(fēng)荷載時程樣本，對輸電塔結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)振響應(yīng)作了分析，得到了以下結(jié)論：①采用線性濾波法中的自回歸模型模擬輸電塔各段中心節(jié)點處脈動風(fēng)速時程，其功率譜曲線與目標(biāo)風(fēng)速Kaimal譜曲線趨勢是一致的，吻合程度較好，說明本文采用的模擬方法以及模擬過程中選取的參數(shù)都是合理有效的。②輸電塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)分析表明，在風(fēng)荷載作用下它的位移和加速度的最大值均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的頂部，整體表現(xiàn)為彎曲變形，在風(fēng)荷載作用下，隨著高度的增加，輸電塔動力響應(yīng)的位移均值及加速度均方根逐漸增大。

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