變電構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)分析與減振優(yōu)化研究

摘 要：針對煙臺某變電站構(gòu)架避雷針在風場作用下產(chǎn)生的渦激振動等異常振動問題，該研究通過數(shù)值模擬進行避雷針結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)分析，并探討相應(yīng)的減振優(yōu)化方案。首先，利用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)獲取變電構(gòu)架避雷針的基本動力特性，并根據(jù)目標譜擬合方法模擬脈動風的荷載時程，為后續(xù)動力響應(yīng)分析提供基礎(chǔ)。其次，基于這些數(shù)據(jù)，建立精細化的有限元模型，對結(jié)構(gòu)的動力特性進行分析。針對避雷針結(jié)構(gòu)的特性和調(diào)諧質(zhì)量阻尼器在避雷針結(jié)構(gòu)中的不同安裝位置，提出3種不同的減振控制策略。通過在脈動風下進行時程反應(yīng)分析，檢驗不同策略下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，并進行參數(shù)化分析。結(jié)果顯示，基于實測數(shù)據(jù)的精細化有限元模型能夠準確模擬結(jié)構(gòu)的動力特性，隨著質(zhì)量比的增加，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的控制效果逐漸提高，但增長率逐漸減小;在相同質(zhì)量比下，同時控制避雷針一階和二階結(jié)構(gòu)頻率的策略比僅控制單一頻率更為有效。通過該研究，對于變電構(gòu)架避雷針的風振響應(yīng)與減振優(yōu)化提供全面深入的探討，并為類似問題的解決提供有益的參考與啟示。

關(guān)鍵詞：構(gòu)架避雷針;脈動風;渦激振動;有限元模型;調(diào)諧質(zhì)量阻尼器;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TM862 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）30-0064-04

Abstract： Aiming at the abnormal vibration problems such as vortex-induced vibration caused by a lightning rod frame in Yantai under the action of wind fields， this study analyzed the wind-vibration response of the lightning rod structure through numerical simulation， and discussed corresponding vibration reduction optimization schemes. First， the basic dynamic characteristics of the lightning rod of the substation frame are obtained using on-site measured data， and the load time history of the pulsating wind is simulated according to the target spectrum fitting method， providing a basis for subsequent dynamic response analysis. Subsequently， based on these data， a refined finite element model was established to analyze the dynamic characteristics of the structure. According to the characteristics of the lightning rod structure and the different installation positions of the tuned mass damper in the lightning rod structure， three different vibration reduction control strategies are proposed. By conducting time-history response analysis under fluctuating wind， the response of the structure under different strategies is tested and parametric analysis is carried out. The results show that the refined finite element model based on measured data can accurately simulate the dynamic characteristics of the structure; as the mass ratio increases， the control effect of the tuned mass damper gradually improves， but the growth rate gradually decreases; at the same mass ratio， the strategy of simultaneously controlling the first and second order structural frequencies of the lightning rod is more effective than controlling only a single frequency. Through this research， a comprehensive and in-depth discussion on the wind-vibration response and vibration reduction optimization of lightning rod for substation frames is provided， and useful reference and inspiration are provided for solving similar problems.

Keywords： frame lightning rod; pulsating wind; vortex-induced vibration; finite element model; tuned mass damper; optimal design

在變電站中，避雷針多采用圓截面鋼管結(jié)構(gòu)，容易在風場作用下發(fā)生渦激振動，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生異常振動，甚至遭受風致破壞[1]。對于避雷針結(jié)構(gòu)的振動控制，通常采用氣動控制措施[2]和附加減振裝置[3]。氣動措施中常用的方法是增加擾流線，通過在結(jié)構(gòu)表面安裝特定形狀的凸起，影響流體流動，從而避免或抑制渦激振動的發(fā)生。這些擾流線的設(shè)計目的是控制渦旋的生成和脫落，從而減少對結(jié)構(gòu)的振動影響。附加減振裝置主要分為吸能減振裝置和耗能減振裝置。其中，吸能減振裝置[4]——調(diào)諧質(zhì)量阻尼器由于其簡單易用的特點常被用于控制構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)的風致振動。因此，本文以煙臺某變電站避雷針結(jié)構(gòu)的異常振動為例，開展了構(gòu)架避雷針風振響應(yīng)分析，并提出相應(yīng)的減振優(yōu)化方法。

1 工程背景

所選構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)位于煙臺某220 kV變電站，單構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)高度為35 m，詳細設(shè)計參數(shù)見表1。場地基本風壓為0.55 kN/m2。在2023年2—3月期間，變電站內(nèi)4根避雷針發(fā)生了振動異常。經(jīng)過重點核查避雷針各部分連接螺栓，并對基礎(chǔ)施工情況和設(shè)計圖紙進行勘察，未發(fā)現(xiàn)問題。設(shè)計單位分析認為這種現(xiàn)象是由避雷針的渦激振動引起的。因此，本文對現(xiàn)場避雷針結(jié)構(gòu)進行了實測，并進行了脈動風的模擬，然后進行了脈動風下的風振響應(yīng)分析，最終提出了減振優(yōu)化措施。

通過對避雷針進行現(xiàn)場實測，得到了避雷針的加速度數(shù)據(jù)，如圖1（a）所示。圖1（a）中顯示，避雷針的最大加速度達到了800 mm/s2。采用快速傅里葉變換方法處理結(jié)構(gòu)加速度時程，得到加速度功率譜，如圖1（b）所示。從圖1（b）可以確定避雷針結(jié)構(gòu)的一階頻率為0.80 Hz。

為了進行后續(xù)的變電構(gòu)架避雷針風振響應(yīng)分析和相應(yīng)的減振研究，本文通過與目標譜的擬合進行了脈動風的時程模擬，圖2和3分別展示了脈動風的模擬譜和荷載時程圖。

2 有限元模型及動力特性分析

本研究采用ABAQUS建立了避雷針的有限元分析模型，如圖4所示。在模型中，避雷針采用殼單元（S4R）進行建模。圖紙質(zhì)量為2 501.76 kg，ABAQUS模型質(zhì)量為2 477.67 kg。兩者相差0.96%，在誤差允許范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.01 m。結(jié)點和單元數(shù)量分別為380 106和379 788。基于所建立的避雷針有限元模型，進行了結(jié)構(gòu)動力特性分析，得到了避雷針的前五階振動頻率，見表2。

3 減振優(yōu)化研究

本文采用ABAQUS中的Steady-state dynamic方法對調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的控制效果進行了分析。施加荷載為幅值是200 N的簡諧激勵，分析頻率范圍為0～4 Hz，數(shù)據(jù)點數(shù)為200。圖5給出了避雷針的TMD安裝示意圖和荷載施加位置。表3給出了避雷針的TMD控制策略。

根據(jù)經(jīng)典調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的設(shè)計參數(shù)[5]，得到了給定質(zhì)量比下TMD的優(yōu)化參數(shù)。表4給出了不同質(zhì)量比下的設(shè)計參數(shù)。以TMD質(zhì)量比為10%為例，圖6展示了不同TMD控制策略的減振效果。從圖6中可以看出，安裝TMD 1只能降低結(jié)構(gòu)的一階響應(yīng)，對二階響應(yīng)影響較小;安裝TMD 2僅能降低結(jié)構(gòu)的二階響應(yīng)，對一階響應(yīng)沒有減振效果;同時安裝TMD 1和TMD 2可以有效地降低結(jié)構(gòu)的一階和二階響應(yīng)，相比之下更為有效。表5展示了不同質(zhì)量比對TMD控制效果的影響。其中，質(zhì)量比為1%、2%、5%、10%和15%，控制策略選擇同時安裝TMD 1和TMD 2。由此可見，TMD的控制效果隨著質(zhì)量比的增加而增加，但增長率逐漸降低。綜合考慮，TMD的質(zhì)量比可以優(yōu)選為10%。

為了進一步驗證TMD的控制效果，對脈動風激勵下TMD的控制效果進行了研究。圖7展示了不同TMD策略的控制效果。從圖7可以看出，同時安裝TMD 1和TMD 2對于抑制脈動風作用下避雷針的結(jié)構(gòu)響應(yīng)效果最好，其次是僅安裝TMD 1。同時發(fā)現(xiàn)，僅安裝TMD 2對于抑制脈動風作用下避雷針的結(jié)構(gòu)響應(yīng)沒有效果，這是因為脈動風作用下結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)主要由結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)控制。

4 結(jié)論

通過本研究對變電構(gòu)架避雷針的風振響應(yīng)進行了深入分析，并提出了一系列調(diào)諧減振措施，旨在有效抑制脈動風下避雷針結(jié)構(gòu)的異常振動。以下是本研究的主要結(jié)果和結(jié)論。

1）本文基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)建立的精細化有限元模型能夠準確模擬構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)的基本動力特性，為后續(xù)分析提供了可靠的數(shù)值模擬基礎(chǔ)。

2）隨著質(zhì)量比的增加，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器對避雷針結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)的控制效果逐漸提高，但增長率逐漸減小。在綜合考慮下，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器最優(yōu)的阻尼比為10%。

3）在相同質(zhì)量比下，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器同時控制避雷針一階和二階結(jié)構(gòu)頻率的策略比僅控制單一頻率更為有效，可顯著降低結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。

4）通過在脈動風激勵下的時程反應(yīng)分析，驗證了調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的控制效果，進一步證實了其在抑制避雷針結(jié)構(gòu)振動中的有效性。

在選擇調(diào)諧質(zhì)量阻尼器減振方案時，除了考慮控制效果外，還應(yīng)評估其實用性和可行性。例如對于TMD 2擺長較短的情況，建議使用防震錘裝置進行替代，以確保方案的可行性和實用性。值得注意的是，本研究為變電構(gòu)架避雷針的風振響應(yīng)與減振優(yōu)化提供了重要參考，但仍有許多方面值得進一步探索。未來的研究可以結(jié)合更多實測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場試驗，進一步驗證減振方案的有效性，并探索更加智能化和精準化的減振技術(shù)。

參考文獻：

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第一作者簡介：侯永?。?992-），男，碩士，工程師。研究方向為變電土建工程技術(shù)。