真实山地地形条件下输电塔线体系风致响应数值模拟_刘孟龙(1).pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 国网浙江省电力有限公司科技项目 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 刘孟龙 男硕士生 年生 通信作者 罗坤 男博士教授 年生 真实山地地形条件下输电塔线体系风致响应数值模拟 刘孟龙 吕洪坤 罗坤 汪明军 樊建人 池伟 浙江大学能源工程学院杭州 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院杭州 杭州意能电力技术有限公司杭州 摘要以一段位于温州山地的输电线路为背景建立了塔线体系有限元模型并根据当地高程数据构建了周边山 地模型的结构化网格使用计算流体力学方法研究了当地的风场特征将风场结果耦合到塔线体系模型上进行了风致响 应有限元分析研究结果表明在复杂地形影响下当地风速剖面表现出不同于相关规范中的指数分布特征塔体两侧导 线档距差和所受风荷载差别会直接影响塔体所受顺线向荷载实际设计中应该减少高风速区域的线路档距和控制输电塔 两侧档距差根据规范参数简化考虑周边复杂地形会影响塔底剪力和塔体顺线向荷载等计算结果其瞬态分析会高估塔 体风振响应因而工程分析中应重视周边地形的影响 关键词山地地形计算流体力学 有限元分析输电塔线风致响应 中图分类号 文献标志码 输电线路是关系国计民生的生命线工程是电网 运行的大动脉作为支撑输电线的承重设施由钢 构件搭建而成的输电塔具有轻质高柔的特征然 而当铁塔遇到超过设计标准的大风时其关键构件会 出现较大的变形甚至断裂这也是许多倒塔事故的直 接原因此外输电塔线之间耦合作用对于线路整体 力学响应特征有着不可忽视的影响 因此研究输 电塔线体系风致响应特征对于实际输电线路设计施工 具有重要的指导意义 随着计算机技术和数值方法的迅猛发展近年来 已有一些学者通过数值模拟研究输电线路的风致响应 特征 等建立两线三塔有限元模型对不同风向 角不同风速条件下塔线体系的风致响应特征进行研 究分析了结构中最大应力和风向风速之间的关系 等对大跨度输电线路进行风致响应有限元分析得 到了不同风攻角的临界倒塔风速损伤位置和不同风 速条件下倒塔概率张志强等针对沿海线路建立一 塔两线体系进行台风风致响应有限元分析结果表明 脉动风作用下主材最大轴力远大于塔材轴向压力设计 值以静态分析结果作为设计参考很难满足当地气候 条件安利强等建立一塔两线塔线耦合体系模型对 台风作用下输电线路的风致响应进行了分析发现台 风动态响应远大于规范等效静态计算结果建议在台 风区减小档距或落线护塔 等对龙卷风作 用下两种输电塔线系统进行有限元分析确定了当构 件应力达到峰值时的龙卷风关键位置利用增量分析 确定了倒塔临界龙卷风风速 综上所述以往相关研究工作大多基于简化后的风 荷载模型对输电塔线体系风致响应特征进行分析而忽 略了周边地形条件对输电线路风致响应的影响在实际 工程中特别在我国南方地区大量输电线路建立在山地 地区当地的复杂地理环境会直接影响输电线路风致响 应本文针对温州某实际输电线路首先根据线路周边 山地地形高程数据建立几何模型然后采用计算流体力 学 方法研究输电线 路周边风场特征最后耦合风场结果通过有限元方法对 山地地形中的塔线体系风致响应特征进行研究为山地 地区输电线路工程提供理论参考 真实地形风场模型 输电线路周边地形特征 本文所研究的线路为温州某一输电线路山地地形 中的一段所选的线路段中两座输电塔均位于山体上 首先对实际输电线路所在区域地形进行高程数据采 集然后通过逆向建模软件对线路周边地形高程数据 进行逆向处理建立能够反映真实地形特征的地形曲 面其中周边具体地形情况地形拟合曲面及所选塔线 耦合体系相对位置情况如图所示 图输电线路周边地形特征 由图可知输电线路所处山地并不是我国 建筑结构荷载规范 中相关参数针对的简单山体 地形输电塔所在山体周边还有其他山体这会对输电 线路实际所受风荷载造成复杂的影响因此需要通过 方法研究输电线路风荷载特征 风场模型基本假设 对于本文的风场模型采取以下假设 风场中空 气流动可视为三维定常不可压缩流动 输电铁塔 中构件尺寸远小于风场计算尺度可以忽略塔体结构 对于风场计算的影响 所选地形中大部分地貌为树 林地面粗糙度条件可视为一致对照规范风场模型 中地形条件可视作类 风场计算设置 本文通过 方法研究实际山地条件下的风场特 征计算平台选用 软件 求解设置中风 场的湍流模型采用能够模拟旋流二次流等多种复杂 流动的 模型针对风场的不可压缩 流场计算采用 算法压力项采用标准格式离 散控制方程中动量项和其他系数项均采用二阶迎风 差分格式离散 对于风场模型边界条件的设置为了减少入口地 形起伏对风场计算结果的影响选择地形较为平坦的 西北侧面边界作为风场入口设置为速度入口而对面 的东南侧面边界设置为风场出口设置为自由出流出 口地面边界设置为无滑移壁面地面粗糙度根据当地 类地貌条件设置地面粗糙度高度设置为 且 选用非平衡壁面函数描述近壁面流动东北侧面西 南侧面和顶部边界设置为对称面 其中入口边界条件根据国家荷载规范进行确定 风速剖面通过指数模型和标准高度 的风参数进 行描述入口风速和入口湍流强度按照规范中的下列 公式进行具体设置 式中和分别为计算高度处的风速和湍流强度 和 为标准高度 高的风速和湍流强度取 为风速剖面指数根据建筑规范中地貌分 类当地地貌情况为类则式中 为 为 利用 软件中自定义函数功能 将入口 的风速湍流动能和湍流耗散率输入边界条件湍 流动能和湍流耗散率和湍流强度具体关系如下 式中 为 为湍流积分尺度为平均来流速度 在上述稳态风场边界条件基础上修改入口风速边界 条件进行瞬态风场计算模拟边界条件设置以入口 第期刘孟龙等真实山地地形条件下输电塔线体系风致响应数值模拟 高风速 的指数型剖面为平均风结合广泛使用的 脉动风速功率谱使用谐波合成法模拟得到入 口边界各高度脉动风速其中 高脉动风速时程曲线 以及模拟谱值如图所示通过图可知脉动风模拟谱 值基本围绕着 目标谱线上下波动两者总体趋 势保持一致因此采用谐波叠加法模拟得到的脉动风速时 程数据合理可靠根据脉动风速时程数据随着风场模拟 的进行利用 对不同模拟时间入口边界的瞬时边界 条件进行设置以此进行风场瞬态模拟 图脉动风模拟 网格无关性验证 以地形曲面为基础构建流场计算域整体计算域 长 宽 高 为保证风场计算结 果的可靠性对三维风场网格进行网格无关性验证 对计算域采用六面体结构化网格进行划分分别生成 了网格数量为万 万和万的网格模型 以入口 高风速 的指数型风速剖面为入口 边界条件进行风场模拟取山顶输电塔位置的风速作 为校核网格无关性的衡量标准 计算结果如图所示三种网格的计算结果都 比较接近特别是 万和万网格模型计算结果 非常接近满足了网格无关性要求为了保证计算准 确性以及减少计算量本文选择 万网格模型作 为风场计算网格网格模型如图 所示地形表面第 一层网格高度为 线路中两座输电塔高度分别为 和 而离地 高度以下网格数量为 层边界层网格密度满足描述近地面风场和输电塔风 荷载特征的要求 图网格及无关性验证 输电塔线耦合体系有限元模型 输电线路参数 本文以实际温州某 输电线路一段为研究对 象所选输电线路段中两座输电塔均为 型耐张输电 塔输电塔塔体采用等边角钢构件搭建而成主材钢材 为 和 辅助材钢材为 输电塔单线图如 图所示两座输电塔仅在塔脚结构和呼高略有不同 两塔呼高以上的结构完全一致其中塔一总高度为 呼高为 塔二总高度为 呼高为 图输电塔单线图 振 动 与 冲 击年第卷 塔体结构模型中所有的构件尺寸朝向等均来自 输电线路实际工程设计参数具体使用的等边角钢构 件参数如表所示 表构件尺寸参数 角钢构件截面 角钢构件截面 输电线路中导线型号为双分裂钢芯铝绞线 地线型号为铝包钢绞线 线路 中导地线物性参数如表所示 表导地线参数 参数 截面面积 外径 单位长度质量 弹性模量 拉断力 构建塔线耦合有限元模型 有限元计算平台选择为 软件根据实际线 路参数建立了三线两塔输电塔线耦合有限元模型输 电铁塔由角钢构件搭建而成以梁单元 模拟 角钢建立输电塔有限元模型通过设置单元截面朝向 关键点控制每个梁单元的朝向使得模型符合输电铁 塔角钢构件实际设计情况输电导线具有明显的柔索 特征使用仅受拉的非线性单元 模拟输电导线 由于分裂导线单元数量是单根导线的数倍使用分裂 导线模型大幅增加了计算难度和用时通过横截面面 积等效原则可以根据分裂导线横截面积总和将之简 化为单根导线同时以分裂导线迎风面积之和作为风 荷载参数进行计算不仅降低计算时间还保证了计算 结果的准确性根据在相关研究中广泛使用 的 悬链线公式计算输电导线中各节点初始位置具体的 悬链线公式如下 式中为单位长度导线的自重为输电线的初始位 置水平张力即输电导线年平均运行张力目前工程上 常用导线拉断力与安全系数和平均运行张力系数的乘 积作为导线的年平均运行张力为导线的档距为 导线两端挂线点的高度差和值为悬链线上每个节 点的坐标位置 结合实际输电线路相关参数针对塔线体系中 的各档的导线计算了各个节点位置以此构建初始 的输电导线模型从而建立塔线耦合体系如图 所示 图塔线耦合体系有限元模型 塔线体系中两塔的相对地理位置关系可以参考图 和图其中塔一为东北侧输电塔塔二为西南侧输 电塔塔一海拔比塔二高 两塔之间档距为 挂线点高度差为 塔一之前和塔二之 后海拔较低塔一之前档距为 挂线点高度差 为 塔二之后档距为 挂线点高度差为 为了便于分析两塔结构响应对输电塔不同 位置的主材进行了编号如图和图所示其中号 号主材为背风侧主材号号主材为迎风侧主材 而塔体两侧输电线有着不同的特征设定输电塔号 号主材侧导线为塔前侧输电线号号主材侧导线 为塔后侧输电线 第期刘孟龙等真实山地地形条件下输电塔线体系风致响应数值模拟 图输电铁塔主材编号 输电线路风荷载模型 将输电塔按照结构特征的不同在高度方向上划分 成十个塔段如图基于 风场计算结果结合输电 线路地理信息获取风场中各输电塔塔段对应位置的 风速通过风荷载模型计算输电线路各部分所受风荷 载进而对塔线体系进行加载和风致响应分析 参考我国建筑荷载规范和架空输电线路杆塔 结构设计技术规定 风荷载的计算方式本文采用 的输电铁塔和输电导线风荷载模型如下 式中和分别为各塔段和导线风荷载 和分 别为塔段和输电导线的投影面积 和分别为对应 的塔段和输电导线的体型系数 为风场来流和导线的 夹角 为各个塔段所在位置风速而输电导线计算风 速为导线两端挂线点所在塔段风速的平均值 而在我国建筑载荷规范中采用风压修正系数 简化考虑山地对风荷载的影响修正系数和平地各 高度的风压数据乘积为山地计算风压 具体取值 如下 式中 系数为当地地形为 为迎风面坡 度 为 为计算位置离地高度为山体总 高度根据建筑规范的简化计算方法中通过上述风 压修正系数与入口风压的乘积作为输电线路当地对应 风压以此简化考虑周边地形影响以计算当地线路风 致响应参考风压修正系数和风压风速关系山地条 件下国家规范简化计算结果的等效风速 如下其中 为入口平地 高处的来流风速 槡 模拟结果与分析 耦合 风场进行了塔线体系风致响应稳态分析 和瞬态分析并且耦合 风场对无导线模型风致响应 进行稳态分析和瞬态分析作为对照同时与根据规范参 数对塔线体系风致响应简化计算的结果进行了对比 风场分析 以离地 高风速 指数型风速剖面为入 口边界条件进行风场稳态计算提取 结果中输电 塔对应位置风速和根据规范参数计算等效风速进行对 比如图所示对比图中塔一塔二位置风速结果 与入口风速可知山地对于近地面风速有着显著的加 速效应其中山顶的塔一位置近地面风速略大于规范 中利用参数估算结果曲线趋势非常相似而海拔略低 的塔二位置近地面风速不仅小于规范计算结果并且 风速剖面形状区别也比较大这主要是受到周边山体 尾流绕流的影响可见仅参考相关规范难以准确分析 复杂地形条件下风荷载特征而在离地面高度 以上风速计算结果差别很小这表明随着离地高度增 加周边地形对于当地风场的影响在减少 图风速剖面计算结果 稳态计算结果分析 风致响应分析之前需要进行重力作用下塔线体系 初始状态找形对整体结构施加重力荷载进行有限元 分析提取了主材轴力计算结果如图所示图中轴 力负值代表为轴向压力导线在重力条件下的水平张 力均等于导线的年平均运行张力故在重力作用下输 电塔两侧输电导线在水平方向上的作用相互抵消由 图可知在重力作用下输电塔主材轴力均为轴向压 力塔一两侧的主材轴力相似且其所在地势较高两 侧导线均对输电塔产生向下拉力因此塔一轴力整体 大于塔二主材轴力塔二较高塔段的两侧主材轴力差 别较大这是由于塔二前后侧导线在竖直方向上的作 用方向相反前侧导线对塔体有向上拉力后侧导线有 向下拉力且作用力臂之差仅为横担宽度而较高的主 材计算整体力矩时力臂较小因此对于较高塔段前后 侧主材作用效果差别较大后侧主材压力大于前侧主 材压力 振 动 与 冲 击年第卷 图重力作用下主材轴力 耦合 模拟结果分别对塔线体系模型和无导线 模型进行风致响应稳态分析提取了两座输电塔各高 度主材轴力计算结果如图所示图中主材轴力正 负分别代表轴向拉力和压力其中迎风侧号号主 材轴力均为轴向拉力背风侧号号主材轴力均为 轴向压力这是由风力作用下水平横线向荷载产生的 整体力矩决定的且重力作用下输电塔主材均承受轴 向压力因此背风侧主材所受压力总体数值大于同高 度迎风侧主材拉力但是其中塔线体系同侧主材轴力 出存在差异特别是塔一同侧主材轴力差别较大对照 无导线模型计算结果可知其影响因素主要是输电塔两 侧导线对塔体结构作用的差别 图风致响应分析主材轴力 塔一前后侧输电导线所处海拔高度基本一致但 是档距差别较大档距较大的前侧导线在风荷载作用 下水平张力大于后侧导线使得输电塔需要承受顺线 向的荷载作用产生顺线向的整体力矩因此背风侧中 前侧主材轴向压力大于后侧主材轴向压力而迎风侧 前侧主材轴向拉力小于后侧主材轴向拉力塔二两侧 导线档距有较大区别后侧档距大于前侧然而前侧导 线所处海拔较高由于山体爬坡加速效应其所在位置 风速更大因此计算结果中塔二前后两侧主材轴力基 本一致可见塔体两侧导线所在位置风场情况差异也 会直接影响主材轴力塔一塔二两侧导线几何特征 区别可以见图 从图可知最大轴力位于背风侧主材塔脚横隔面附 近提取背风侧主材该位置处轴力进行对比如表所示 其中输电线对于主材轴力贡献较大均能达到以 上塔一导线对前后主材轴力的贡献区别很大而塔二背 风侧主材中导线贡献区别不大结合图结果可知输电 导线的作用差别直接影响输电铁塔主材轴力大小 表导线对主材轴力的影响 背风侧主材 塔线耦合体 系模型 无导线输电 塔模型 导线对主材 轴力贡献率 塔一号主材 塔一号主材 塔二号主材 塔二号主材 因此对于建设在山地地形上的输电线路实际设计 过程中应该考虑输电塔两侧输电导线的档距差以及所受 风荷载差别带来的影响建议在风速较高的区域设置小 档距不仅能减少横线向线条风荷载的影响更有利于消 除两侧导线顺线向拉力差同理对于两侧导线风场条件 相当的输电塔其两侧导线档距差也不应过大否则会加 大塔体结构顺线向荷载直接影响线路安全 此外根据规范参数简化考虑地形影响对塔线体系 进行风致响应分析作为对照分别提取了耦合 风 场计算结果和根据规范简化计算结果中背风侧主材底 端顺风向剪力和最大轴力具体结果对比如表和表 所示 根据表可知主材承受的顺风向剪力在耦合 风场计算结果和根据规范参数计算结果中存在着 明显的差别特别是对于处于山坡位置的塔二其号 主材剪力两种方法计算结果相对差值可以达到 同时这也符合 风场模拟当地风速的分析结果由 于塔二所在位置风速结果受当地地形影响较大其近 地面风速小于规范计算值因此对应的主材底端顺风 向剪力也明显低于根据规范参数简化计算结果 第期刘孟龙等真实山地地形条件下输电塔线体系风致响应数值模拟 表主材底端顺风向剪力及主材最大轴力 背风侧主材耦合 风场计算结果 根据规范简化计算结果 相对偏差 塔一号主材 塔一号主材 塔二号主材 塔二号主材 注 计算结果 的形式中代表该主材底端顺风向剪力代表主材中最大轴力相对偏差 的形式中代表底端顺 风向剪力偏差代表最大轴力偏差 表中两种方法塔体主材轴力计算结果差别不 大其中塔二背风侧两主材最大轴力相对差值均在 左右结合当地风场结果可知塔体主材的轴力计算结 果主要受到塔体上端水平荷载影响如风荷载和水平 方向的导线荷载而对于塔一虽然两种方法塔体主 材轴力计算结果差别不大但是耦合 风场计算结 果中背风侧两主材轴力之间的差值为 而 依据规范参数计算结果中差值为 这两者 差别较大由此可知根据规范参数简化计算过高估计 了塔体结构的顺线向荷载 对比耦合 风场和根据规范参数简化计算两种 方法的稳态分析结果可知根据规范参数简化考虑周 边地形影响会从主材剪力顺线向荷载等方面对计算 结果产生不可忽略的影响实际设计过程中应当重视 线路周边复杂地形的影响 瞬态计算结果分析 根据脉动风速时程数据设置风场入口的边界条 件进行 风场瞬态分析耦合风场瞬态模拟结果对 塔线体系进行了风致响应瞬态分析并以同条件下耦 合 风场无导线输电塔模型瞬态分析和根据规范参 数简化计算瞬态分析作为对照 塔线系统瞬态分析中两塔背风侧各高度主材轴力 结果如图所示瞬态计算结果中主材轴力的平均值 和最大值均显著大于平均风稳态计算结果可见脉动 风对构件内力有显著的动力放大效应为分析脉动风 对塔体结构响应动力放大效应使用风振系数 研 究不同模拟方法中塔体结构响应动力放大效应风振 系数具体计算公式如下 式中 为高度塔段对应的集中质量为峰值因 子取 为塔体结构在高度的顺风向加速 度响应均方根值 为塔段 对应的静态荷载 通过分别提取耦合 风场塔线体系计算结果 无导线模型计算结果以及根据规范参数简化计算结果 中两塔主材最高处加速度响应值结合对应塔段的质 量承受的静态荷载等计算了具有代表性的塔段局部 风振系数值如表所示 图瞬态计算结果 表不同模拟方法计算的风振系数 模拟 方法 塔一最高处 加速度 对应塔 段风振 系数 塔二最高处 加速度 对应塔 段风振 系数 耦合 风场 根据规范 简化计算 无导线模型 由表可知三种模拟方法的计算结果中塔一 塔二的风振系数表现出的大小关系一致均表明无导 线模型计算结果风振系数最大根据规范参数简化计 算结果风振系数其次耦合 风场结果计算结果最 振 动 与 冲 击年第卷 小其中规范参数简化计算值相对耦合 风场计算 值偏高可知根据规范参数简化周边地形影响的计算 方法高估了塔体结构风振响应而耦合 风场的无 导线模型计算结果大于塔线体系计算结果可见导线 对塔体结构响应脉动风动态放大效应有一定的约束 作用 结论 本文以温州山区输电线路为研究对象建立了两塔 三线塔线体系有限元模型应用 方法计算分析了 输电线路周边风场特征耦合风场结果进行风致响应 有限元分析结论如下 风场计算结果中山顶输电塔位置风速略大于 相关规范参数的计算结果山坡输电塔位置风速剖面 不同于规范中的指数分布因此根据规范参数简化计 算无法反映复杂地形条件下风荷载特征 对于山地地形中输电线路的设计应该考虑输 电塔两侧导线档距差和所受风荷载差别的影响为了 减少塔体顺线向荷载的影响建议在大风区域减少档 距而在两侧导线风场条件相近的情况下应控制塔两 侧的档距差 对比耦合 稳态分析结果和根据规范参数 稳态分析结果可知两者在塔底顺风向剪力和塔体顺 线向荷载方面差别较大山地条件下的输电线路工程 分析应该重视复杂地形对线路风致响应的影响 瞬态计算主材轴力显著大于稳态计算结果实 际工程应该考虑脉动风对结构响应的动力放大效应 对比风振系数计算结果发现导线对塔体响应风振动 力