一种通过风洞试验测试1000kV特高压变电构架风荷载的方法技术

一种通过风洞试验测试1000kV特高压变电构架风荷载的方法，它涉及风荷载的测试方法，它是要解决1000kV特高压变电站构风荷载计算精度差的技术问题。本法：制作满足风洞阻塞比的模型，将风洞试验段测量平均风速剖面和湍流度剖面分别与《建筑结构荷载规范》的规范值对比来确定模拟风场的准确性；再通过模型在0°或90°风向角高频测力天平在X和Y方向上基底剪力的绝对值对比来校核高频测力天平的准确性，然后进行各个风向角下的风洞试验，将测得的模型底部剪力和弯矩用无量纲化系数表示，获得气动力系数和体型系数，进而计算出风荷载值。利用节段模型可确定整体构架风荷载分布比例，提高计算精度，可用于格构式高耸塔架结构设计中。

A Method for Testing Wind Load of 1000 kV UHV Substation Frame by Wind Tunnel Test

【技术实现步骤摘要】
一种通过风洞试验测试1000kV特高压变电构架风荷载的方法
本专利技术涉及风荷载的测试计算方法，属于土木工程领域。
技术介绍
近年来，随着居民生活水平的提高和工业生产对电力资源的需求不断提升，电力输送量不断加大，电力输送系统中的变电站构架越来越高，其安全可靠性受到社会广泛关注。相对于传统建筑物结构，变电站构架除需克服风荷载自身的动力特性之外，还需考虑风与结构相互作用产生复杂作用力，如结构顺风向平均风和脉动风作用易引发结构振动，横风向涡流脱落、紊流作用和沿高度方向的扭转作用同样可能产生明显振动，增加了对风荷载分布和估计的复杂性。同时，1000kV变电站构架相对于传统低电压变电站构架在结构高度、横梁跨度有较大增长，其高柔、低阻尼、风敏感等特点更为显著，而现有的对1000kV变电站构架风荷载的计算方法是按《建筑结构荷载规范》进行估算，数据的计算精度差。
技术实现思路
本专利技术是要解决1000kV特高压变电站构的风荷载计算精度差的技术问题，而提供一种通过风洞试验测试1000kV特高压变电构架风荷载的方法。本专利技术的通过风洞试验测试1000kV特高压变电构架风荷载的方法，按以下步骤进行：步骤一：按1000kV特高压变电构架的实际形状制备刚性模型，并计算模型的相似比和风洞阻塞比，风洞阻塞比η小于8％；步骤二：按1000kV特高压变电构架所建地的地貌类型，采用锯齿挡板、尖劈、地毯和粗糙元在风洞试验段模拟风场；步骤三：利用三维风速测量仪获得风洞流场不同高度处的风速和湍流度数值，绘出模拟风场的平均风速剖面曲线和湍流度剖面曲线；步骤四：依据《建筑结构荷载规范》获得对应地貌的平均风速剖面和湍流度剖面曲线，得到风速剖面规范值和湍流度剖面规范值；步骤五：将风洞试验段模拟的平均风速剖面和湍流度曲线分别与规范值进行对比，根据《建筑工程风洞试验方法标准》条款要求，测量所得平均风速的允许相对偏差为±2.5％，湍流度的允许绝对偏差为±0.015，如果符合则进行步骤六，否则返回步骤二重新模拟紊流场；步骤六：将变电构架刚性模型安装在高频底座测力天平上，确定基底剪力及弯矩的正负方向；其中基底剪力方向由天平X、Y轴正负方向直接得出，Z方向由右手定则确定；步骤七：在风向角为0°或90°的条件下进行风洞实测，获得模型的基底剪力和弯矩；步骤八：对步骤七中0°或90°风向角条件下获得的X、Y两个方向的基底剪力均值的大小进行比较，若两个方向均值不处于同一量级上，说明天平测量准确，则进行步骤九，否则，对高频底座测力天平进行校准，返回步骤七；步骤九：转动风洞转盘，对模型不同风向角进行测力试验，获得每个风向角的X方向的基底剪力Fx、Y方向的基底剪力Fy以及Z方向的基底弯矩Mz；步骤十：将试验数据转换成可应用到实际结构的风荷载时程，采用无量纲化的气动力系数描述风洞试验测得基底力，气动力系数公式见公式(1)；Cx＝Fx/(0.5ρV2S)(1-a)Cy＝Fy/(0.5ρV2S)(1-b)Cmz＝Mz/(0.5ρV2SL)(1-c)式中，Cx、Cy分别为X和Y方向基底平均剪力系数；Cmz为Z方向基底平均弯矩系数；Fx、Fy分别为X和Y方向风洞试验测得基底剪力；Mz为基底弯矩；ρ为空气密度；V为试验风速，单位为m/s；S为0°风向角时模型垂直塔架模型杆件及节点的正投影面积，单位为m2；L为0°风向角时模型垂直于风向的底部宽度，单位为m；步骤十一：计算结构风荷载体型系数CD，体型系数CD计算公式如公式(2)所示；CD＝FD/(0.5ρV2S)(2)其中阻力FD为阻力，FD由X、Y方向基底力矢量合成得到；步骤十二：根据步骤十一中风荷载体型系数计算模型风荷载，风荷载如公式(3)所示；式中，F为模型风荷载；M为模型弯矩；ρ为空气密度；V为z高度处风速；S为模型迎风面面积；L为0°风向角时模型垂直于风向的底部宽度；步骤十三：结束。更进一步的是，步骤一中所述的模型为整体模型或分段模型，其中的分段模型是由整体模型合理分成的若干个节段；由于1000kV特高压变电站构架结构高度及跨度较大，在进行风洞试验时，利用节段模型可准确获得整体模型各部分的体型系数，将各节段模型与整体模型相比较，可以得出各段对于整体模型风荷载的贡献的大小，还可以提高风荷载的测试精度。更进一步的是，模型的材料为SLA高分子光敏树脂；将1000kV特高压变电构架的CAD模型采用SLA高分子光敏树脂利用3D打印技术进行打印，得到整体模型具有轻质、刚度大、模型表面光滑的特点，同时材料自振频率要比高频测力天平采样频率大两个数量级，满足高频天平测力试验模型要求。步骤一中，模型的相似比，即需满足结构几何缩尺比，还应保证几何外形相似。步骤一中风洞阻塞比η按下式计算：式中，Am为模型最大迎风面面积(m2)，Aw为风洞试验段横截面面积(m2)；步骤一中风洞阻塞比η不超过5％；步骤三中采样频率为900～1200Hz，采样时间为60～120s；步骤三中采样时测量风向角的个数的确定，对于对称模型由于对称性可适当减少测量风向角个数。步骤四中《建筑结构荷载规范》给定对应地貌下的风场平均风速剖面和湍流度剖面曲线；步骤五中风洞试验段平均风速剖面及湍流度剖面曲线可由眼镜蛇风速和湍流度测量仪获得，利用MATLAB软件编写平均风速剖面及湍流度剖面曲线绘制程序，并得到风洞试验段平均风速剖面和湍流度剖面拟合公式。步骤六中测力天平为六分量测力天平，可得到X、Y方向基底剪力、Z方向基底升力以及X、Y、Z方向基底扭矩六个分量力。步骤七中对于对称结构模型测量风向角个数由于对称性可减少，对称的角度可由对称性得到。步骤十非0°风向角迎风向正投影面积可由结构顺线向面积与横线向面积组合得到。步骤十中，空气密度ρ取1.225kg/m3；步骤十一中，由X、Y方向基底力合成阻力FD的方法是：在β风向角下，将X、Y向基底力进行矢量相加得到。矢量相加后即确定了合力的大小，也确定了合力的方向。步骤十二中空气密度ρ取1.225kg/m3；本专利技术方法根据一定流程，采用高频基底测力天平对1000kV特高压变电站构架进行风洞试验，由风速仪、数据采集系统获得风速、湍流度等数据，利用MATLAB软件计算程序对不同地貌下风剖面和湍流度公式进行拟合，并与《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)中经验公式对比，保证风洞试验段风场模拟的准确性；为提高风荷载体型系数准确，将风洞模型分为整体模型和节段模型；对试验数据精细化处理，得到结构气动力系数、体型系数，为后续结构风荷载计算提供支撑。本专利技术提出的高频测力天平风洞试验方法和风荷载计算具有下列优点：1、风洞试验方案具有流程简洁、步骤全面细致、高度实用性等特点，能够快速准确的得出风洞试验数据。2、针对1000kV特高压变电站构架高频天平测力试验制作节段模型，能够详细考察各节段模型风荷载大小及分配比例，相比整体构架模型风洞试验结果更为精确。3、为验证风洞试验段风场模拟的准确性，引入对比分析的方法。采用MATLAB软件编写平均风速剖面及湍流度剖面计算程序，并将模拟的平均风速剖面和湍流度剖面曲线与《建筑结构荷载规范》给定公式进行对比，确保测试精度。4、提高变电构架风荷载确定的精细化，考虑不同风向角和不同地貌将试验结果转化为气动力系数、体型系数，并由体型系数得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过风洞试验测试1000kV特高压变电构架风荷载的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：步骤一：按1000kV特高压变电构架的实际形状制备刚性模型，并计算模型的相似比和风洞阻塞比，风洞阻塞比η小于8％；步骤二：按1000kV特高压变电构架所建地的地貌类型，采用锯齿挡板、尖劈、地毯和粗糙元在风洞试验段模拟风场；步骤三：利用三维风速测量仪获得风洞流场不同高度处的风速和湍流度数值，绘出模拟风场的平均风速剖面曲线和湍流度剖面曲线；步骤四：依据《建筑结构荷载规范》获得对应地貌的平均风速剖面和湍流度剖面曲线，得到风速剖面规范值和湍流度剖面规范值；步骤五：将风洞试验段模拟的平均风速剖面和湍流度曲线分别与规范值进行对比，根据《建筑工程风洞试验方法标准》条款要求，测量所得平均风速的允许相对偏差为±2.5％，湍流度的允许绝对偏差为±0.015，如果符合则进行步骤六，否则返回步骤二重新模拟紊流场；步骤六：将变电构架刚性模型安装在高频底座测力天平上，确定基底剪力及弯矩的正负方向；其中基底剪力方向由天平X、Y轴正负方向直接得出，Z方向由右手定则确定；步骤七：在风向角为0°或90°的条件下进行风洞实测，获得模型的基底剪力和弯矩；步骤八：对步骤七中0°或90°风向角条件下获得的X、Y两个方向的基底剪力均值的大小进行比较，若两个方向均值不处于同一量级上，说明天平测量准确，则进行步骤九，否则，对高频底座测力天平进行校准，返回步骤七；步骤九：转动风洞转盘，对模型不同风向角进行测力试验，获得每个风向角的X方向的基底剪力Fx、Y方向的基底剪力Fy以及Z方向的基底弯矩Mz；步骤十：将试验数据转换成可应用到实际结构的风荷载时程，采用无量纲化的气动力系数描述风洞试验测得基底力，气动力系数公式见公式(1)；Cx＝Fx/(0.5ρV...

【技术特征摘要】
1.一种通过风洞试验测试1000kV特高压变电构架风荷载的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：步骤一：按1000kV特高压变电构架的实际形状制备刚性模型，并计算模型的相似比和风洞阻塞比，风洞阻塞比η小于8％；步骤二：按1000kV特高压变电构架所建地的地貌类型，采用锯齿挡板、尖劈、地毯和粗糙元在风洞试验段模拟风场；步骤三：利用三维风速测量仪获得风洞流场不同高度处的风速和湍流度数值，绘出模拟风场的平均风速剖面曲线和湍流度剖面曲线；步骤四：依据《建筑结构荷载规范》获得对应地貌的平均风速剖面和湍流度剖面曲线，得到风速剖面规范值和湍流度剖面规范值；步骤五：将风洞试验段模拟的平均风速剖面和湍流度曲线分别与规范值进行对比，根据《建筑工程风洞试验方法标准》条款要求，测量所得平均风速的允许相对偏差为±2.5％，湍流度的允许绝对偏差为±0.015，如果符合则进行步骤六，否则返回步骤二重新模拟紊流场；步骤六：将变电构架刚性模型安装在高频底座测力天平上，确定基底剪力及弯矩的正负方向；其中基底剪力方向由天平X、Y轴正负方向直接得出，Z方向由右手定则确定；步骤七：在风向角为0°或90°的条件下进行风洞实测，获得模型的基底剪力和弯矩；步骤八：对步骤七中0°或90°风向角条件下获得的X、Y两个方向的基底剪力均值的大小进行比较，若两个方向均值不处于同一量级上，说明天平测量准确，则进行步骤九，否则，对高频底座测力天平进行校准，返回步骤七；步骤九：转动风洞转盘，对模型不同风向角进行测力试验，获得每个风向角的X方向的基底剪力Fx、Y方向的基底剪力Fy以及Z方向的基底弯矩Mz；步骤十：将试验数据转换成可应用到实际结构的风荷载时程，采用无量纲化的气动力系数描述风洞试验测得基底力，气动力系数公式见公式(1)；Cx＝Fx/(0.5ρV2S)(1-a)Cy＝Fy/(0.5ρV2S)(1-b)Cmz＝Mz/(0.5ρV2SL)(1-c)式中，Cx、Cy分别为X和Y方向基底平均剪力系数；Cmz为Z方向基底平均弯矩系数；Fx、Fy分别为X和Y方向风洞试验测得基底剪力；Mz为基底弯矩；ρ为空气密度；V为试验风速，单位为m/s；S为0°风向角时模型垂直塔架模型杆件及节点的正投影面积，单位为m2；L为0°风向角时模型垂直于风向的底部宽度，单位为m；步骤十...

【专利技术属性】
技术研发人员：商文念，翟彬，刘建秋，王慧慧，甘露，韩文庆，盖超，魏珍中，刘勇，王玉宝，宋嘉庆，李林，李洪旺，李治国，穆德君，阴琪翔，
申请(专利权)人：山东电力工程咨询院有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37