一种输电塔顺风向气动阻尼比计算方法技术

本发明专利技术公开了一种简单、高效的输电塔顺风向气动阻尼比计算方法。一种输电塔顺风向气动阻尼比计算方法，包括以下步骤：S1、设定计算条件；S2、构建阻尼比解析模型，求得结构的顺风向一阶气动阻尼比。

【技术实现步骤摘要】
一种输电塔顺风向气动阻尼比计算方法
本专利技术涉及输电塔
，特别是涉及一种输电塔顺风向气动阻尼比计算方法。
技术介绍
特高压输电线路中的输电塔结构是典型的风敏感结构；相较于其较小的结构阻尼，气动阻尼对输电塔的风振响应具有较大影响，气动阻尼效应不可忽略。输电塔气动阻尼比计算通常依赖于对风洞试验或者现场实测数据的识别，往往计算比较复杂。现有技术中仅有的给出气动阻尼比的计算方法又没有考虑横担的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种简单、高效的输电塔顺风向气动阻尼比计算方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种输电塔顺风向气动阻尼比计算方法，包括以下步骤：S1、设定计算条件设输电塔为自立式横担塔，水平面内垂直于导线的方向为x方向，水平面内沿导线的方向为y方向，高度方向为z方向；横担宽度恒为wc，塔身宽度w(z)随高度z线性变化，塔身宽度与高度z的关系式：式中，wb为塔底宽度，wt为塔顶宽度，h为塔身总高，hc为横担高度；全塔的填充系数沿高度方向恒为δ，阻力系数沿高度方向恒为Cd；根据输电塔主材截面随高度z的变化规律，拟合得到输电塔各高度处的单位高度质量m(z)：式中，m0为塔底的单位高度质量，k和γ为拟合系数,m1为横担处的单位高度质量，忽略高阶振型对风振响应的影响，只考虑一阶振型对风振响应的影响；输电塔结构的一阶振型μ1(z)随高度z指数变化：式中，βy为结构沿y方向的一阶振型系数；平均风剖面u(z)采用指数率，并取塔顶高度为参考高度，得到：u(z)＝uh(z/h)α(4)式中，uh为参考高度处的风速，α为地面粗糙度指数；S2、构建阻尼比解析模型将输电塔视为竖向一维悬臂结构，其结构的质量和刚度分布随高度发生变化，将结构随高度离散为n个自由度的多自由度体系，则其在随机风荷载的作用下的运动方程如下式：式中，M为结构的刚度矩阵，C为结构的阻尼矩阵，K为结构的刚度矩阵，x(t)为位移响应，D(t)为由随机风荷载作用；采用Morison公式计算单位高度处的瞬时风阻力D(z，t)为：式中，ρ为空气密度，u(z，t)为z高度处的瞬时风速，为结构在z高度处的速度响应，A(z)为z高度处的单位高度面积；将z高度处的瞬时风速u(z，t)视为由该高度处的平均风速和脉动风速u’(z，t)的叠加，即：将式(7)代入式(6)中，得：将式(8)的平方项展开，得：忽略式(9)中的高阶小量项，此时，作用在结构上的荷载近似为：上式的第一项为平均风荷载，为静荷载，第二项即为脉动风速引起的抖振力，第三项则为考虑风与结构耦合作用时产生的阻力项，即气动阻尼力项，由于结构单位高度的气动阻尼力与结构运动速度成正比，比例系数即为单位高度的气动阻尼系数c(z)：单位高度面积A(z)由结构的z高度处的宽度w(z)和填充系数δ相乘得到，代入式(11)，得：在结构随高度离散的多自由度系统中，取zi高度处的离散段长度为dzi；将其按照与粘性阻尼系数在一个周期内能量损耗相等的原则，折算成等效粘性阻尼系数C1，取离散度长度的最大值dz，当dz趋近于零时，n将趋近与无穷大，此时系统可以看作一个无限自由度体系，将式(13)表示为积分形式：将式(1)、式(3)、式(4)代入式(14)，得到结构沿导线方向的一阶气动阻尼系数C1，y：结构自身的一阶临界阻尼系数Cc1按下式求得：Cc1＝4πn1M*(16)式中，n1为结构的一阶自振频率，M*为结构的一阶模态质量，将式(2)带入式(17)，求得结构沿导线方向的一阶模态质量：将式(18)带入式(16)，得到结构的一阶临界阻尼系数：式中，Cc1，y为结构沿导线方向的一阶临界阻尼系数，n1，y为结构沿导线方向的一阶频率；求得结构的顺风向一阶气动阻尼比：ξa＝C1/Cc1(20)将式(14)和式(19)代入式(20)，求得结构沿导线方向的一阶气动阻尼比ξa，y：同理，得到结构在垂直于导线方向的一阶气动阻尼比ξa，x：其中，由于采用了上述技术方案，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术基于准定常理论所计算的气动阻尼比和试验结果及实测结果都比较吻合，基于准定常理论构建输电塔的气动阻尼比方法相比现有的计算方法更加简单、高效；输电塔结构的塔头形式通常比较固定，给出考虑横担影响的气动阻尼比公式对工程应用有实际的意义，为工程设计提供指导。附图说明图1为自立式横担塔示意图；图2为沿导线方向一阶振型图；图3为塔顶的脉动风速时程图；图4a为塔顶位移响应时程图(不考虑气动阻尼效应)；图4b为塔顶位移响应时程图(以相对风速方式考虑气动阻尼效应)；图4c为塔顶位移响应时程图(以总阻尼比方式考虑气动阻尼效应)；图5为风速对杆塔结构气动阻尼比的影响示意图；图6为塔高对杆塔结构气动阻尼比的影响示意图。具体实施方式一种输电塔顺风向气动阻尼比计算方法，包括以下步骤：S1基本假定设定输电塔为自立式横担塔，如图1所示，取水平面内沿导线的方向为y方向，水平面内垂直于导线的方向为x方向，高度方向为z方向。根据杆塔的几何特征、动力特性等可作如下假定：假定1：横担宽度随高度变化不大，因此假定为恒宽wc，塔身宽度w(z)沿着高度方向线性变化，塔身宽度与高度的关系式：式中，wb为塔底宽度，wt为塔顶宽度，h为塔身总高，hc为横担高度。假定2：全塔的填充系数(实度)δ(塔架沿风向的投影面积与塔架沿风向的轮廓面积之比)随高度不变，因此，阻力系数Cd取为随高度不变的常数。假定3：根据输电塔主材截面随高度的变化规律，假定各高度处的单位高度质量m(z)满足下式：式中，m0为塔底的单位高度质量，k和γ为拟合系数,m1为横担处的单位高度质量。假定4：忽略高阶振型对风振响应的影响，只考虑一阶振型。假定5：结构的一阶振型u1(z)随高度按指数变化，如下式：式中，βy为结构沿导线方向的一阶振型系数。假定6：平均风剖面u(z)采用指数率，并取塔顶高度为参考高度，u(z)＝uh(z/h)α(4)式中，uh为参考高度处的风速，α为地面粗糙度指数。S2构建阻尼比解析模型输电塔的宽度和厚度远小于高度，将其看作竖向一维悬臂结构。这类结构的质量和刚度分布随高度发生变化，将其随高度离散为n个自由度的多自由度体系，则其在随机风荷载的作用下的运动方程如下式所示：式中，M为结构的刚度矩阵，C为结构的阻尼矩阵，K为结构的刚度矩阵，x(t)为位移响应，D(t)为由随机风荷载作用。为了考虑风与结构之间的耦合作用，可以根据Morison公式，采用风与结构的相对速度来计算抖振力，在准定常假设下，单位高度处的瞬时风阻力为：式中，ρ为空气密度，u(z，t)为z高度处的瞬时风速，为结构在z高度处的速度响应，A(z)为z高度处的单位高度面积。z高度处的来流瞬时风速u(z，t)可以看作由该高度处的平均风速和脉动风速u’(z，t)的叠加，即：将上式代入式(6)中可得：将式(8)的平方项展开，可得由于脉动风速u’(z，t)和结构运动速度远小于平均风速因此可以忽略上式中的高阶小量项，即脉动风速和结构运动速度的平方项以及二者的乘积项。此时，作用在结构上的荷载可以近似为：上式的第一项为平均风荷载，为静荷载；第二项即为脉动风速引起的抖振力；第三项则为考虑风与结构耦合作用时产生的阻力项，即气动阻尼力项。显然，结构单位高度的气动阻尼力与结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种输电塔顺风向气动阻尼比计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、设定计算条件设输电塔为自立式横担塔，水平面内垂直于导线的方向为x方向，水平面内沿导线的方向为y方向，高度方向为z方向；横担宽度恒为wc，塔身宽度w(z)随高度z线性变化，塔身宽度与高度z的关系式：

【技术特征摘要】
1.一种输电塔顺风向气动阻尼比计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、设定计算条件设输电塔为自立式横担塔，水平面内垂直于导线的方向为x方向，水平面内沿导线的方向为y方向，高度方向为z方向；横担宽度恒为wc，塔身宽度w(z)随高度z线性变化，塔身宽度与高度z的关系式：式中，wb为塔底宽度，wt为塔顶宽度，h为塔身总高，hc为横担高度；全塔的填充系数沿高度方向恒为δ，阻力系数沿高度方向恒为Cd；根据输电塔主材截面随高度z的变化规律，拟合得到输电塔各高度处的单位高度质量m(z)：式中，m0为塔底的单位高度质量，k和γ为拟合系数,m1为横担处的单位高度质量，忽略高阶振型对风振响应的影响，只考虑一阶振型对风振响应的影响；输电塔结构的一阶振型μ1(z)随高度z指数变化：式中，βy为结构沿y方向的一阶振型系数；平均风剖面u(z)采用指数率，并取塔顶高度为参考高度，得到：u(z)＝uh(z/h)α(4)式中，uh为参考高度处的风速，α为地面粗糙度指数；S2、构建阻尼比解析模型将输电塔视为竖向一维悬臂结构，其结构的质量和刚度分布随高度发生变化，将结构随高度离散为n个自由度的多自由度体系，则其在随机风荷载的作用下的运动方程如下式：式中，M为结构的刚度矩阵，C为结构的阻尼矩阵，K为结构的刚度矩阵，x(t)为位移响应，D(t)为由随机风荷载作用；采用Morison公式计算单位高度处的瞬时风阻力D(z，t)为：式中，ρ为空气密度，u(z，t)为z高度处的瞬时风速，为结构在z高度处的速度响应，A(z)为z高度处的单位高度面积；将z高度处的瞬时风速u(z，t)视为由该高度处的平均风速和脉...

【专利技术属性】
技术研发人员：晏致涛，谭彪，杨小刚，刘欣鹏，孙毅，钟永力，王灵芝，聂小春，
申请(专利权)人：重庆科技学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50