大跨越输电塔风振控制

橡胶铅芯阻尼器控制下大跨越输电塔风振反应分析华中科技大学土木工程与力学学院，华中科技大学控制结构湖北省重点实验室，湖北武汉430074027-87542431李黎尹鹏梁政平段松涛主要内容1研究目的、意义及国内外研究概况2工程背景和力学模型3阻尼器的设计及振动控制布置方案研究4塔线耦合体系在横风作用下的振动控制研究5结论§1研究目的、意义及国内外研究概况第1章研究目的及意义国内外研究状况本文的主要创新点§1研究目的、意义及国内外研究概况1.1研究目的和意义在我国，输电线路的风致振动导致输电塔强烈振动甚至倒塌之事时有发生。特高压输电线路是生命线工程，输电塔的强烈振动会带来安全隐患。对晋东南～南阳～荆门1000kV输电线路的汉江大跨越输电塔进行振动控制研究既有重要的理论意义，又有保证线路安全运营的现实价值。1.2国内外研究概况§1研究目的、意义及国内外研究概况国外：以美国和日本为代表的一些学者对塔线耦合体系的风致振动分析方法和振动控制措施作了研究，其中Battista等提出了一种非线性摆锤吸振器设计方法。国内：对塔的风振控制方面的研究起步较晚同济大学采用MTMD和VED对塔架进行联合振动控制研究，武汉理工大学对塔线耦合体系进行了动力特性影响因素的研究;§1研究目的、意义及国内外研究概况李宏男、梁枢果等提出了多质点简化计算模型，将输电塔简化为具有多个集中质量的串联多自由度体系，导线简化为多个集中质点，各集中质点之间由刚性杆相连，利用该模型开展了高压输电塔线体系的地震反应研究。并针对输电塔线体系属高柔结构，风荷载是主要荷载的特点，对输电塔线体系的频域风振响应做了研究;§1研究目的、意义及研究内容以沿山头输电塔为背景，研究了TMD对大跨越输电塔脉动风响应的振动控制问题；以王家滩输电塔为背景，通过计算和实测研究了加设VED的减振效果；以李埠输电塔为背景，研究了铅阻尼器对大跨越输电塔风振响应的控制问题；数值仿真了空间相关的输电塔脉动风速场；以塔坪桥大跨越输电塔为背景，运用有限元法分析了架空输电线路的顺风向动力响应。华中科技大学在输电塔的风振控制方面做了以下工作：§1研究目的、意义及国内外研究概况1.3本文的主要创新点编制了空间相关的脉动风速场模拟程序WVFM开发了适于用大跨越输电塔的橡胶铅芯阻尼器探索了橡胶铅芯阻尼器的最佳控制方案总结了橡胶铅芯阻尼器对大跨越输电塔的控制效果§2工程背景和力学模型第2章力学模型工程概况本文研究中取大跨越酒杯输电塔的呼高为168m，塔位地面标高47m；耐张塔的呼高为40m，地线挂点高72m；跨越形式为耐－直－直－耐，档距分配为706m－1650m－600m。§2工程背景和力学模型2.1工程概况导线型号：6×AACSR/EST—500/230地线型号：JLB20B—240，OPGW—250§2工程背景和力学模型39.06m60m45m38.5m13.8m181.8m84.5m58m本工程塔型采用单回路直线跨越塔和单回路跨越耐张塔，直线跨越塔中导线与边导线间的线间距离为29m，耐张塔为19m，两种塔的导、地线挂线点之间存在悬挂偏角，导线挂线偏角为1°，地线挂线偏角为1.5°。在单塔有限元建模时，利用ANSYS建立空间三维有限元模型，顺线方向（X方向），竖向（Y方向），横向（Z方向），共574个节点，塔杆采用1520个BEAM44单元模拟，塔底四角固结。§2工程背景和力学模型2.2力学模型在塔线有限元建模时，根据性能参数等效的原则，将导线6×AACSR/EST-500等效为一根导线，利用ANSYS建立空间三维有限元模型，顺线方向（X方向），竖向（Y方向），横向（Z方向）。考虑了三相导线和两相地线，此时模型共1698个节点，塔杆采用4116个BEAM44单元模拟，地线、绝缘串、导线共采用84个LINK10单元模拟，塔底四角固结。根据受力特点，地线、导线端处理成铰接。§2工程背景和力学模型§3阻尼器的设计及振动控制布置方案第3章各种阻尼器比选橡胶铅芯阻尼器的性能特点橡胶铅芯阻尼器数学模型橡胶铅芯阻尼器的构造和安装橡胶铅芯阻尼器布置方案金属屈服阻尼器将结构振动的部分能量通过金属的屈服滞回耗能耗散掉；摩擦阻尼器将结构振动的部分能量通过阻尼器中元件之间的摩擦耗能耗散掉；粘性液体阻尼器将结构振动的部分能量通过阻尼器中流体的粘滞耗能耗散掉；粘弹性阻尼器将结构振动的部分能量通过阻尼器中粘弹性材料的剪切变形耗能耗散掉。§3阻尼器的设计及振动控制布置方案3.1各种阻尼器比选§3阻尼器的设计及振动控制布置方案FdIJFdIJFdIJQslide+＝粘弹橡胶铅芯橡胶铅芯3.2橡胶铅芯阻尼器的性能特点橡胶铅芯阻尼器示意图本构关系示意图111-1断面图F粘弹橡胶铅芯中间钢板上下固定钢板螺栓孔充分利用了铅和粘弹橡胶两种材料的特点，具有较大的耗能能力；铅的力－位移滞回曲线近似为矩形，即铅在屈服前刚度无穷大，屈服后刚度为零，而橡胶的力－位移滞回曲线近似为一直线，且刚度较小，因此橡胶铅芯阻尼器具有较大的初始刚度和较小的屈服后刚度；橡胶铅芯阻尼器的性能稳定、在一定条件下受温度、频率和应变幅值等因素的影响较小；镶嵌在钢管的内侧，既不增加迎风面积，又不影响塔的美观；构造简单、造价低廉、施工方便。§3阻尼器的设计及振动控制布置方案§3阻尼器的设计及振动控制布置方案0.5Hz-2mm实验曲线：3.3橡胶铅芯阻尼器参数计算屈服前刚度较大，屈服后刚度较小；屈服后继续加载，荷载－位移曲线基本上为一直线；在屈服后卸载，初始卸载刚度较大，而后逐渐减小，直到反向加载屈服；滞回环两端较为丰满，随着循环次数的增加，滞回环几乎不发生改变；§3阻尼器的设计及振动控制布置方案由图可看出：k1k2QslideJI§3阻尼器的设计及振动控制布置方案橡胶铅芯阻尼器数学模型FdIJQslidek1+k2k2双线性数学模型：阻尼器采用弹簧-滑移单元COMBIN40模拟。单元通过两个节点、两个弹簧常数k1和k2（力/长度）和一个界限滑移力FSLIDE(力)进行描述。橡胶铅芯阻尼器的屈服剪力主要由铅芯提供，其计算公式为阻尼器的第二刚度主要由橡胶提供，其计算公式为其中，为橡胶的厚度，为橡胶面积，为橡胶的剪切模量。§3阻尼器的设计及振动控制布置方案橡胶铅芯阻尼器参数计算如下：28.54qyDQ28.04qyDQ2224rrDGSAGktrtrtrAG阻尼器的第一刚度为铅芯屈服前的刚度加橡胶刚度，其计算公式为其中，为铅芯的屈服位移。阻尼器的出力为：其中，为阻尼器的相对位移。§3阻尼器的设计及振动控制布置方案28.54qyDQrt12yyQkky2yyFQk§3阻尼器的设计及振动控制布置方案参数第一刚度k1(N/mm)第二刚度k2(N/mm)起滑力Qslide(kN)数值81.476.1422.6橡胶铅芯阻尼器参数橡胶铅芯阻尼器是由钢板、橡胶和铅芯组成，橡胶与约束钢板通过高温高压硫化为一体，铅芯成型后压入预留孔中。由上面的计算可得，本工程中所用的橡胶铅芯阻尼器的各参数如下：3.4橡胶铅芯阻尼器的构造和安装§3阻尼器的设计及振动控制布置方案橡胶铅芯阻尼器示意图在本工程中所用的橡胶铅芯阻尼器的尺寸和外形如图所示。§3阻尼器的设计及振动控制布置方案橡胶铅芯阻尼器安装示意图将橡胶铅芯阻尼器并联安装于塔杆上的钢管内侧，单个阻尼器的连接安装方式见连接安装示意如图所示。§3阻尼器的设计及振动控制布置方案阻尼器连接板示意图其中连杆的受力70kN，由于钢管两端的相对位移主要由阻尼器承担，要避免连杆的变形，就必须加大其截面尺寸，使其承载力达到出力的若干倍。连接钢板采用圆形连接板，其外形和尺寸如图所示，连接螺栓起固定和连接作用，采用8个M16。§3阻尼器的设计及振动控制布置方案ZBK跨越直线塔阻尼器安装图阻尼器的安装为了减少塔的风振反应，在ZBK跨越直线塔的曲臂主材内安装阻尼器，如图所示。由于阻尼器不能遇高温，必须在塔体镀锌完成后，才能与塔身主材焊接，焊接后涂环氧树脂富锌漆防腐。3.5阻尼器布置方案方案0—不加阻尼器方案1—塔头顶横担边缘杆件加16个阻尼器方案2—塔头上半部分边缘杆件加16个阻尼器方案3—塔头下半部分边缘杆件加16个阻尼器方案4—塔身上半部分四角杆件加24个阻尼器方案5—塔身下半部分四角杆件加20个阻尼器方案6—方案2+方案3共加32个阻尼器§3阻尼器的设计及振动控制布置方案ii,i=1~6方案结果－方案结果方案的减振率方案结果减振率定义：§3阻尼器的设计及振动控制布置方案A点为塔头根部节点，B点为塔头上、下部分相交点，C点为横担外边缘节点，D点为塔头节点，A’~D’点与A~D对称，皆为提取位移、速度、加速度关键点。钢管1为塔身顶部边缘杆件和钢管2为塔身底部边缘杆件，皆为提取内力部位的控制构件。返回33页返回39页4A’21B’C’D’ABCD1～5－－加阻尼器工况号A~D,A’~D’－－提取位移关键点钢管1,钢管2－－提取内力部位串长15米串长15米串长15米3235钢管1钢管2§4塔线横风作用下的振动控制研究1028/vms第4章风速场的数值模拟动风作用下塔线体系的的振动控制4.1风速场的数值模拟根据各态历经平稳随机过程的数值模拟理论，在FORTRAN环境里自行开发了空间相关的风速模拟程序WVFS(windvelocityfieldsimulation)。风荷载加载节点全在迎风面上均匀分布，共281点，其中两个塔上共140点，地线、导线上共141点。假设离地10m高度处的基本风速，其他高度处的平均风速按照指数律换算；§4塔线横风作用下的振动控制研究1028/vms1030/vms1030/vms§4塔线横风作用下的振动控制研究1028/vms各种型钢（角钢、钢管等）及其组合构件的风荷载体型系数一律取1.3，导（地）线的风荷载体型系数取1.1；受风面积取节点的有效受风面积，即节点控制范围内型钢及导（地）线的迎风面积；模拟目标谱取反映高度变化的Kaimal谱，谱频率分割为1024块；模拟时间步长0.25s，共4096步，总时长1024s。0300600900204060风速/m.s-1时间/s塔顶风速时程曲线4.2动风作用下塔线耦合体系的的振动控制§4塔线横风作用下的振动控制研究1）塔线体系在动风作用下的响应动风作用指平均风和脉动风共同作用在塔身和导（地）线上，根据式，将动风荷载iP作用在塔-线系统的节点上，进行动力时程分析，沿塔高的位移、速度、加速度响应如下表所示，表中的控制点A、B、C、D见阻尼器方案布置图。21()()2iisiiPtAvt§4塔线横风作用下的振动控制研究阻尼器方案关键点位移速度加速度最大值(cm)减振率(%)最大值(cm)减振率(%)最大值(cm)减振率(%)0A31.07--11.88--12.80--B58.11--21.77--22.35--C87.37--35.14--34.32--D110.26--45.13--42.15--1A30.960.3511.840.3212.462.66B57.840.4721.680.4220.299.19C86.780.6734.781.0333.711.79D109.400.7845.030.2240.613.672A30.232.6910.4811.8212.432.86B55.105.1718.6214.4922.041.36C79.519.0028.7018.3232.166.31D99.2110.0236.1519.8938.109.633A28.179.339.6818.5511.639.10B47.9117.5516.1126.0017.6521.01C73.2816.1226.3824.9226.2523.52D92.2416.3533.5025.7732.9621.81塔线系统控制点动力响应最大值及减振率§4塔线横风作用下的振动控制研究阻尼器方案