随着经济快速发展与生产力的提高,全国各地对于电能的需求也随之增加,近年来,我国电力工业不断发展,电网规模也进一步扩大。为了保障变电站在雷雨恶劣天气下的安全与稳定运行,工程应用中通过安装独立避雷针将雷电流导入大地,以保护变电设备及其附属设施免遭过电压损坏。避雷针作为高耸结构,具有较大的长细比与较低的抗弯刚度,风荷载易使这类柔性结构频繁而强烈振动。钢管构架避雷针的圆形断面与传统的四角钢、三角钢相比,更易使结构在低风速下形成规则的漩涡脱落,进而发生横风向的涡激共振,同时当前规范未充分考虑脉动风特性,顺风向与横风向的往复荷载在长期作用下易使结构连接处的机械强度降低,甚至会使结构在薄弱位置处产生裂缝甚至断裂。近年来避雷针结构倒塌事故频繁发生,安全隐患重大。本文采用风洞试验结合现场实测等方式分析变电站钢管构架避雷针风荷载下振动特性,研究的主要内容如下所示:(1)为考虑避雷针顶端圆形截面的雷诺数效应与风荷载特性,设计并制作与顶部截面对应的足尺刚性测力模型与缩尺比为1:5的缩尺刚性测力模型,两端安装直径长五倍的端板以消除端部效应。湖南大学HD-2风洞高速试验段中模拟风场,试验风速设定0.5m/s至20m/s,分别测试了上述刚性模型在均匀流场、紊流度3.5%、紊流度6.5%三种风场下对顺风向与横风向底部荷载响应。并进一步研究了紊流度、雷诺数对避雷针风荷载参数中较为重要的斯托罗哈数,阻力系数,升力系数的影响。(2)本论文工程背景为新疆阿克苏渭干(库车南郊)某220KV高压变电站联合钢管构架避雷针,地处西北风环境复杂。为研究不同支座条件对避雷针结构动力特性与风荷载特性的影响,建立典型联合钢管构架避雷针、固定单悬臂钢管避雷针及A型底柱钢管避雷针的ANSYS有限元模型并进行动力特性对比分析。同时参考欧洲规范计算分析不同类型变电站钢管构架避雷针的起振临界风速、雷诺数、涡振振幅等涡激共振相关参数。(3)为更真实地模拟大气边界层紊流对避雷针特殊结构的影响,以新疆阿克苏渭干(库车南郊)变电站典型独立避雷针为原型,设计并制作了气弹模型。动力标定完成后进行均匀流场、紊流度3.5%、紊流度6.5%三种风场下的风洞试验,得到气弹模型在顺风向与横风向的底部荷载响应、顶部加速与位移响应,详尽对比分析各响应的脉动特性与频谱特性,计算避雷针结构顺风向荷载风振系数与位移风振系数,为规范取值提出相应的评价与建议。(4)实地考察阿克苏渭干(库车南郊)变电站工程现场,采用风速采集仪测得典型高度处变电站现场的风环境数据。在不同类型变电站钢管构架避雷针的顺风向与横风向不同高度处安装加速度传感器,通过锤击自由振动法与风环境激励法研究现场典型钢管避雷针动力特性,并对模态频率、模态阻尼比等参数进行详尽对比分析,并选取典型变电站独立钢管避雷针进行TMD方案设计。