大跨越输电塔风振响应及TMD减振效果研究

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大跨越输电塔是我国电能输送的主要载体,也是关乎国家命脉的重大工程。与通常输电杆塔结构相比,大跨越输电塔塔体更高、结构更柔,安全性更易受到风致振动的影响。本文以南阳-荆门-长沙1000k V特高压交流输变电线路工程中的长江大跨越输电塔为研究对象,运用气弹模型风洞试验和数值计算系统地研究了其风致振动响应以及振动控制方案。完成的研究工作主要如下:(1)对输电塔及塔线体系风振响应分析、振动控制方法的研究现状进行了综述,并介绍了此类研究的必要性。基于现有理论,提出了本文分析研究的主要方向和主要内容。(2)在有限元软件中运用梁单元、杆单元、质量单元对输电塔的杆件、绝缘子以及输电线等进行了模拟,依次建立了单塔结构、塔线耦合体系以及简化的塔线耦合体系模型。运用模态分析研究并对比了这三种结构的动力特性,为后续的风振响应计算和试验提供了依据。(3)为研究大跨越输电塔的风致振动响应结果,运用了数值计算和风洞试验并行的方法,得到了不同风向角下的风振系数以及塔身不同部位风振系数的变化情况,并与规范值相对比。对比了单塔结构和塔线耦合体系的位移响应和加速度响应,将响应划分为背景响应与共振响应,分析了两者的特性并结合了单塔、塔线耦合体系和简化塔线耦合体系的风振响应对比结果,得到了一些有益于实际输电线路工程设计安全性与可靠性把控的结论,并且为后续的减振TMD设计提供了指导和依据。(4)基于对大跨越输电塔的风振响应结果以及动力特性研究,设计了一种用于控制其第一阶弯曲振动模态的调谐质量阻尼器(TMD)。运用Den Hartog提出的方法进行TMD最优参数设计,并结合风洞试验和数值模拟计算,得到了在有无TMD工况下的风振响应对比。可知:在不同风向角和不同风速下,TMD均可以有效降低输电塔顶的位移和加速度响应,并且质量比范围在0.5~5%时,取值越大减振效果越好,但质量比为2%时较为经济。另外,对响应的时程结果进行频谱分析可以确定TMD对于输电塔共振响应部分的良好控制效果,从而也验证了参数选取的正确性。结合试验和计算,为大跨越输电塔结构提供了切实可行的风振控制方案,该方案为之后实际结构的阻尼器安装及使用提供了理论依据。
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