移动下击暴流风作用下输电线拟静力响应的理论方法

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下击暴流是一种在地面或近地面附近引起灾害性强风的局地极端强下沉气流。输电线路具有侧向柔性大、结构阻尼小和对风荷载敏感的特性,与大气边界层强风相比,下击暴流往往容易造成内陆地区输电线路体系的风灾倒塌事故。因此,亟待开展下击暴流风作用下输电线路的风振响应和荷载效应的研究。考虑到已有的实测、风洞试验以及数值模拟均表明脉动风的风振响应以背景分量为主,共振分量可以被忽略。故本文对移动下击暴流风作用下输电线的动力响应可以开展拟静力(背景)响应分析。本文主要进行以下的研究:
  (1)首先,采用雷诺平均方法对下击暴流风场进行了流体力学数值仿真,与已有的下击暴流平均风理论模型进行对比,选取最合适的平均风理论模型;并且确定了脉动风理论模型;考虑移动风速,通过风速矢量合成生成了输电线的移动下击暴流风场;并基于准定常假定,确定了输电线的移动下击暴流风荷载。
  (2)从输电线结构的静力平衡方程和变形协调方程出发,推导了任意风荷载作用下铰支输电线与输电线-绝缘子系统的力学模型;进一步,从理论上推导了下击暴流作用下输电线-绝缘子系统的非线性方程组,采用迭代法求解得到了绝缘子的张力和位移响应,考察了迭代方法、初始值对计算效率和精度的影响。将本文理论非线性算法的响应与已有文献的数值算法的响应,以及有限元方法的响应进行对比,从时程、极值、风振系数等方面分析,考察和验证了本文理论方法的效率及精度。
  (3)在上述非线性理论方法的基础上,推导给出了下击暴流时变平均风作用下输电线-绝缘子系统的线性化理论方程组。并与非线性解和有限元计算结果进行对比分析,考察了线性解的精确性;继而,分析推导了在脉动风(集中力)作用下,输电线-绝缘子系统的绝缘子纵向张力线性影响线、纵向位移影响线和以二者为基础的其他响应的影响线。通过影响线函数计算了脉动风荷载作用下输电线-绝缘子系统的拟静力响应,与有限元计算结果进行对比,验证了影响线求解方法计算输电线脉动风振响应的精确性。
  本文从非线性方法、时变平均风响应的线性方法,以及脉动风响应的拟静力方法三个层面系统地建立了移动下击暴流风作用下输电线路风振响应的理论计算框架。
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