800kv拉線塔非線性響應(yīng)報(bào)告

緒 引 輸電鐵塔風(fēng)振響應(yīng)研究現(xiàn) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型研 風(fēng)振響應(yīng)分析方法研 風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試測(cè)研 風(fēng)荷載作用機(jī)理研 風(fēng)振系數(shù)的計(jì) 本文的主要研究?jī)?nèi) 風(fēng)荷載的數(shù)值模 引 風(fēng)的基本特 平均風(fēng)的表 脈動(dòng)風(fēng)的表 風(fēng)荷載計(jì) 脈動(dòng)風(fēng)模 自功率譜和互功率 風(fēng)速時(shí)程模 本章小 塔線耦合體系靜力風(fēng)荷載響 引 靜力非線性響應(yīng)分 拉線塔模型靜力分析說(shuō) 拉線塔靜力非線性分析及影 本章小 拉線塔動(dòng)力特性分 引 拉線塔力學(xué)模 模態(tài)分 單柱拉線塔動(dòng)力特性分 本章小 單柱拉線塔風(fēng)振響應(yīng)分 引 單柱拉線塔時(shí)程響應(yīng)分 單塔風(fēng)振響應(yīng)計(jì) 塔線體系風(fēng)振響應(yīng)計(jì) 單柱拉線塔響應(yīng)規(guī) 單柱拉線塔風(fēng)振系數(shù)取值研 本章小 主要結(jié) 參考文 輸電線路桿塔根據(jù)不同的工程背景和用途，輸電塔可以分為多種形式，但是單從結(jié)構(gòu)自身受力特點(diǎn)上來(lái)講，主要分為自立式（11）和拉線式（12）兩大類(lèi)型。自立式鐵塔主要靠四個(gè)塔腿固定在基礎(chǔ)上，而拉線塔主要靠幾個(gè)拉線來(lái)保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。由圖12可以看到，拉線塔主要由塔身與拉線組成，塔身通常采用格構(gòu)式桁架結(jié)構(gòu)，拉線數(shù)量一般超過(guò)四根且沿著塔高分層布置，拉線塔結(jié)構(gòu)的塔身就是靠這些拉線自立式鐵塔使用范圍最為廣泛，然而拉線塔比自立塔具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 圖1-1自立式鐵 圖1-2拉線式鐵20%~40%ZB1ZLMeLV拉V500kV成本低廉。因而世界上絕大多數(shù)國(guó)家在壓、特高壓等輸電線路中廣泛的采用拉線塔：比如南非Eskom公司將新型的拉線桿塔應(yīng)用于Atlene-Pagasus的壓輸電線路上，該項(xiàng)目最終節(jié)約253萬(wàn)，而且這種桿塔被應(yīng)用于多個(gè)400kV的輸電工程[2]；俄羅斯、1150kV的Chelyabinsh-Itat線路中應(yīng)用了大量的拉線塔，該工程最終節(jié)約了25%的鋼材[3]。法國(guó)、也有應(yīng)用拉線塔的先例，同時(shí)各國(guó)也開(kāi)始研發(fā)新型的拉線塔。將拉線式桿塔應(yīng)用于壓、特高壓輸電線路必然會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)1-1塔重1-3（存在預(yù)拉力13幾何非線性，拉線塔受力分析的主要在于拉線塔結(jié)構(gòu)的計(jì)算，在拉線塔結(jié)構(gòu)變形過(guò)程中，隨著塔身的擺動(dòng)，一側(cè)的拉線被拉緊，而另一側(cè)的拉線被放松，拉線的應(yīng)力與位移發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)的剛度也隨著不斷變化。對(duì)于拉線塔的靜力分析可查的文獻(xiàn)資料并不多見(jiàn)，對(duì)拉線塔的動(dòng)力分析更是鳳毛翎角。拉線塔由于索的存在，整個(gè)結(jié)構(gòu)偏柔，在風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)特性還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。目前各國(guó)對(duì)輸電桿塔的風(fēng)振計(jì)算中，采用的都是在靜力荷載的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)風(fēng)振系數(shù)，風(fēng)振系數(shù)綜合考慮了結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，其中包括風(fēng)速隨時(shí)間、空間相關(guān)性、結(jié)構(gòu)的阻尼特性等因素。風(fēng)振系數(shù)取值是否合理直接關(guān)系到輸電線路的安全性和經(jīng)濟(jì)性，由于輸結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型研模型、H.Yasul的梁和桁架模型、男的多質(zhì)點(diǎn)模型等。H.Irvine詳細(xì)闡述了纜索振動(dòng)動(dòng)力分析方法，采用的是連續(xù)體模型。針對(duì)兩端固S.ozono等塔線耦聯(lián)擺動(dòng)模型主要是針對(duì)體系動(dòng)力響應(yīng)在高頻階段的動(dòng)力量彈簧，整系可以看成多個(gè)輸電塔在頂部以無(wú)質(zhì)量的彈簧相連接而成。在低頻階H.Yasul等的梁和桁架混合模型是指將輸電塔系中輸電塔模擬為梁或桁架單男等將輸電塔簡(jiǎn)化為由多個(gè)集中質(zhì)量組成的串聯(lián)多自由度體系，將輸電線簡(jiǎn)化為由多個(gè)剛性連桿相連的集中質(zhì)點(diǎn)組成，輸電塔在頂部由連桿相連，就是輸電塔線體系的多質(zhì)點(diǎn)模型。依據(jù)能量原理，進(jìn)行輸電塔-線體系的動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，輸電塔-線體系作平面外橫向振動(dòng)和平面內(nèi)縱向振動(dòng)時(shí)分別將導(dǎo)線視為垂鏈和兩端固定的懸索[7-8]的影響。根據(jù)輸電塔-線體系的、大跨特點(diǎn)，對(duì)其在風(fēng)載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)做了廣泛的研究，該模型可同時(shí)應(yīng)用于方面的響應(yīng)計(jì)算[9]。對(duì)漫灣一500kV輸電線路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，針對(duì)是否考慮輸電塔與導(dǎo)線的耦聯(lián)風(fēng)振響應(yīng)分析方法研頻域法根據(jù)結(jié)構(gòu)的頻率特性間接揭示結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，結(jié)構(gòu)的激勵(lì)與響應(yīng)關(guān)系通過(guò)傳遞函數(shù)建立并借助變換求得響應(yīng)結(jié)果在結(jié)構(gòu)的風(fēng)振分析中，結(jié)構(gòu)輸入激勵(lì)為風(fēng)荷載譜，它按照隨機(jī)振動(dòng)理論，對(duì)結(jié)構(gòu)的微分方程進(jìn)行一些簡(jiǎn)化，并間接求解結(jié)構(gòu)響應(yīng)輸出，由于求解根據(jù)線性原理進(jìn)行疊加，因此頻域分析法只針對(duì)線性定常結(jié)構(gòu)，即線性結(jié)構(gòu)。實(shí)際上拉線塔幾何非線性特征較強(qiáng)，它的剛度矩陣隨著荷載的變化而改變，資料顯示，頻域法不能正確、真實(shí)的反映在風(fēng)荷載作用下幾何或材料非線性明顯的高聳柔性結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)[1]，如果采用頻域分析拉線塔的動(dòng)力特性可能帶來(lái)較大偏差。時(shí)程分析求解方法上的優(yōu)化，最初時(shí)域法在計(jì)算時(shí)間方面的已經(jīng)解決，對(duì)非線性江陰大輸電塔工程的大塔線體系為研究背景，采用非線性時(shí)程分析方法對(duì)其不同方向的風(fēng)荷載，討論了輸電線與輸電塔動(dòng)力耦合情況。郭勇[14]等對(duì)舟山大輸風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試測(cè)研aUa

E、慣性參數(shù)as、阻尼系數(shù)、雷諾數(shù)UDv佛羅德數(shù) 等[20]針對(duì)單桿式輸電塔-線體系的縮尺模型進(jìn)行了風(fēng)振響應(yīng)的氣彈風(fēng)洞試LoredoSouza等[21]根據(jù)氣彈風(fēng)洞試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)的要求，通過(guò)修正模型試驗(yàn)風(fēng)荷載作用機(jī)理研輸電塔常年在大氣中運(yùn)行，受環(huán)境載荷影響較大，比如恒載（重力，動(dòng)載（載荷可以視為靜載荷，是指大氣邊界層內(nèi)傳遞周期遠(yuǎn)大于輸電塔自振周期風(fēng)速形成的風(fēng)壓載荷；脈動(dòng)風(fēng)載荷可以視為動(dòng)載荷，是指大氣邊界層內(nèi)傳遞周期短且接近輸電塔由于脈動(dòng)風(fēng)的隨機(jī)性以及隨地域的廣泛性，以往對(duì)于輸電塔載荷的研究多集中于所以在輸電塔線體系風(fēng)振反應(yīng)中，既要考慮平均風(fēng)的影響，又要計(jì)入脈動(dòng)風(fēng)的動(dòng)力效mur[22-23]線體系動(dòng)力反應(yīng)顯著差別的重要因素。目前我國(guó)對(duì)于輸電塔的設(shè)計(jì)，計(jì)算風(fēng)載荷時(shí)采用的是線路所在地統(tǒng)計(jì)到的三十年1060m1.51.25vnport根據(jù)各國(guó)記錄的多次風(fēng)載荷，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的概念得出了典型的風(fēng)速譜，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各國(guó)的風(fēng)載荷模擬中。P(z)P(z)gm(z)(2n

（1- m(z)(2n

(z)1g [M]{y(t)}[C]{y(t)}[K]{y(t)}

[K]{y(t)}{P(t)}[M]{y(t)}M、C、K——分別為多自由度體系的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣y(t)y(t)y(t)——分別為不同質(zhì)點(diǎn)處的水平加速度、速度和位移

{P}eq[K[K[K][{},{},...{}...{}][,...

[[K]{}1q1,[K]{}2q2,...[K]{}jqj,...[K]{}nqn[——{q——{}n——第n階振型向量；qn——第n階廣義坐標(biāo)；n——自由度總數(shù)。 [K]{}(2n)2[M

[(2n)2q[M]{},...,(2n)2q[M]{},...,(2n)2q[M]{}

由式（1-8）在脈動(dòng)風(fēng)作用下，各質(zhì)點(diǎn)處的等效靜力風(fēng)荷載可視為各振型，取前面若干個(gè)）振型的慣性力作用

p(z)eq可視為有無(wú)窮多個(gè)（(或最大設(shè)計(jì))分布風(fēng)振慣性力pdj(z p(z)m(z)(2n)2(z) 上式中，己將qj(t)改為符號(hào)yj(z)表示

p(z)p(z)m(z)(2n)2

p(z)p(z)h(z)m(z)h(z)(2n)2

mz、hz——分別為為z高度處的集中質(zhì)量和與風(fēng)荷載相關(guān)的高度(z)表示，其表達(dá)式如下所示：(z)

P(z)Pc(z)Pd(z)1Pd

將式(1-11代入式(1-12m(z)h(z)(2n)2(z)g (z)

s

0

Sy1(z,g(2n)2m(z)(z)1 sz0

H

HHB(z

B(z)v(z)v(z)(z)(z)(z)(z)R(l,k,n)S

00 s

——m(z)h(z)(2n)2(z)g (z)

s

0

Sy1(z,g(2n)2m(z)(z)1 B(z)Msz 2HHB(z)B(

H1

00

ssv(z)v(z)(z)(z)1(z)1(z)Rxz(l,k,n)Sv(n)dzdzdxdxdng(2n)2m(z)(z)1 B(z)Ms HHB [

s B(z)v(z)v(z)(z)(z)(z)s

H1

Rxz(l,k,n)Sv(n)dzdzdxdxdn00 s——

進(jìn)一步代入v(z)v(z)及w

210 2g(2n)2m(z)(z)v

HHB(z

B(

(z)1 10

) )s

2

2

1B(z)M1

00

s1

1(z)1

H1

Rxz(l,k,n)Sv(n)dzdzdxdxdnSv(n)——f1 f1 2243010

f

4KV

0x1200f0V10——10m處的平均風(fēng)速；K——1-2；f——脈動(dòng)風(fēng)頻率(Hz)。表1- 地面狀 河灣、平

矮樹(shù)、 根據(jù)文獻(xiàn)[11]上式（1-16）可以改寫(xiě)為(z)1gm(z)a

szw0

mzA(z——zg 2~2.5a(zz(z)1

————z——z——上式中的脈動(dòng)增大系數(shù)H1(in)SfH1(in)Sf2 Davenport風(fēng)譜，式（1-19）

（1-

1S(n)f1S(n)f21

1111/(124/1；

2vv

1 n11

式（1-20）表明此時(shí)僅與及T21

0式（1-18）中的2g(2n

H

zz'

1

12

)(z)(z')R(z,z')dz'

H

SH2(z)dz0

1 2g2g

H

1zz' H12(z)dzH10

1(z)1(z')Rz(z,z')dz'dz

mB取做常數(shù)，即認(rèn)為質(zhì)量和迎風(fēng)面寬度不變，而實(shí)際高B進(jìn)行修正，修正系數(shù)B表達(dá)式為：BB 上式中Bz高度處的寬度與底部寬度的比值，而的取值和高聳結(jié)《送電線路大工程勘測(cè)技術(shù)規(guī)定》[27]規(guī)對(duì)于高度不超過(guò)50m的輸電鐵塔可按本規(guī)定對(duì)于總高度超過(guò)50m的鐵塔應(yīng)《送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[28]規(guī)當(dāng)塔高未超過(guò)60m時(shí)，桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)根據(jù)表（1-3）取值，全塔采用一個(gè)統(tǒng)到上逐段增大的原則進(jìn)行取值，但其平均值應(yīng)大于1.6，否則需進(jìn)行調(diào)整。1-3桿塔全高注：1.按線性插值法計(jì)算中間值；2.4~6《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[29]規(guī)z,lx(H),e1 l l(H) l(z)B1(,T2)(,H) B

0

z(, lx(0) lx(0)z,lx(H),e(,H

1 l l(H) l(z) 01(, 0

z(,Hz

z

BlB

lH H

1

,T2

,H

z,lx(H),e,,lx(z) 0 2 l

l(0)1

z 脈動(dòng)增大系數(shù)1

2 振型、結(jié)構(gòu)外形的影響系數(shù)分別建立了兩種塔型的拉線塔：利用框架單元在SAP2000環(huán)境中建立了拉線塔塔載的數(shù)值模擬方法，針對(duì)拉線塔的實(shí)際情況，利用Davenport風(fēng)速功率譜，選用線性濾波器AR法，編制了基于的脈動(dòng)風(fēng)AR法實(shí)現(xiàn)程序，準(zhǔn)確有效地模擬了采樣任意高度和時(shí)刻的風(fēng)速可因此可表示為平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速之和z,tVzfz,tVz——zf(zt)——平均風(fēng)的表

的影響，該高度的風(fēng)速為梯度風(fēng)速，高度為梯度風(fēng)高度，而一般建筑物都是在梯度風(fēng)Vz z

sz、Vz——zs、Vs————地表粗糙度系數(shù)。V

z

10Vz

lgzlg

lgzslg——脈動(dòng)風(fēng)的表橫風(fēng)向和垂直風(fēng)向的三維風(fēng)紊流，通常可在時(shí)域與頻域內(nèi)求解。根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)理論，脈動(dòng)風(fēng)的功率譜密度函數(shù)和相干函數(shù)是脈動(dòng)風(fēng)的兩大重要特性。L不1200，得出譜密度公式為見(jiàn)（1-16間的粘結(jié)力很小可忽略不計(jì)，則風(fēng)速和風(fēng)壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系可由根據(jù)w12

w————g————風(fēng)速(m/s)wwwfw——wf——

wrszw0——r——s——z——

zz

zz

350

HT其中，、HT按照統(tǒng)Davenport風(fēng)功率譜和相關(guān)函數(shù)計(jì)算出脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)速fztz按照平均風(fēng)指數(shù)計(jì)算公式V(z)

*Vs按照速度疊加公式(zt)V(z)fzt(z,按照F(t) sAs計(jì)算構(gòu)件上的風(fēng)荷載，其中As為構(gòu)件擋風(fēng)1.01.2。一般把隨機(jī)過(guò)程分為平穩(wěn)隨機(jī)和非平穩(wěn)隨機(jī)兩個(gè)過(guò)程，由此產(chǎn)生的隨機(jī)風(fēng)載荷模擬方法也是建立在這兩大類(lèi)的基礎(chǔ)上。對(duì)于風(fēng)速時(shí)程模擬方法目前主要有線性濾波法、諧波法和小波生成法。然后將其逐漸近目標(biāo)譜[35]。小波生成法基于小波理論，由Farge和Hayashi等[36-37]提出了由小波變換技術(shù)派生。（torgrivemethod）法以及自回歸（orgrsivemovingmethodA模擬精度較R38]R模型對(duì)其進(jìn)行了風(fēng)速時(shí)程相應(yīng)分析。等[39]利用編程實(shí)現(xiàn)了AR法脈動(dòng)風(fēng)的模擬，并應(yīng)用于江陰長(zhǎng)江大橋風(fēng)荷載的模擬結(jié)果表明效果較好和董石麟[40]采用多種不同的方法對(duì)[41]利用iul混合編程技術(shù)，編制了高壓輸電塔結(jié)構(gòu)的空間三維風(fēng)速時(shí)程模擬程序，并對(duì)輸電塔進(jìn)行了風(fēng)振響應(yīng)分析。舒新玲和周岱[42]R速時(shí)程曲線并在程序開(kāi)發(fā)上進(jìn)行了討論。董軍等[43]R層建筑脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程曲線樣本。李春祥等[44]同利用R模型在層建筑上驗(yàn)證了其osi等[45]針對(duì)空間結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)模擬，對(duì)AR模型中的一些參數(shù)取值進(jìn)行了優(yōu)化。張文富等[46]R模型模擬出來(lái)的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行R模型。。AR模型，對(duì)拉線塔的風(fēng)速時(shí)程數(shù)值模擬進(jìn)行深入的研究，并對(duì)模擬自功率譜和互功率f13353脈動(dòng)風(fēng)速譜是利用統(tǒng)計(jì)方法獲得的，獲得方法也很多，最著名、最常用的是f13353Kamimal

z,f

Simiiu

z,f

200

ff150530V2為地面摩擦VKV(z1n(zz)與地面粗糙度有關(guān)；其K0

fzVDavenport

2 x 22 z22

vz1vz2

f為頻率；Cx和CzEmilCx16；Cz10z1z2x1x2vz1和vz2為相應(yīng)空間兩點(diǎn)的平均風(fēng)xx2 y2 z2 f,x1,x2,y1,y2,z1,LxLy=50Lz=60

expf

三維相關(guān)性函數(shù)適用范圍較窄大多數(shù)采用的是Davenport建議的二相關(guān)性風(fēng)速時(shí)程模ARVxyzt為空間AR模型可表示為pVx,y,z,tkVx,y,z,t k

xi,yi,zi——空間第i點(diǎn)坐標(biāo)，i ,m，x、y、z為坐標(biāo)向量矩陣p——,pk——k,pt——Nt——求解AR模型需同時(shí)求解回歸系數(shù)矩陣和隨機(jī)過(guò)程向量NtVTxyz,tjtVx,y,z,tVTx,ppkVx,y,kppkRjtRjtppRjtRjtk

j

,,ppR0kRktR0kppkRktk ，有

R

為p1mm階矩陣，I

TI為mppRNR0kRjkt，其中R為p1mp1m階自相關(guān)Toeplitz矩陣kRt

pt

,pRijmt——mm階矩陣，i ,p1，j ,p1，m,p

Sijfcos2fdf

i,k

,當(dāng)ijSijf為脈動(dòng)風(fēng)速自功率譜密度函數(shù)；當(dāng)i,m ,m，jm

jSijfSijf

SiifSjjfrijf

SiifSjjf——rijf——vzivzj——分別為第i點(diǎn)和第j點(diǎn)的平均風(fēng)速由此可見(jiàn)，當(dāng)知道脈動(dòng)風(fēng)速自譜密度函數(shù)Siif和相干函數(shù)rijf時(shí)，便可以確Sijf的大小其次是獨(dú)立隨機(jī)過(guò)程向量Nt的求NtLnt

nt, ntT RN進(jìn)行CholeskyRNLT

L

L，L ，LL

i,jR R 2km

將求得的回歸系數(shù)矩陣和隨機(jī)過(guò)程向量Nt代入式（2-13，可以得到最終的ppVx,y,z,tkVx,y,z,t k1jtmjt

ppk

n1jtnmjt

jtk

脈動(dòng)風(fēng)速互功率譜密度函數(shù)SijfSiif和相干函數(shù)rijfAR模型系數(shù)矩陣RN的求解，可由Sijf代入方程（2-17）脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程Vx,y,zt的求解，可由隨機(jī)過(guò)程向量Nt代入式（2-23）根據(jù)上述過(guò)程，在環(huán)境下編制了生成脈動(dòng)風(fēng)的實(shí)現(xiàn)程序，程序界面如圖2-

2-1DavenportAR在、高聳建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，我國(guó)規(guī)范對(duì)于是否考慮風(fēng)振影響以及如何30m1.5的房屋結(jié)構(gòu)以及自振周期T0.25秒的塔架、桅桿、煙囪等高聳結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用風(fēng)振系數(shù)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)分別建立了單柱拉線塔的單塔模型（3-1）和塔線耦合體系模型（3-23-13-2。3-1拉 1e- 3-絕緣子 對(duì)于塔線體系，設(shè)計(jì)參數(shù)為：塔水平檔距為480m，導(dǎo)線弧垂為16.1m，地線弧垂屬性見(jiàn)表3-3與表3-4，導(dǎo)地線端部按鉸接處理。導(dǎo)地線用SAP2000自帶的cable單元3-3EαW外dANFC≤g3-4 符 數(shù) 單EEα地線 W外dAN設(shè)計(jì)參數(shù) 重力加速g絕緣絕緣子3號(hào)拉4號(hào)拉1號(hào)拉2號(hào)拉3-13-2單柱拉線塔塔-由于非線性分析結(jié)果一般不能疊加，而在設(shè)計(jì)階段，通常需要考慮若干荷載的組合。因此，可以先定義一個(gè)初始靜力非線性工況，來(lái)考慮幾何非線性的影響，并使其剛度矩陣作為其他線性分析的基礎(chǔ)，使得所有分析結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)是可以疊加的。本文通過(guò)S0（1）（2）P如下圖3-3為三塔四跨整體模型示意圖，為了更明確的表達(dá)單元和節(jié)點(diǎn)位置，拉右邊為后側(cè)。導(dǎo)線的兩端為鉸接，只限制導(dǎo)線的平動(dòng)。圖3-4中標(biāo)明單柱拉線塔的前號(hào)號(hào)張力張力前-前-前-圖3-4掛點(diǎn)詳位移。軸力的最大值是指單元在本身自重、導(dǎo)線自重以及風(fēng)荷載作用下的力。掛串位3-4。各工況的有限元計(jì)算結(jié)果如下表：3-50軸力軸力前-前-前-前-后-后-后-后-表3- 掛 絕緣子絕緣子 導(dǎo)線最 地線最 導(dǎo)線最 地線最前前-后-后-后-后-表3- 掛 絕緣子絕緣子 導(dǎo)線最 地線最 導(dǎo)線最 地線最號(hào)張力張力前-前-前-前-后-后-后-后-表3- 軸力軸力前-前-前-前-后-后-后-后-表3- 軸力軸力前-前-前-前-后-后-后-后-表3- 軸力軸力前-前-前-前-后-后-后-后-表3- 左右左右左右0456090-絕緣絕緣子串前側(cè)-左絕緣子串前側(cè)-右絕緣子串后側(cè)-左絕緣子串后側(cè)-軸力軸力0°大 45°大 60°大 90°大 - 工況圖3- 3135可以看出，大風(fēng)工況（33m/s無(wú)冰5°）絕緣子串軸力變90090°，其軸力依次增減小。前后前后前后前后0前后前后前后前后0456090- 斜弧斜弧垂/0°大 45°大 60°大 90°大 - 工況一跨-前一跨-后二跨一跨-前一跨-后二跨-前二跨-后三跨-前三跨-四跨-前四跨-從上表3-12與圖3-6可以看出中點(diǎn)斜弧垂在0°和45°大風(fēng)工況下，沿風(fēng)方向弧根據(jù)此前提供的各工況下斜弧垂的手算結(jié)果，-5°C16.1m，40°C18.6m，33m/s17m，而靜力計(jì)算所得三個(gè)工況-0.82%2%前后前后前后前后0前后前后前后前后0456090- 一跨一跨-前一跨-后二跨-前二跨-后三跨-前三跨-后四跨-前四跨-斜弧垂斜弧垂80°大 45°大 60°大 90°大 - 工況3-7各工況-地線中點(diǎn)斜弧垂（m）3-133-7045°大風(fēng)工況下，沿風(fēng)方向弧拉線塔塔作為一種多質(zhì)點(diǎn)多自由度體系，其動(dòng)力特性分析計(jì)算較復(fù)雜，有限元法作為一種普適方法，可以通過(guò)建立有限元模型進(jìn)行仿真分析得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。有SSS0。S0是由SI司開(kāi)發(fā)研制的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件，最初版本為SPilon經(jīng)過(guò)不斷的完善，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的版本，在交通設(shè)施、工業(yè)建筑、公共建筑等工程領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析技術(shù)?；赟P2000優(yōu)良的非線性計(jì)算表現(xiàn)，特別是S0對(duì)拉線塔的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。本章將根據(jù)有限元理論及分析方法，共建立了兩種動(dòng)力分析有限元模型，分別為：1）單柱拉線塔單塔有限元模型；2）單柱拉線塔塔線耦合體系模型。Y向位移Y向?qū)θ粫?huì)顯著影響到結(jié)果的準(zhǔn)確性。在SAP2000中索力的施加有三種方法：一是直接施加p力；二是指定索的初應(yīng)變；三是通過(guò)降溫法來(lái)實(shí)現(xiàn)。后兩種方法的索力必須存在方法，以cable單元模擬拉索的同時(shí)在索的上端施加要求大小的預(yù)應(yīng)力。方向?yàn)閆XY軸，其他模型不再進(jìn)行說(shuō)明。MXKX

M、K、

X、X分別為質(zhì)量矩陣、剛度矩陣、加速度向量和位移向量XsintX2sint2K2M

模態(tài)分析的任務(wù)就是求解上述方程，在SAP2000程序中提供了特征向量法和改進(jìn)Rita向量法兩種。特征向量法采用的是子空間迭代法，其特點(diǎn)是求解精度高；改進(jìn)Rita向量法由于所求的特征向量都與荷載有關(guān)，從而避免了不參與動(dòng)態(tài)響應(yīng)、對(duì)結(jié)用改進(jìn)的Rita向量法計(jì)算。單柱拉線塔動(dòng)力特性14-頻率周期1z2y34x5y678x9(a)一階振 (b)二階振(c)三階振 (d)四階振(e)五階振 (f)六階振(g)七階振 (h)八階振(i)九階振 (j)十階振4-1（0.007~0.013），H為56.7m0.397~0.737s1.222而拉線塔底部為鉸接，約束邊界的差異，用常規(guī)高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拉線塔可能帶來(lái)不妥，對(duì)拉線塔的風(fēng)振響應(yīng)分析顯得尤為重要。從各階振型可以看出，由于拉線塔塔底為鉸支座，使得塔架容易出現(xiàn)繞z軸扭轉(zhuǎn)和橫向振動(dòng)。500可以發(fā)現(xiàn)前面的模態(tài)均表現(xiàn)為輸電線的振動(dòng)，且自振頻率與僅對(duì)輸電線進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)的自振頻率很相近，這是因?yàn)樗€體系中拉線塔的剛度遠(yuǎn)大于導(dǎo)地線的剛度，模態(tài)求解中，塔線體系模態(tài)分析結(jié)果的低階模態(tài)均表現(xiàn)為導(dǎo)地線的模態(tài)，塔線體系與單塔128~1292（a）1T=（b）6T=（c）10T=（d）12T=（e）50T=（f）129T=（g）358T（h）495T（i）498T=4-2本章利用S0對(duì)兩種拉線塔（單柱、懸索）建立了有限元模型并進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明，拉線塔的下部呈收縮錐形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致容易出現(xiàn)塔繞高度方向扭轉(zhuǎn)，因此應(yīng)考慮增大塔底部結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，其次拉線塔更容易出現(xiàn)振型：橫向一階彎曲頻率有一定的降低。結(jié)合上節(jié)模態(tài)分析結(jié)果，單柱拉線塔更容易發(fā)生扭動(dòng)和橫向振動(dòng)，本章主要進(jìn)行0o（順導(dǎo)地線方向、90o（垂直導(dǎo)線方向、45o風(fēng)荷載作用下的風(fēng)振響p幾何非線性特性，因此采用非線性時(shí)程分析計(jì)算拉線塔的風(fēng)振動(dòng)力響應(yīng)。時(shí)程分析本質(zhì)上是對(duì)基本動(dòng)力微分方程的求解，SAP2000中提供了改進(jìn)的NewmarkWilson排列法Hiber-Huges-Taytor（HTT法法和ChungandHulbertHTTNewmarkSAP2000采用程序默認(rèn)的求解法。本文在計(jì)零的系數(shù)（0~1/3之間。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中結(jié)構(gòu)存在一定能量的耗散，能量的耗散通過(guò)阻尼來(lái)實(shí)現(xiàn)和定義。SAP2000的時(shí)程分析使用幾種方法定義結(jié)構(gòu)在數(shù)值程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算質(zhì)量比和剛度比阻尼，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，阻取0.02。本章對(duì)于單塔取0.03，塔線體系阻取0.04[46-47]單塔風(fēng)振響應(yīng)計(jì)14層，每一層一個(gè)加載點(diǎn)（5-111層（層數(shù)從塔底向上數(shù)5-1。層 加載點(diǎn)層

5-15-1面積 123456789本文以Davenport風(fēng)譜、風(fēng)荷載推導(dǎo)公式和基于工具箱編制了AR法程序，1033m/s；地貌類(lèi)別為B類(lèi)，0.16；k0.005N2048；計(jì)算階數(shù)，p4；tdt0.1s

計(jì)算時(shí)長(zhǎng)SUMT200s。以下各圖（5-2）90°風(fēng)模擬得到結(jié)構(gòu)在不同高度處脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)速時(shí)程曲線和模擬譜與目標(biāo)譜比較圖，限于篇幅只給36912層加載點(diǎn)速度速度0 功率譜功率譜密度5目標(biāo)0-- - -

頻率3速度速度0 功率譜功率譜密度5目標(biāo)0-- - -

頻率速度速度0 功率譜功率譜密度5目標(biāo)0-- - -

頻率9速度速度0 功率譜功率譜密度5目標(biāo)0-- - -

頻率5-2照風(fēng)荷載計(jì)算公式計(jì)算出各層風(fēng)荷載時(shí)程曲線。限于篇幅只列出90°大風(fēng)的第1層、3層、第7層、第9層、第11層和第13層加載點(diǎn)處的風(fēng)速時(shí)程（圖5-3a5-3f）和風(fēng)荷載時(shí)程曲線圖(5-3g5-3m。13791313荷7荷9荷（m）13荷5-31.21.41）90第位位2-x位移位移/ 時(shí)間/3位移位移/ 時(shí)間/4位移位移/ 時(shí)間/5位移位移 時(shí)間6位移位移 時(shí)間7位移位移 時(shí)間8位移位移 時(shí)間9位移位移 時(shí)間10位移位移 時(shí)間x位移位移 時(shí)間120位移位移 時(shí)間13層位移響應(yīng)時(shí)程5-4各層位移響應(yīng)時(shí)程第速速2速度速度03速度速度0 時(shí)間4速度速度0 時(shí)間5速度速度0 時(shí)間6速度速度0 時(shí)間7速度速度0 時(shí)間8速度速度0 時(shí)間9速度速度0 時(shí)間10速度速度0 時(shí)間速度速度0 時(shí)間12速度速度0 時(shí)間13

5-5加速加速度0 時(shí)間1加速加速度0 時(shí)間2加速加速度0 時(shí)間3加速加速度0 時(shí)間4加速加速度0 時(shí)間5加速加速度0 時(shí)間/6加速加速度0 時(shí)間7加速加速度0 時(shí)間8加速加速度0 時(shí)間9加速加速度0 時(shí)間加速加速度0 時(shí)間加速加速度0 時(shí)間加速加速度0 時(shí)間5-6從位移響應(yīng)（圖5-4、速度響應(yīng)（圖5-5）和加速度響應(yīng)（圖5-6）結(jié)果看出，單2）45-x0位移位移 時(shí)間/ 1-x0位移位移 時(shí)間/2-x20位移位移 時(shí)間/ 30位移位移 時(shí)間/ 40位移位移 時(shí)間/50位移位移 時(shí)間/ 60位移位移 時(shí)間/ 70位移位移 時(shí)間/8位移位移 時(shí)間/ 9位移位移 時(shí)間/ 10位移位移 時(shí)間/ 0位移位移 時(shí)間/120位移位移

13層位移響應(yīng)時(shí)程5-7各層位移響應(yīng)時(shí)程 .第速0速

.2速度速度0

.3速度速度0 時(shí)間/ 4速度速度0 時(shí)間/ 5速度速度0 時(shí)間/ 6速度速度0 時(shí)間/ 7速度速度0 8速度速度0 時(shí)間/ 9速度速度0 時(shí)間/10速度速度0 時(shí)間/ 速度速度0 時(shí)間/12速度速度0 13

5-8加速加速度 時(shí)間/1加速加速度0 時(shí)間/2加速加速度0 3加速加速度0 時(shí)間/4加速加速度0 時(shí)間/5加速加速度0 61加速加速度 時(shí)間/71加速加速度 時(shí)間/ 8加速加速度0 時(shí)間/ 9加速加速度0 時(shí)間/加速加速度0 時(shí)間/加速加速度0 時(shí)間/ 1加速加速度0 5-9從位移響應(yīng)（圖5-7、速度響應(yīng)（圖5-8）和加速度響應(yīng)（圖5-9）結(jié)果看出，單3）0-x位移位移50 時(shí)間/1-x543位移位移10 時(shí)間/2-x8765位移位移3210 時(shí)間/ 3-x8位移位移420 時(shí)間/ 4-x位移位移6420 時(shí)間/5-x位移位移50 時(shí)間/6-x位移位移50 時(shí)間/7-x位移位移50 時(shí)間/ 80

.9位位

.10//

.位移位移 時(shí)間/12位移位移 13

5-10

.第速0速

.2速度速度0

.3速度速度0 時(shí)間/4速度速度0 時(shí)間/ 5速度速度0 時(shí)間/6速度速度0 7速度速度0 時(shí)間/8速度速度0 9速度速度0 時(shí)間/10速度速度0 時(shí)間/ 速度速度0 時(shí)間/ 12速度速度0 13

5-11加速加速度0 時(shí)間/ 1加速加速度0 時(shí)間/ 2加速加速度0 時(shí)間/ 31加速加速度0 時(shí)間/41加速加速度0 時(shí)間/51加速加速度0 61加速加速度0 時(shí)間/71加速加速度0 時(shí)間/81加速加速度 時(shí)間/ 9加速加速度0 時(shí)間/ 加速加速度0 時(shí)間/ 1加速加速度0 時(shí)間/2加速加速度0 5-121010層）響應(yīng)減小，說(shuō)明拉索拉索對(duì)拉線塔的動(dòng)力行為起到了明顯的約束作用。塔線體系風(fēng)振響應(yīng)計(jì)1）9090o90o513、514515。

x位移位移 時(shí)間1x位移位移 時(shí)間2x位移位移 時(shí)間3x位移位移 時(shí)間4位移位移 時(shí)間5位移位移 時(shí)間6位移位移 時(shí)間7位移位移 時(shí)間8位移位移 時(shí)間9位移位移 時(shí)間10位移位移 時(shí)間位移位移 時(shí)間12位移位移 時(shí)間13

5-13第速速2速度速度0 時(shí)間3速度速度0 時(shí)間4速度速度0 時(shí)間5速度速度0 時(shí)間6速度速度0 時(shí)間7速度速度0 時(shí)間8速度速度0 時(shí)間9速度速度0 時(shí)間10速度速度0 時(shí)間速度速度0 時(shí)間12速度速度0 時(shí)間13

5-14第加加2速度速度03加速加速度0 時(shí)間4加速加速度0 時(shí)間5加速加速度0 時(shí)間6加速加速度0 時(shí)間7加速加速度0 時(shí)間8加速加速度0 時(shí)間9加速加速度0 時(shí)間加速加速度0 時(shí)間加速加速度0 時(shí)間加速加速度0 時(shí)間5-15（513速度響應(yīng)（514）和加速度響應(yīng)（515）整體上隨著塔高度的增高而增大。相比單塔動(dòng)力響應(yīng)來(lái)看，響應(yīng)規(guī)律有所不同，這是由于導(dǎo)、地線使輸電塔體系的質(zhì)量、剛度和阻尼有所增加，而使響應(yīng)變大；2）45-x0位移位移 1-x0位移位移 2-x0位移位移 30位移位移 4-x位移位移 5位移位移 6位移位移 7位移位移 8位移位移 9位移位移 10位移位移 位移位移 12位移位移 13

5-16 第0速度速度 2速度速度 3速度速度0 4速度速度0 5速度速度 6速度速度 7速度速度 8速度速度0 9速度速度0 10速度速度0 速度速度0 12速度速度0 13

5-17 第加速加速 2 度 度/0 3加速加速度0 4加速加速度0 5加速加速度0 6加速加速度0 7加速加速度0 8加速加速度0 9加速加速度0 加速加速度0 加速加速度0 加速加速度0 135-18（516速度響應(yīng)（517）和加速度響應(yīng)（518）整體上隨著塔高度的增高而增大。相比單塔動(dòng)力響應(yīng)來(lái)看，響應(yīng)規(guī)律有所不同，這是由于導(dǎo)、地線使輸電塔體系的質(zhì)量、剛度和阻尼有所增加，而使響應(yīng)變大，這點(diǎn)從下文中的風(fēng)振系數(shù)也可以反映；3）0-x8位移位移420 1

-x32位移位移10 2-x654位移位移210 3-x864位移位移0 4-x8位移位移420 5-x8位移位移420 6-x位移位移6420 70 8位位0 9位移位移 10位移位移 位移位移 12位移位移 13

5-19 第2速度速度 2速度速度0 3速度速度0 4速度速度0 5速度速度0 6速度速度0 7速度速度0 8速度速度0 9速度速度 10速度速度0 速度速度0 12速度速度0 13

5-20 第加速加速 2 度/0 3加速加速度0 4加速加速度0 5加速加速度0 6加速加速度0 7加速加速度0 8加速加速度0 9加速加速度0 加速加速度0 加速加速度0 加速加速度0 5-21（519速度響應(yīng)（520）和加速度響應(yīng)（521）整體上隨著塔高度的增高而增大。相比單塔動(dòng)力響應(yīng)來(lái)看，響應(yīng)規(guī)律有所不同，這是由于導(dǎo)、地線使輸電塔體系的質(zhì)量、剛度和阻尼有所增加，而使響應(yīng)變大；單柱拉線塔響應(yīng)規(guī)根據(jù)前面結(jié)構(gòu)時(shí)程響應(yīng)分析的結(jié)果，本節(jié)主要研究單柱拉線塔對(duì)不同風(fēng)向風(fēng)荷載5-25-225-35-235-2數(shù)層0大 90度大45012364956789單塔單塔90度單塔45度單塔0度塔線體系90度塔線體系45度塔線體系0度高度/高度/0 位移均方差/5-225-3層數(shù)0差9045012364956789單塔單塔90度單塔45度單塔0度塔線體系90度塔線體系45度塔線體系0度高度/高度/00.000.000.250.300.350.400.450.500.550.600.650.70加速度均方差/5-235-25-22可以看出：?jiǎn)嗡煌L(fēng)向和塔線體系對(duì)應(yīng)風(fēng)向的位移均方差變化規(guī)律相同。塔身相同高度的位移均方差在0度時(shí)響應(yīng)最大，說(shuō)明單塔塔身對(duì)于0o大風(fēng)位移響應(yīng)最為敏感；塔線體系90o相比單塔90o位移均方差整體偏大，說(shuō)明由于導(dǎo)地5-35-2390o風(fēng)向的加速度均方差變化規(guī)律相同塔線體系90o相比單塔90o加速度均方差要小說(shuō)明單塔對(duì)于0o大風(fēng)加單柱拉線塔風(fēng)振系數(shù)取值研須對(duì)脈動(dòng)影響系數(shù)用系數(shù)B、塔底寬度為零，若按規(guī)范方法無(wú)法對(duì)寬度修正系數(shù)B進(jìn)行取值，因此《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》無(wú)法對(duì)拉線塔風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。同樣，拉線塔頂部與底部寬度比2也無(wú)法1.767。5-4~5-9。5-4按照時(shí)程分析結(jié)果計(jì)算單柱拉線塔風(fēng)振系數(shù)（0°大風(fēng)

重量

(

1161915-5按照時(shí)程分析結(jié)果計(jì)算單柱拉線塔風(fēng)振系數(shù)（45°大風(fēng)

重量

(

1161915-6按照時(shí)程分析結(jié)果計(jì)算單柱拉線塔風(fēng)振系數(shù)（90°大風(fēng)

重量

(

116191

重量

(

116191

重量

(

116191

重量

(

1161915-24單塔單塔90度單塔45度單塔0度塔線體系90度塔線體系45度塔線體系0度高度/高度/0 風(fēng)振系數(shù)5-24根據(jù)程序的編制內(nèi)容可知，脈風(fēng)程序中已經(jīng)包含了平均風(fēng)的因素。其中最大值可以反映平均風(fēng)與脈動(dòng)風(fēng)之和的響應(yīng)，平均值可以反映平均風(fēng)的響應(yīng)。單塔與塔線體系不54555-657。5-1090高 平均 均方 最大 風(fēng)振系69 5-1145695-120695-1390695-1445695-150695-1669塔線塔線體系90°塔線體系45°塔線體系0°高度/高度/0 風(fēng)振系數(shù)5-25單塔單塔90°單塔45°單塔0°高度/高度/0 風(fēng)振系數(shù)5-265-4~5-95-24載規(guī)范》和《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》無(wú)法對(duì)拉線塔的風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行取值，而《送電設(shè)計(jì)要求，但過(guò)于粗糙，風(fēng)振系數(shù)沿高度上的變化情況。90o0o大風(fēng)作用下更能誘發(fā)其振動(dòng)。本章通過(guò)SAP2000對(duì)單柱拉線塔進(jìn)行了時(shí)程響應(yīng)分析，并按照不同的計(jì)算方法對(duì)對(duì)于單柱拉線塔這種下細(xì)上索約的結(jié)構(gòu)按照目前規(guī)范有如下不足對(duì)單柱拉線塔施加不同風(fēng)向，結(jié)果顯示0o大風(fēng)更能誘發(fā)其振動(dòng)本文利用SAP2000軟件建立了單柱拉線塔，首先討論了帶有拉索拉線塔模型（單AR濾波法編制了模擬脈動(dòng)風(fēng)生成程序，將數(shù)值模擬的風(fēng)荷載施加在拉線塔上進(jìn)行根據(jù)《送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定，拉線塔在60m以下，可以取1.767羅毅．南非Eskom電力公司在壓輸電線采用拉線式桿塔的研究[J]．中國(guó)電力中國(guó)電工特高壓輸變電技術(shù)團(tuán)．俄羅斯、超、特高壓輸變電技術(shù)發(fā)IrvineHM.CableStructure[M].Cambridge:TheMITOzonoS,MaedaJ.In-planedynamicinteractionbetweenatowerandconductorsatlowerfrequencies[J].EngineeringStructure,1992,14(4):210-216.YasuiH,MarukawaH,MomomuraY,etal. yticalstudyonwind-inducedvibrationofpowertransmissiontower[J].WindEng.Ind.Aerodyn.,1999,83(2):431-441.程與工程振動(dòng)，1990：10(2)，73-87．，，LiangSG,MaZX,WangLZ.AnysisofWindInducedResponsesforDashengguanElectricalTransmissionTower-LineSystemacrosstheYangtzeRiver[C].Procedingsofthe10thInternati