输电塔—线体系的风振分析及其减振操纵

(武汉理工大学土木工程与建筑学院)

摘要：本文首先对的力学特性举办分析，指出目前输电塔—线体系的抗风安排的不敷，然后满堂评论辩论了风振分析的研究现状以及在实际分析、风洞实验、现场实测三方面输电塔—线体系的研究进展。末了评论辩论了目前输电塔—线体系在主动操纵、主动操纵、半主动操纵三方面减振操纵的研究进展。

关键词：输电塔—线体系 风荷载 振动分析 减振操纵

Wind vibr inquiries a goodd reducing vibr control of tra goodsmission tower - line system

(Civil engineering a goodd executive institute of Wuha good university of technology)

Abaloneytroperhmarketing chaudio-videoe always indeed beenpaign: First. . .to current tra goodsmission tower line - system . . .studying the mecha goodicing properties of tra goodsmission tower - line system a goodd suggesting the insufficiency of the wind-resistould like design . . . then discussed the wind vibr resemid-foot ( arch ) into the resemid-foot ( arch ) situ a goodd from the theoreticing inquiries. . . wind tunnel experiments. . . site meas well asured three key points to tingk resemid-foot ( arch ) progress. Finnumindeed ber one every singley from the pbumive control. . . on the go control. . . semi-on the go control resemid-foot ( arch )e to sthmarketing chaudio-videoe always indeed beenpaign the vibr control study in tra goodsmission tower - line system present.

Keywords: Tra goodsmission tower—line system Wind lomarketing chaudio-videoe always indeed beenpaign Vibr inquiries Reducing vibr control

引言:输电塔一线体系作为特高压输电线路的支持体，它是由导线、绝缘子和输电塔组成的具有激烈非线性的庞杂祸联体系。由于输电塔一线体系是一种挺拔柔性结构，对风荷载、地震作用、暴雪等的影响对比迟钝，易发作较大的动力反响，简略单纯发作破坏，如在2005年青海贵德县朵让乡拉脊山上的330千伏龙硝兰线因微风发生倒塔;2005年湖南电网多条输电线路因覆冰发生倒塔断线。这样的灾难会招致供电体例的瘫痪，紧要影响人们的分娩建设、生活秩序，而且还会发作庞大的次生磨难，给社会和国民的生命物业造成难以设想的后果。故对输电塔一线体系举办风振分析及减振操纵研究将是目前电力工程与土木工程界一个重要的研究课题，既有重要的实际意义，又有重要的经济价值。

1 输电塔—线体系的力学特性和安排伎俩

1.1 输电塔—线体系的力学特性

输电塔—线体系与通常的钢结构自立式播送电视塔这种空间桁架结构相比，最明显的特质是它是由导线和各个输电塔连接而成的连续体，包括有非线性很强的输电线。且由于输电塔挺拔、柔性性质，在荷载作用下，具有清爽明明的非线性行为，故对输电塔—线体系非线性的正确解决是准确计算的关键所在。即必需准确的研究非线性行为的力学分析。

输电塔架属于典型的空间杆件体例，其静力计算实际和伎俩都较为幼稚。钢芯铝绞线。

输电导线是罕见的悬索结构之一，常为钢绞线或钢芯铝绞线，其力学性质额外庞杂，资料非线性和几何非线性都额外明显。悬索结构的分析伎俩不妨分为两类:一类是连续伎俩，另一类是离散伎俩。连续伎俩适合于分析形态对比规则的大型预应力索网结构，而离散伎俩多用于分析形态对比庞杂或较松弛的悬索结构，及悬索同其它构件组成的组合结构。目前最常用的离散分析伎俩有直线单元法、抛物线单元法和悬链线单元法等。且与以往只研究导线舞动不研究输电塔的振动或研究塔的风振反响而不研究导线的祸互助用不同，目前越来越多的研究着手研究塔线在动力反响中的彼此作用[1]。对于钢芯铝绞线是绝缘的吗。

1.2 目前的输电塔—线体系的安排伎俩

目前除多数大跨越越输电塔一线体系结构外，其它输电塔一线体系的抗风安排通常采用准静态安排伎俩，即在安排基准期内，根据输电线路等级选取服从某种概率漫衍的最大平均风速作为荷载的安排圭表值，采用风振系数或阵风荷载因子研究风湍流的缩小作用. . .以等效荷载的形式举办结构安排。准静态安排对付呼称高度较低，输电回路繁多. . .湍流效应不明显的输电塔线体系具有轻便适用，安好贮藏偏于守旧的特质而得以沿用。并且，输电塔与输电线是隔离研究的。钢芯铝绞线和钢绞线2011年03月31日。首先计算输电线荷载，然后将其作为外力施加于输电塔上，由此再举办安排与计算，这样取得的计算结果和结构体系的实际就业状况还是有必然差异的。

但是，随着电网输电向超高压或特高压化开展，输电塔线体系趋于大型化，环境荷载效应发生了质的更改，主要发挥阐发为：(1)输电塔高度的增加. . .纵向刚度的低落. . .使其动力特性发挥阐发为挺拔结构的特征；(2)大跨越体系的导(地)线、绝缘子所占结构质量比增加，且与输电塔发生祸合振动. . .结构反响庞杂；（3）最新研究证据. . .降雨具有荷载属性，风雨配互助用造成的结构体系破好变乱更为一再。准静态安排解决此类结构分析显然生计局限性。于是. . . 对输电塔—线体系的风振分析举办特别深切研究尤为必要。[2]

2 输电塔—线体系的风振分析

柔性结构的风致振动有多种机理。对付挺拔结构主要是紊流风场中的迎风向反响；对付大跨结构，主要是发散性的颤振和驰振(气氛动力稳定题目)，非发散性的涡振和抖振。高压线路是集挺拔和大跨两种特性于一身的风迟钝结构体系。输电塔的风振反响主要是脉动风惹起的迎风向和横风向反响，导(地)线的风振反响主要有涡激振动、子导线振荡和驰振等几种形式。风对输电线路结构的作用由于风这种天然局面的不肯定性及线路各构件间的机关联系、构件自己的力学特性的多样性而显得额外庞杂。

2.1 风振分析研究现状

风荷载通常分为平均风(静力)和脉动风(动力)两局部. . .以往的实际研究多聚合于平均风. . .对脉动风则作简化解决。但是. . .由于输电线路漫衍地域的寻常性. . . 经受的风荷载随线路跨越地域地形和善候条件的不同而不同。在内地地域、季风多发的丘陵地域. . . 风随地形、地貌的变化呈现出不同的纪律性. . . 对输电线体系的动力反应也有明显分歧. . .Totherwise known lung burning as well ashlung burning as well ashi等的研究仍然证明了这些纪律。另外. . .风与强降雨的配互助用造成输电塔—线体系破好事例也已惹起科研就业者的关怀. . .对其作用机理还有待研究。在冰冷地域. . . 导线浮冰也是输电线路的外荷载形式之一，导线浮冰自己会增加导线的内力. . .浮冰的零落会破坏导线的稳定均衡而惹起导线的振动. . . 使导线发作内力增量；借使浮冰导线再遇风作用. . . 除导线发生弛振外. . . 还会发生塔—线耦合振动效应. . . 其力学特性更为庞杂。

高压输电塔架大凡为格构式钢塔. . . 其动力风荷载模型. . . 尤其是横风向与旋转挽回风荷载模型. . . 目前在国际外风工程界基础没有文献不妨查阅。仅有的一些迎风向风振反响计算文献. . . 也是在准稳态假定的前提下. . . 由迎风向紊流谱间接取得迎风向风力谱。

对付风荷载的计算，我国采用线路所在地的10分钟最大平均风速来计算风荷载。研究到风的脉动成分对结构的影响，并依据线路的重要性，引入了风振系数的概念调整基础风压，从而转换为等效静风荷载举办计算。对付导线的风振系数尚缺少同一了解，95钢芯铝绞线。故大都国度(包括我国)均未计入。由于脉动风荷载的庞杂性，等效静力风荷载的安排伎俩具有必然的局限性，对付各种满堂的塔架结构形式不具有普遍适用性。

动力风荷载须要始末实际和实验的伎俩，根据风特性、结构自振特性以及风和结构彼此作用的气动机能等三方面的参数本领加以肯定，于是，动力风效应分析的正确性和精度将联系到输电塔—线体系安排的合理和安好。目前输电塔线体系的风振反响研究伎俩主要分为三类:实际研究、风洞试验和现场实测。[3]

2.2 实际研究

1961年，Daudio-videoenport首先在 Liepma goodn抖振实际的基础上建筑了用于预算挺拔结构和高层建筑迎风向风振反响的“阵风荷载因子”法，同时提出了等效静力风荷载的概念。他的实际成为从此风工程领域的主要研究方向之一，是结构风工程研究的一个重要里程碑。

H.Max Irvine在《cinside a position structure》中周到论说了缆索振消息动力的分析伎俩。从研究与不研究输电线刚度两种状况，采用连续体模型分析了两端安稳输电线的动力特性。

S.Ozono等在大批试验分析的基础上提出了求解输电塔线祸联体系在立体动力特性的两种计算模型:在高频段，把输电线塔体系简化为塔线祸联摆动模型;在低频段，输电线塔体系立体内振动动力特性对比接近塔线多质点模型。对塔线体系立体内的振动特性举办了分析，并研究了塔线跨数，畛域条件等要素的影响。

H.Yas well asui用梁和桁架单元模仿输电塔，用桁架单元模仿导线与绝缘子，你看钢芯铝绞线和钢绞线2011年03月31日。采用时程分析伎俩计算了输电塔一线体系的风振反响。对比了不同畛域条件下输电塔一线体系动力特性的分歧，证明了采用时程分析伎俩所得的位移峰值比采用功率谱的谱分析伎俩时大。

Loerdo—souza等始末模型改进的伎俩，研究了输电导线与输电塔无法知足异样的几何相通系数的题目，并对输电线的气动阻尼和导线间的彼此影响举办了探讨。

20世纪90年代，Kor netersk指出DvaePnort定义为位移等效的静力风荷载法在计算弯矩、剪力等反响时误差过大，并对此提出了用“荷载反响相关”法计算背景等效风荷载。Hofmes在此基础上定义了新“阵风作用因子”概念，并给出了计算格构式自立塔架最大位移、弯矩和剪力的闭合公式。

在国际，李宏男等率先开展了高压输电塔线体系的地震反应研究。他们提出了一种简化的计算伎俩——多质点模型。梁枢果等在李宏男等的研究就业的基础上研究了节点纵向位移二阶小量的影响，并基于输电塔线体系属高柔结构、风荷载是主要荷载的特质，对输电塔线体系的动力特性和频域风振反响做了寻常地研究，以使多自在度模型能同时应用于地震微风振反响的计算。[3]

张旭日等以为导线的抗弯刚度对其低频振动的影响很小，秉承自重条件下的导线即为悬链线，在此基础上推导了无抗弯刚度弹性浅悬链线的立体高下振动微分方程及其大凡解，并用该解求得大凡传达矩阵，可解决纵情对称与阻挠称(绝对付悬链线最低点)浅悬链线。

马星等以H.Max Irvine的实际解析解为基础，提出了一种始末研究输电塔和导线动力相关联系，建筑整个别系的祸合振动方程来求解塔线体系风振反响的伎俩。

武汉大学的刘文杰等以 MSC.ADAMS为研究平台，建筑了研究初始垂度的输电线路的虚拟样机模型，分析了架空导线在简谐驱策下的非线性振动反响，研究证据，体例反响包括主振动和次谐波振动两个局部。

李宏男基于如图（1）所示的五种不同类型的实际输电塔举办地震微风振的实际分析和试验考证证据. . .输电塔线体系整体简化动力分析模型在分身体系剪切刚度和曲折刚度的同时. . .不妨在很大水平上进步计算效率. . .轻便可行。导线对输电塔的动力反响进贡水平会随杆塔档距的增加而增大. . .且随着地条件的变软亦有增加的趋向. . .其附加效应不容怠忽。[3]

图（1）

2.3 风洞试验

同济大学邓洪洲教授等曾在国度重点实验室风工程馆畛域层风洞举办了江阴大跨越输电塔线体系气动弹性模型风洞试验习，用自在振动法测得单塔和塔线体系的自振频次和阻尼比，举办了多个风速下单塔、塔线体系在匀称流场和紊流场中的风洞试验。始末对试验结果的分析，钢芯铝绞线重量表。透露了大跨越输电塔线体系动力特性微风振反响特质，为实际工程抗风安排提供了依据，并且还试验了多种振动操纵计划，测试了在匀称流场和紊流场中对模型风振反响的操纵效果。结果证据:与单塔相比，塔一线体系的自振周期略有进步;导线对塔架阻尼的影响额外明显;随着风速的增加，塔一线体系的非线性反响慢慢增强. [4] [5]

浙江大学付国宏、孙炳楠等遵从气氛动力弹性相通准则安排创造了某高压输电塔架气动弹性模型，在大气畛域层风洞及第办了风振反响的试验研究，获得了塔架风振反响等重要数据。

梁枢果等以广东罗江500KV输电线路为工程背景[1]，举办了塔线体系气弹模型风洞试验，研究了在挂和不挂导线以及不同来流风攻角下输电线对输电塔动力特性的影响。试验结果证据，无论挂导线与否塔体结构的加快度反响均随风速枯燥增加;对加快度反响谱举办分析浮现迎风向加快度反响主要来自第一阶振型的进贡。[6]

楼文娟、孙炳楠教授对椒江大跨越输电塔举办了风洞试验，学习为什么用钢芯铝绞线。研究了风速、风向角等要素，对脉动风作用下的横风向及迎风向的反响，并以此为基础作了数值计算分析，提出了输电塔架横风向反响的简化计算伎俩。[7]

2.4 现场实测

刘群等对漫湾—昆明500KV输电线路举办了野外现场实测，结果证据实测频次与不研究塔线祸联的计算结果相差较大。据此，他们建筑了一种弹簧支持导线模型，将瓷瓶简化为具有必然刚度的弹簧，并推导了导线振动的超越方程。该计算结果与实测值相当接近，并且结果证据导线自振频次实在不受畛域条件的影响。

何锃等以中山口大跨越豆剖导线为实际工程背景，钢芯铝绞线重量表。研究了导线静、动力特性的计算伎俩。他们基于悬链线模型法推导了三豆剖导线的单元矩阵，末了用无限元法计算了中山口大跨越导线铅垂面内的固有频次和振型，计算结果与实测基础一致。证据用无限元法为基础建筑大跨越豆剖导线的气动弹性模型，即舞动数学模型是有用而可行的。

西南电力安排院的李永双、左柳、张春艳针对大跨越导线的防振、防舞安排，从微风振动、次档距振荡和导线舞动的发作等方面罗列了国际外大批的统计数据，对500KV荆孝线汉江大跨越防振、防舞计划举办分析研究，从而为该工程的防振、防舞安排提供了依据。

同济大学的王肇民老师和他的研究生，以江阴大跨越为工程背景，对输电导线的微风振动举办了算例分析，并得出一些重要结论。同时对输电导线微风振动举办了参数分析，导线的振动与风速及悬挂高度、档距等要素相关。评论辩论了防御导线微风振动措施的原理。分析了导线舞动的造成机理。分析了豆剖导线尾流驰振的机理。

浙江大学的唐锦春教授和他的研究生针对己有的悬链线单元刚度矩阵中关于立体外刚度系数生计的不敷之处，用虚功原理推导了立体外刚度系数，为什么用钢芯铝绞线。使空间悬链线单元刚度矩阵得以完好。行使无限单元法和悬索振动的线性实际分析了输电线路塔索祸合体系的动力特性。

刘万群以广东崖门大跨越输电塔线体系为工程背景，始末模态分析取得大跨越输电塔线体系的频次和振型等动力特性，并始末与单塔、单根导线、无电梯井筒塔线体系等多种情形的结果绝对比，分析了体系中输电塔、导线、电梯井筒三者之间的彼此影响。[8]

3 输电塔—线体系减振操纵研究

3.1 减振操纵研究现状

由于输电塔线—体系具有柔柔的特质. . . 以往的减振措施主要是用一些简单的操纵元件. . . 或增大线路阻尼. . . 或减小豆剖导线档距. . . 到达操纵线路的大幅振动、减缓线路怠倦和破坏的宗旨。随着结构界限的陆续伸张. . . 其减振操纵理念由电力线路事故操纵转向结构体例磨难操纵；相应的操纵措施也由线路振动操纵转向结构体系振动操纵。

结构振动操纵实际在输电塔—线体系中的应用起步较晚. . . 处于初期开展阶段。在输电塔线—体系中完毕结构振动操纵主要有两条门路. . .一是始末更改脉冲反响函数h(t). . .即更改体例内在机能如阻尼（ξ）、频次（ω）或质量等的漫衍以减小结构的动力反响. . .如采用TLD、锚索等的操纵措施；二是始末减小结构物上的外驱策幅值F(t)来低落结构物的动力反响. . . 如主动气氛挡风板、气体脉冲发生器操纵体例等。

目前输电塔—线体系减振操纵主要基于两方面研究: 一方面根据结构物的动力特性. . . 选用恰当的隔震器、阻尼器等减振装置. . . 优化操纵参数. . . 到达最佳的操纵效果；另一方面. . . 研究荷载与结构反响特性. . . 建筑结构体系疏通稳定性的动力学判据. . . 用调整结构安排参数的伎俩到达操纵其振动失稳的宗旨。输电塔一线体系在基于结构操纵分为主动操纵、主动操纵和半主动操纵三方面，上面是的满堂的研究履行进展。

3.2 主动操纵

主动操纵有基础隔振、耗能、吸振三种。由于主动操纵无需外加动力，确实性好，易于在工程上完毕，于是对该技术的研究较早，看着钢芯铝绞线技术参数。实际研究和工程应用对比寻常。

目前，调频质量阻尼器（TMD）体例因其机关简单、造价低. . .故在挺拔结构工程方面取得了寻常的应用。澳大利亚1971年在324.8m的悉尼电视塔上装配了TMD体例用来减小电视塔第一振型和第二振型风振反应；加拿大1975年在553.5m多伦多电视塔上装设了两个小型TMD，操纵塔的第二和第四振型，使天线杆所受荷载减小。但是，TMD生计以下不敷：(l)只能用于操纵结构某个振型的反应，而且操纵效果对频次额外迟钝。(2)TMD的操纵能力无限。例如，当TMD体例附加的阻尼比不赶过4%时，其质量与被控振型狭义质量之比为3%。于是，对阻尼比稍大的结构，如钢筋混凝土结构，其操纵效果较差。(3)TMD会增大结构的竖向恒载，对输电塔的安排晦气。

同济大学的王肇民教授对嘉定电视塔和上海西方明珠电视塔做了振动操纵试验，并在一些电视塔上装配了TMD，钢芯铝绞线技术参数。取得了优秀的操纵效果. . .同时在输电塔—线体系方面的振动操纵也取得了必然的收获。

黄斌、唐家祥等以沿山头大跨越输电塔为工程背景[9]，研究了设置多个环形TMD对大跨越输电塔结构脉动风反应的振动操纵题目，并应用随机振动和多变量非线性优化伎俩对TMD装置的阻尼比举办了优化。在此基础上对装有TMD的输电塔结构举办了风振操纵模仿计算。入图（2）示

图（2）

胡松等依据输电线体例的机关特质，以江阴长江大跨越输电线路塔为工程背景，采用MTMD对其举办振动操纵研究。他们推导了研究两振型时的结构多点操纵的频次传达函数的显式，使得能迅速而准确地在频域内对结构举办振动操纵分析。

邓洪洲同等样以江阴长江大跨越为工程背景，采用4个TMD和VED对输电塔线体系举办联合操纵。计算证据，联合操纵对导线张力、塔顶位移和加快度均有不同水平的操纵效果，其反响最大值减小了10%一20%。操纵效果举办了时频域对比和确实性评价。

陈亦等采用MTMD和多个粘弹性阻尼器(VED)对江阴长江大跨越举办了联合操纵，VED和MTMD都有着明显且稳定的耗能效果。

李黎、尹鹏等开发了一种种橡胶铅芯阻尼器，并在特高压项目晋西北-南阳-荆门1000kV 汉江大跨越输电线路工程为研究背景举办了满堂的应用和分析，考证了阻尼器的操纵水平，取得了较好的效果[10]。

Bperformera等提出了一种非线性摆锤吸振器(NLPD)的安排伎俩，主要操纵输电塔的一阶模态振动。当NLPD的自振频次与结构迎风向一阶频次接近时，对一阶模态振动的操纵效果到达90%。[11]

3.2 主动操纵

主动操纵是一种力操纵型结构振动操纵手段。力操纵型是始末实时引入外界能量驯服外界驱策惹起的振动，操纵力全部或局部地根据反应信号遵从某一事前安排算法实时发作。

目前已有54座高层建筑、电视塔和大型桥塔结构(包括桥塔施工阶段的风振操纵)应用了HMD或AMD主动操纵体例，听听为什么用钢芯铝绞线。中国与美国互助研究于2001年完毕了南京电视塔风振操纵的AMD体例。但在输电塔—线体系中应用的还不多见。

3.3 半主动操纵

半主动操纵从实质上说就是一种变结构参数操纵型，变结构参数操纵始末静态更改结构参数举办操纵，满堂的说就是始末更改结构的刚度与阻尼而到达全局操纵的宗旨。

在土木工程领域，相比看钢绞线。第一个半主动应用操纵实例是在1983年由Hrovduring完成的。目前，半主动操纵已在高层建筑、电视塔、水坝、桥梁、飞机、车辆等领域内取得了大批的应用，在输电塔—线体系也已取得较大的开展。

陈波等人提出了一种适用于输电塔结构风振操纵的半主动冲突阻尼器力学模型. . .建筑了输电导线动力分析的多自在度模型. . .并建筑了塔线耦联体系的受控动力分析模型和动力分析伎俩。[12]

贺亚飞以殴江第三跨越直线高塔为背景[3]，对磁流变阻尼器的半主动操纵战术和效果举办了周到的分析计算，听说钢芯铝绞线是绝缘的吗。得出了一些有价值的结论。

4 评论辩论与瞻望

尽量对输电塔—线体系的的风振分析及其减振操纵研究已取得了必然的进展. . .但对付风振分析的力学模型的通用性不强，试验模仿和实际观测的数据误差较大，减振操纵实际的工程应用开展慢慢等许多题目仍需亟待解决。今后. . . 输电塔—线体系减振操纵伎俩研究该当基于荷载的随机性和结构反应的非线性. . . 由振型操纵向实时操纵方向开展。始末贯串输电塔线体系的结构特质. . . 进一步研究其磨难荷载作用机理与磨难成因. . . 对高压输电塔—线体系的安排、建设、强壮诊断和防灾减灾具有重要的迷信意义。

参考文献：

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