- 頭條學術簡報：輸電鐵塔分段模型的風洞試驗2019-11-08 作者：楊挺、謝從 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語廣東電網有限責任公司東莞供電局、華南理工大學電力學院的研究人員楊挺、謝從珍、劉智健、師留陽、朱文，在《電工技術學報》2019年第3期上撰文指出，輸電鐵塔是架空輸電線路中的重要電力設備，近年來我國沿海地區風致倒塔事故頻發。為了研究輸電鐵塔的風荷載特性，該文進行了輸電鐵塔分段全尺寸模型的風洞試驗研究。試驗分別以風速和迎風角為獨立變量，研究了分段鐵塔模型風荷載隨風速和迎風角的變化規律。結果表明：分段鐵塔模型的豎向風荷載在中低風速下隨風速變化符合指數規律，其系數與分段模型的類型有關；豎向風荷載隨迎風角變化符合正弦規律，且不同分段模型正弦函數的周期和幅值不同。用擬合函數推算中高風速下的分段輸電鐵塔豎向力，計算結果表明隨著風速增加，輸電鐵塔豎向風荷載呈一定的變化規律。研究結果可為輸電鐵塔防風防災提供理論依據。
輸電鐵塔是輸電線路的關鍵設備，也是保證電力輸送的重要環節。輸電鐵塔在強風作用下會出現桿件結構變形或斷裂，嚴重時發生整體結構倒塌，造成輸電線路損毀和大面積停電，給工業生產和人民日常生活帶來極大不便。
輸電塔線結構具有較強的幾何非線性，在風荷載作用下振動特性較為復雜，再加上風荷載本身的復雜性及隨機性等問題使得輸電塔線風致動態荷載理論計算無法實現。國內外學者和專家對風荷載進行了相應的研究，并取得了一定成果。目前研究方法主要有現場實測法、風洞試驗法、數值仿真計算法和理論分析法。
現場實測法最有效，但測量具有不確定性和隨機性，并且周期較長；風洞試驗法對風場模擬和風洞模型的設計要求較高，適于結構簡單、體積較小的物體，對于結構復雜的物體很難找到能夠滿足風洞試驗要求的材料，無法設計出相應的風洞模型，風洞試驗數據的可信度受到影響；數值仿真計算法通常借助有限元分析軟件，建立仿真模型，施加風荷載和設置邊界條件進行模擬，當仿真模型比較復雜時，邊界條件難以確定，且求解過程比較復雜，時間較長，無法預知是否可解；理論分析法利用風場經驗模型進行風場仿真，計算輸電線路的氣動繞流特性，該方法受限于經驗模型的準確性，未全面考慮風場的復雜流體效應，計算結果偏差較大。
針對目前輸電鐵塔風荷載研究方法存在的問題，本文提出一種分段輸電鐵塔模型的風洞試驗方法，選取全尺寸的分段鐵塔模型進行不同風速和迎風角下的風洞試驗，獲得了風荷載隨風速和迎風角的變化規律以及鐵塔整體風荷載豎向力分布規律。
本文采用的全尺寸分段模型試驗方法能夠彌補傳統的輸電鐵塔力學特性研究中縮尺風洞模型試驗和真型力學試驗的不足，研究成果可為輸電線路鐵塔防風減災提供理論依據。
圖1 輸電鐵塔分段模型
結論
本文采用風洞試驗研究了分段輸電鐵塔模型在不同風速和迎風角時的縱向風荷載，研究了分段輸電鐵塔模型的風荷載特性與風速和迎風角的關系，分析了不同風速下分段鐵塔的風荷載分布特性，結論如下：
1）分段鐵塔風洞模型豎向力隨風速的增加而單調增加，通過數據擬合分析可得到在低風速段近似符合指數變化規律，中高風速段符合線性變化規律。
2）分段鐵塔模型風荷載隨迎風角的變化而變化，近似符合正弦變化規律。考慮到受風面積與迎風角也近似符合正弦規律，說明分段模型的空間結構對其整體受力影響較小，而且不同分段鐵塔模型的豎向風荷載波峰或波谷對應的迎風角不同，說明在風向不定的實際狀況下輸電鐵塔的最大受力位置會出現較大的變化。
3）隨風速的增加，輸電鐵塔風荷載豎向力發生明顯變化。當風速較低時，豎向力最大值出現在輸電鐵塔塔腿處，且其值較小，不影響輸電鐵塔的安全運行；當風速較高時，輸電鐵塔各部分的豎向力都比較大，其中塔頂和地線橫擔部位受到的豎向風力最大，塔頂風速50m/s時豎向力將超過20kN。
4）輸電鐵塔的受力平衡狀態與其眾多冗余約束相關，對鐵塔局部結構的風荷載進行分析，能夠在一定程度上減少冗余約束的影響，使輸電鐵塔的風荷載特性研究更加精確化和系統化。
5）利用有限元仿真軟件Ansys對風洞試驗進行仿真計算，計算結果與風洞試驗結果有較大差異，考慮到仿真建模存在一定的局限性，因此全尺寸分段模型的風洞試驗結果對鐵塔防風研究具有重要意義。如何有效利用仿真與試驗研究結果有待于進一步開展工作。
