（机械电子工程专业论文）拉线式猫头输电塔线体系风振响应及风振控制研究.pdf

- i 一_il_l_-_ 一 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文a 论文作者签名：丝这日 导师签名：萄蕴 日 期：砂牟g 觌：? if 、缸怎 把线式猫头输电塔线体系风振响应及风振控制研究 摘要 摘要 高压输电塔线体系遍布全国，是一种应用极广的生命线工程结构。它的安全可 靠将直接关系到整个输电线路的安全运行。高压输电塔线体系有着塔体高、跨距 大、柔性强的共同特点，此外输电塔线体系的周期较长，较接近于风的卓越周期， 对风荷载十分敏感。这种输电塔线体系常常会因为风荷载而造成结构体系严重破 坏，从而导致整个供电系统瘫痪j 给社会经济带来重大损失。因此，对于输电塔 线体系，风荷载是一种极其重要的设计荷载，研究它在风荷载下的结构动力特性 响应及其相应的安全性已成为目前研究的热点。而拉线式猫头输电塔线体系由于 其特殊的结构，所以具有很强的几何非线性，导致其力学性质更加复杂，目前也 很少见到对它在风荷载作用下的结构动力特性响应及其相应的安全性研究。 本文首先建立了拉线式猫头输电塔线体系的有限元模型，对它进行模态分析， 得到了猫头输电单塔、拉线式猫头输电塔及拉线式猫头输电塔线体系的固有频率 及振型，结果表明拉索和输电线均对输电塔线体系整体的固有频率有影响。 其次对拉线式猫头输电塔线体系进行了风荷载作用下的动态响应分析，得到其 在0 0 、4 5 0 、6 0 0 和9 0 0 四种不同工况脉动风荷载作用下的位移、速度和加速度响应 值。结果表明，在该脉动风荷载作用下，输电塔线体系的振动位移、速度和加速 度最大值均过大，需要进行风振控制。 接着在介绍耗能减振技术研究应用与发展的基础上，主要介绍了磁流变阻尼器 的力学特性及动力学模型，并建立了该磁流变阻尼器修正b o u c w | e n 模型的 s i m u l i n l ( 仿真模型然后进行了力学性能仿真分析。 最后，通过模型简化计算方法得到拉线式猫头输电塔线体系侧向和纵向的总体 质量矩阵和总体刚度矩阵；并建立了拉线式猫头输电塔线体系各工况s i m u l i n l ( 风 振仿真模型。在研究结构半主动控制算法及磁流变阻尼器具体安装位置的基础上， 选择双态控制和模糊控制两种半主动控制方法对拉线式猫头输电塔线体系使用磁 流变阻尼器进行半主动风振控制，并建立相应的输电塔线体系各工况s i m u l i n l ( 风 振控制仿真模型，对控制效果进行分析对比，为拉线式猫头输电塔线体系的风振 控制提出了一个新的思路和实践。 摘要 拉线式猫头输电塔线体系风振响应及风振控制研究 关键词：拉线式猫头输电塔线体系；有限元法；风荷载；磁流变阻尼器；仿真； 双态控制；模糊控制 i i 作者：朱斌 指导教师：高强 ! ! ! ! 堕! ! ! 也! ：也! ! ! 塑里! ! 竺堡墨竺巴! 兰竺! ! 虫翌! ! 竺篁! ! ! ! ! ! 坐鱼! z 鲤竺! ! = ! 竺! ! r 竺! 竺i ! 墅! ! ! ! 兰竺! ! ! ! 墅堂翌 垒! ! ! 竺! s t u d i e so nw i n d i n d u c e dd y n a m i c r e s p o n s ea n d v i b r a t i o nc o n t r o lo fg u y e dc a t h e a dt r a n s m i s s i o n t b w e r - l i n es v s t e mlo w e r 。1 1 n e3 v s t e m a b s t r a c t h i g h v o l t a g et r a n s m i s s i o nt o w e r - l i n es y s t e mi sa l lo v e rm ec o u n t r y i ti sa l i f e l i n e e n g i n e e r i n gs t m c t u r ew h i c hi sw i d e l yu s e d i t ss a f ea i l dr e l i a b l ei sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h e 鼢f eo p e r a t i o no ft h e 、v h o l et r a n s m i s s i o ns y s t e m s h i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o nt o w e r 1 i n e s y s t e mh a sm ec o m m o nf e a t u r e so fah 追ht o w e r al o n gs p a na n das 协o n gf l e x i b i l i t ) ， a d d i t i o n a l l y ，t 量l ep e r i o do ft 1 1 e 缸a n s m i s s i o nt o w e r - l i i l es y s t c mi sq u i t el o n gw h i c hi s c l o s e rt 0t l l ep r e d o m i n a i l tp e r i o do ft h e 晰n d ，s oi ti sv e 叮s e n s i t i v et 0w i n dl o a d s t h e t i 锄s i l l i s s i o nt o w e 卜l i n es y s t e mi so 舭ns e v e r e l y a g e dd u et ot i 圮w i n dl o a d s ，a n d t l l e ni tc a u s e sm ep a r a l y s i so ft l l ee n t i r ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，w h i c ha r eb i gl o s s e st o m es o c i a le c o n o m i c s t h e r e f 0 r e ，f o rt m s m i s s i o nt 0 、e r - l m es y s t e m ，w i n dl o a d sa r e v e r yi i i l p o r t a i l td e s i g i li o a d s ，t 1 1 e 咖d i e so fi t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s r e s p o n s e s a i l d 鞠f e t 、ru i l d e rw i n dl o a d sh a 、r eb e e nt l l ef o c u s e so fc u l l r e n tr e s e a r c hd i r e c t i o 璐b e c a u s e g u y e dc a t - h e a d 缸彻s m i s s i o nt o w e 卜l i n es y s t e mh a st l l es p e c i a ls t m c t u r e ，i th 硒av e 巧 s t r o n gg e o m e t r i c1 1 0 n l m e a r i 够t i l a ti sl e a d i n gt 0 m o r ec o m p l e xm e c h 枷c a lp r o p e r t i e s ， b u tn o wt l l es t u d i e so fi t sd y n 锄i cc h a r a c t e r i s t i c s r e s p o n s e s 趾ds a f c t ) ，u n d e rw i n d l o a d sa r er e a l l yn o tm 锄y f i r s t l y ，af i n i t ee l e m e n tm o d e lo fg u y e dc a t h e a dt r a n s m i s s i o nt o w e r - l i n es y s t e mi s b u i l t ，锄dt 1 1 e nm o d a ia n a l y s i si sd o n e n a t u r a lf b q u e n c i e s 勰dm o d e so fd i a e r e n t m o d e l sa r ee x t r a c t e d ，s u c h 弱c a t - h e a dt r 2 u l s m i s s i o ns i n g l et o w e r ，g u y e dc a t - h e a d t 舢s m i s s i o nt o w e r 觚dg u y e dc a t h e a d 位m s m i s s i o nt o w e r - l i n es y s t e m t h er e s u l t s s h o wm a tb o t l lt h eg u y e d 孤dt 1 1 et r a n s m i s s i o nl i n ea 疏c tn a t u r a lf r e q u e n c i e so ft h e w h o l et m s m i s s i o nt o w e r i i n es y s t e m s e c o n d l y d y n 锄i cr e s p o n s e 锄a l y s i so fg u y e dc a t - h e a dt r a n s m i s s i o nt o w e 卜l i n e s y s t e mu i l d e rw i n dl o a d si sc a l c u l a t e d f o u rd i 行e r e n tc 嬲e so f 州n dl o a d si n c l u d i n g0 0 、 4 5 0 、 6 0 0a n d9 0 0a r ed i s c u s s e d ，a n dt h e nt h ev a l u e so fd i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o nr e s p o n s e sa r eo b t a i n e du n d e rt h e s ep u l s a t i n gw i n dl o a d s t h er e s u l t ss h o w l i i t l l a tt h em a x i m u mv a l u e so ft 1 1 ev i b r a t i o n d i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya i l da c c e l e r a t i o n r e s p o n s e so ft r a n s r i l i s s i o nt o w e r - l i n es y s t e m 蛐d e rt h e s ep u l s a t i n g 、撕n dl o a d sa r ea l lt o o l a 唱e ，s om ew i n d i n d u c e dv i b r a t i o nc o n n 0 l l i n gi sn e e d e d t h i r d l y a r e ri n 昀d u c i n gt h er e s e a r c h ，a p p l i c a t i o na n dd e v e l 叩m e n to fs e i s m i c e n e i g yd i s s i p a t i o n ，i tm a i n l yi n n o d u c e sm e c h a l l i c a ip r o p e i r t i e sa n dd y n a m i cm o d e l so f m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i dd 蜀l l t l p e r s ，t l l e ne g t a b l i s h e st 1 1 es i m u l a t i o nm o d e l 证s i m u l i n k b a s e do nm o d i f i e db o u c v m o d e lo ft h i sm a g n e t o r h e o l o g i c a jf l u i dd a m p e r ，a n da t l a s ti td o e st l l es i m u l a t i o na i l a l y s i so fm e c h a i l i c a lp r o p e r t i e s f i n a l l y ，o n es i m p l i f i e dc a l c u l a t i o nm e t h o di su s e dt 0o b t a i nt l l eo v e r a l lm a l s sm a 打i x a i l ds t i f r n e s sm 撕xo fg u y e dc a t h e a dt r a l l s m i s s i o nt o 、v e r - l m e s y s t e m ，a i l dt l l e ni t e 姐b l i s h e st i l es i m u l a t i o nm o d e lo fw i n d - i n d u c e dv i b r a t i o no f g u y e dc a t - h e a d 仃a n s l n i s s i o nt o w e r 1 i n es y s t e mu i l d e rd i 行b r e n tc a s e so f 谢n dl o a d si ns i m u l i n k b a s e d o nt h er e s e a r c ho fs e m i a c t i v ec o n 廿o l a l g o r i t l l m so fas t r u c t u r ea n dt 1 1 es p e c i f i c i n s t a l i a t i o nl o c a t i o l l so fm a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i dd 锄p e r s ，i tc h o o s e st w os e m i a c t i v e c o n n 0 lm e l o d s 、：h i c h 盯et l l ed u a l m o d u lc o n t r o la n dt l l em z z yc o n t r o lt 0c o n t r o lt l l e 埘n d i n d u c e dv i b r a t i o no fg u y e dc a t - h e a d 衄n s m i s s i o nt o w e 卜l i i l e s y s t e mb y m a g n e t o r h e o l o g i c a ln u i dd 锄p e r s ，醐dt h e ne s t a b l i s h e s t h ew i n d i n d u c e dv i b r a t i o n c o n 们ls i m u l a t i o nm o d e lo fg u y e dc a t - h e a d 打a n s m i s s i o nt o w e 卜l i n e s y s t e mu i l d e r d i 虢r e n tc a s e so f 谢n dl o a d si ns i m u l i m 【，锄a l y z e s 锄dc o m p a r e st 1 1 ec o n 仃0 le 腩c t s t h er e s u l t sp r o p o s en e wi d e a sa i l dp r a c t i c e sf o rm e 、析n d - i n d u c e dv i b r a t i o nc o n 仃o lo f g u y e dc a t - h e a d 妇n s m i s s i o nt 0 、v e r - i i l l es y s t e m k e yw o r d s ：g u y e dc a t - h e a dt r a n s m i s s i o nt o w e r - l i n es y s t e m ；f i n i t ee l e m e n tr n e m o d ； w i n dl o a d s ；m a g n e t o r h e o l o g i c a ln u i dd a m p e r ；s i m u l a t i o n ；d u a l m o d u lc o n 们l ；f u z 巧 c o n n o l i v 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 国内外研究现状2 1 3 工程背景5 1 4 研究内容及意义6 第二章拉线式猫头输电塔线体系模态分析8 2 1 概述8 2 2 有限元法简介8 2 2 1 杆单元9 2 2 2 梁单元1 l 2 2 3 索元1 3 2 3 拉线式猫头输电塔线体系模态分析。1 4 2 3 1 无阻尼自由振动方程1 4 2 3 2 模态提取方法16 2 3 3 拉线式猫头输电塔线体系的有限元模型1 8 2 3 4 拉线式猫头输电塔模态分析2 0 2 3 5 拉线式猫头输电塔线体系模态分析2 5 2 4 本章小结2 7 第三章拉线式猫头输电塔线体系风振响应分析2 9 3 1 概j 盔2 9 3 2 风的基本特性3 0 3 2 1 平均风速剖面3 2 3 2 2 平均风速与风向的概率密度函数3 3 3 2 3 脉动风速谱3 4 3 3 风荷载的计算与加载3 6 3 3 1 输电塔风荷载计算3 7 3 3 2 导、地线风荷载计算3 9 3 3 3 拉线式猫头输电塔线体系风荷载实际计算4 0 3 3 4 风荷载加载方式4 2 3 4 拉线式猫头输电塔线体系在脉动风作用下的动态响应分析4 3 3 4 1 动态响应方程及求解4 3 3 4 2 结构阻尼4 5 3 4 3 动态响应计算结果4 5 3 5 本章小结5 7 第四章磁流变阻尼器的力学特性及性能仿真。5 9 4 1 概述5 9 4 2 耗能减振技术的研究应用及发展5 9 4 2 1 传统的耗能减振技术5 9 4 2 2 智能材料及耗能减振技术6 1 4 3 磁流变阻尼器的特性及其力学模型。6 3 4 3 1 磁流变体的流变机理与本构关系6 3 4 3 2 影响磁流变体性能的因素6 5 4 3 3 磁流变阻尼器阻尼力计算模型6 6 4 3 4 磁流变阻尼器动力学模型6 8 4 4 磁流变阻尼器力学性能仿真分析7 2 4 4 1m a t l a b s h n u l i l l l ( 简介7 2 4 4 2 磁流变阻尼器力学性能仿真分析7 2 4 5 本章小结7 7 第五章基于磁流变阻尼器的拉线式猫头输电塔线体系风振控制7 9 5 1 概述7 9 5 2 拉线式猫头输电塔线体系结构风振控制8 0 5 3 拉线式猫头输电塔线体系简化力学模型及风振仿真一8 l 5 3 1 拉线式猫头输电塔简化刚度矩阵8 l 5 3 2 拉线式猫头输电塔线体系侧向( x 向) 振动简化模型一8 3 5 3 3 拉线式猫头输电塔线体系纵向( y 向) 振动简化模型8 5 5 3 4 拉线式猫头输电塔线体系风振仿真8 9 5 3 5 拉线式猫头输电塔线体系磁流变阻尼器风振基本控制方程9 8 5 4 拉线式猫头输电塔线体系磁流变阻尼器半主动控制研究9 8 5 4 1 基于位移和速度方向的半主动控制算法9 9 5 4 2 基于模糊控制的半主动控制算法1 0 l 5 4 2 1 模糊逻辑理论的基本概念1 0 l 5 4 2 2 模糊控制系统的基本原理及构成1 0 4 5 4 2 3 模糊控制器具体设计1 0 5 5 5 拉线式猫头输电塔线体系各半主动风振控制效果分析1 0 9 5 5 1 拉线式猫头输电塔线体系磁流变阻尼器具体安装位置1 0 9 5 5 2 拉线式猫头输电塔线体系各半主动风振控制效果分析。1 ll 5 6 本章小结l l5 第六章总结与展望1 1 6 6 1 总结l l6 6 2 展望1 17 参考文献1 18 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文1 2 6 致谢。l2 7 拉线式猫头输i 乜塔线体系风振响应及风振控制研究 第章绪论 第一章绪论弟一早三百 下匕 1 1 研究背景 随着我国经济快速发展以及城镇化进程的不断推进，工业生产和居民生活对电 能的需求量增长日益强劲。由于能源资源分布的不均匀以及经济发展的不平衡性， 中、西部拥有丰富的电能，但是电力消耗巨大的地区却是东部沿海发达地区，所 以就需要将电力从中、西部通过远距离、大容量、跨地区地输送到东部沿海发达 地区。高压输电塔线体系通常是指由高耸输电塔，钢芯铝绞导( 地) 线，绝缘子 及金具等共同组成的，主要用于高压、超高压或特高压输电的连续架空结构体系。 高压输电塔线体系作为高压电能输送的关键载体，在实现电能的远距离、大容量、 跨地区的输送过程中起着非常重要的作用。 我国高压和超高压输电线路建设始于上世纪5 0 年代初，国内第一条2 2 0 k v 输 电线路是在东北地区兴建的；7 0 年代在西北地区建成了3 3 0 k v 的输电线路：8 0 年 代又建成了多条5 0 0 k v 的输电线路。目前在运行的超高压5 0 0 k v 输电线路已有将 近2 0 0 0 0 公里，还有更多的2 2 0 k v ，3 5 0 k v 的输电线路正在运行。本文中的研究 对象镇江5 0 0 k v 江晋线就是其中一条重要电力生命线。 高压输电塔线体系是高压输电线路中的重要环节，它的安全可靠将直接关系到 整个输电线路的安全运行。通常情况下，高压输电塔线体系有着高耸的塔体和大 跨度结构的共同特点：即塔体高、跨距大、柔性强，所以具有很强的非线性，且 力学性能复杂。 在风的顺风向时程曲线中，包含长期部分和短期部分。平均风就是在风的顺风 向时程曲线中的长期部分，其值通常在1 0 分钟以上，作用性质相当于静力。脉动 风就是曲线中的短期部分，持续时问通常在几秒左右，它是由于风的不规则性质 引起的，强度随时问按随机规律变化。由于它周期接近结构的自振周期，因而其 作用性质是动力的，会引起结构的振动。输电塔线体系常常会因为这种脉动风荷 载而造成结构体系严重破坏，从而导致整个供电系统瘫痪，给社会经济带来重大 损失。因此，高压输电塔线体系在风荷载下的结构动力特性响应及其相应的安全 性已成为目前研究的热点。 2 0 0 9 年6 月1 4 日，雷暴大风袭击江苏，镇江人港开发区王巷村附近的5 0 0 k v 江晋线镇江段五基拉线式猫头输电铁塔倒伏，一基受损( 图1 1 ) 。江晋线足江苏 l 第一章绪论扎线式猫头输电塔线体系风振响应及风振控制研究 5 0 0 k v 北电南送四条跨江通道八回线路之一，是最早的5 0 0 k v 跨江输电人动脉。 线路突然跳停使江苏电网5 0 0 k v 北电南送通道的稳定输送能力下降了7 0 万千瓦。 与此同时，江苏电网正值迎峰度夏时期，江苏省最高用电负荷却已接近4 0 0 0 万千 瓦，这对整个江苏电网产生了非常严重的影响。 图1 1 镇江五基拉线式猫头输电塔倒伏事故现场 1 2 国内外研究现状 目前国内对于高压输电塔线体系的研究主要集中在以下两个方面：一是关于 高压输电塔线体系的动力特性分析研究，例如：屈成忠等主要对5 0 0 k v 猫头塔 进行了动力学特性研究，通过计算模型的前6 阶自振周期及其振型研究输电塔结 构的动力特性，重点分析了横隔面和交叉斜材的刚度对输电塔模态的影响；李海 旺等f 2 】主要是对输店塔塔架的动力学特性做了研究，以考虑不同的裹冰厚度对塔架 动力特性的影响；李宏男等【3 】主要是对大跨越输电塔体系做了动力特性方面的分析 研究；张益国等”j 主要是对拉线式输电塔进行了动力特性分析。 因为输电塔线体系受风荷载的影响较大，如果不加以注意可能会产生严重的 后果，故目前另一个研究的比较多的就是对高压输电塔线体系的风振响应研究以 及相应的风振控制，例如：苏速等1 5 j 主要针对江阴大跨越输电塔线体系设计了风洞 试验模型和调谐质量阻尼器( e dm 舔sd 锄p e r 简称刑d ) 控制器进行风振控 2 拉线式猫头输电塔线体系风振响应及风振控制研究 第章绪论 制研究；黄斌等【6 】也是使用了调谐质量阻尼器( t m d ) ，讨论了不同高度多个t m d 对大跨越输电塔结构脉动风反应的振动控制；郭勇等【7 】以舟山大跨越输电塔为工程 背景，针对塔线耦合体系背景响应与共振响应各自的特征，进一步研究了塔线体 系风振响应的频域简化分析方法。通过与单塔风振响应的比较，明确了塔线耦合 作用对两种响应分量所造成的不同影响。并选取粘弹性阻尼器( v e d ) 为被动耗 能装置来进行塔线体系的风振控制；陈亦等【s j 主要采用多个多重调谐质量阻尼器 ( m t m d ) 和粘弹性阻尼器( v e d ) 对主塔架进行联合控制，输电线路塔在m t m d 和v e d 联合控制下，减振效果良好。v e d 的耗能效果显著且稳定，而m t m d 在 选取合适的阻尼比和自振频率时也能起到明显的制振作用；邓洪洲等【9 以o l 主要通过 模型风洞试验和对大跨越输电塔线体系风振控制设计计算，研究了江阴大跨越输 电塔线体系动力特性和风振控制等；尹鹏等i l i 】以向家坝一上海、锦屏一苏南士8 0 0 k v 特高压直流输电线路工程为例，介绍了橡胶铅芯阻尼器在一般线路输电塔风振控 制中的应用，得出输电塔线体系采用橡胶铅芯阻尼器后风荷载调整系数得到有效 减少且减少率沿塔高逐渐增大的结论；尹鹏等【l2 j 以晋东南一南阳一荆门l o o o k v 输 电线路中最常用输电塔为例，采用了双层粘弹性材料和铅组合的粘弹铅芯阻尼器 对其进行风振控制，计算结果表明，所设计的控制系统达到了很好的减振效果； 郭勇【1 3 l 工程背景取自舟山大跨越输电塔，建立了塔线耦合体系的空间有限元模型， 对它进行风振响应时域分析和试验研究，针对塔线体系的动力特性，采用被动耗 能装置一粘弹性阻尼器对体系的风振响应进行了振动控制研究，重点讨论了阻尼 器的位置优化问题，结果表明取得了较好的减振效果；殷惠君i l4 j 以岗市一长江 5 0 0 k v 输电线路湘江大跨越为工程背景，采用两种不同的模型研究了该工程在风 荷载作用下的动力反应，并在输电塔上设置被动常力单轴摩擦阻尼器振动控制系 统，减小它的风振反应，研究表明，作为一种结构简单、造价低廉的耗能减振装 置，摩擦阻尼器可以有效地抑制塔架结构的风振反应：国内也有瞿伟廉等1 1 5 】在详 细地说明了磁流变阻尼器的智能特性和力学模型的基础上，提出了磁流变阻尼器 对高耸结构风振半主动控制的基本理论，建立了磁流变阻尼器对电视塔、输电线 塔和桅杆等高耸结构风振半主动控制的设计方法，分析表明：磁流变阻尼器对高 耸结构风振反应的智能控制技术具有较好的减振效果，是一种具有广泛应用和推 广价值的高耸结构的抗风技术；陈波等i l6 】主要研究了输电塔线体系基于磁流变阻 尼器的风致振动控制问题，并提出一种固定增量半主动控制策略，数值分析表明， 3 第章绪论拉线式猫头输电塔线体系风振响应及风振控制研究 磁流变阻尼器有效地抑制输电塔结构的风振反应：通过合理地选取磁流变阻尼器 及可控磁流变体的参数，可以获得最佳的减振效果。 楼文娟等【l7 】根据制作的全塔气动弹性模型对塔线体系的风荷载及风振响应进 行风洞试验研究，得到了风振响应和风振系数等研究的结果，考虑风与结构耦合 作用的影响，在频域中进行随机风荷载作用下的风振响应数值计算分析。结果表 明，在该类输电塔线体系结构的设计计算中，应同时考虑顺风向和横风向的风振 力。但在目前的荷载规范及输电铁塔设计规范中，都未考虑大风时的横风向风振 力。同时付国宏、孙炳楠【博】也证明了在该类塔架设计时应同时考虑顺风向和横风 向风振力作用。 国外的高压输电塔线体系动力特性和风振响应控制研究要普遍早于国内的研 究情况。如m l l u 等1 1 9 】主要是使用混合章动阻尼器来控制舞动的输电线路； h u i 等【2 0 j 通过时域分析方法得到了输电塔线体系的风振响应，论文中将输电塔 线体系中的导线、绝缘子和输电塔进行了简化处理，并比较了自立式和拉线式输 电塔线体系动力特性的差别，此外，对于输电塔线体系气动阻尼的确定文中提出 了一种更简单的新方法；a s 。础c h 砌s o n 等1 2 l 】主要是讲了一个适用于单导线的简单 程序，能够计算比较出能量进出的值，通过这个过程就可以给导线选择一个的合 适的初始应力值而省去使用外部阻尼器；h m a xi r v i n e 掣2 2 j 采用连续体模型，对两 端固定的缆索的动力特性根据缆索振动静动力的分析方法进行了分析，对于缆索 的刚度分别进行考虑和不考虑这两种情况下进行了推导和计算。目前国内外学者 在采用离散化模型计算输电导线动力特性时，一般均将此连续体模型计算结果作 为精确解来检验计算精度，并运用到输电塔线体系动力特性的计算中；s 0 2 0 n 0 等 【2 3 】通过对大量的试验进行分析，从而提出了输电塔线耦联体系平面动力特性求解 的两种计算模型：在高频段，整体可以看作为塔线耦联摆动模型，其中导线可以 简化成无质量的弹簧，输电塔可以简化成悬臂杆，并把它的质量集中于顶部，这 样输电塔之间就由无质量的弹簧相连；在低频段，塔线多质点模型可以很好的描 述输电线塔体系平面内振动动力特性。s o z o n o 从理论上分析了这种简化方法的合 理性及可行性，并对低频下导线、塔振动的行为进行了研究；分析了塔线跨数、 边界条件、导线的质量和垂跨比对塔线体系在平面动力特性的影响，探讨了塔线 耦联对输电塔和导线振型的影响。 在输电塔线结构的设计分析中，已经有很多的国内外研究人员注意到了输电塔 4 拉线式猫头输电塔线体系风振响应及风振控制研究第。章绪论 线之间的耦合作用这方面的问题，国外如上面提到的s o z o n o 的论文，国内如上 面提到的尹鹏、郭勇等的论文，还有刘群等1 2 4 】研究了现场实测塔架和导线的耦合 现象，并对其发生机理进行了探讨。实测结果表明塔线耦联体系的动力响应比独 立塔要复杂得多。在不少情况下，塔架、横担等的动力特性对导线振动起控制作 用，而风作用在塔架、横担上引起的振动，又会间接作用在导线上，从而加剧导 线的振动，引起导线、悬挂金具、甚至塔架的破坏，所以研究中一定不能忽略塔 线体系的互耦作用。 目前研究的比较多的是自立式输电塔线体系的动力特性和风振控制，很少有看 到对结构柔度更高的拉线式输电塔线体系进行研究，虽然目前在运行的的高压输 电塔一般都采用自立式输电塔，但是仍有很多的拉线式输电塔在正常的使用中， 所以对拉线式输电塔这方面的研究也是必要的。 输电塔线体系的风振响应已经研究的相当成熟，但是控制方面的研究还是有很 大的发展空问，其整体发展趋势也必将是趋向于主动和半主动智能控制这方面， 因为这可以实现比被动控制更好的控制效果，而且能够基于自身的各种情况进行 最优化的控制，从而达到最优的控制效果。 1 3 工程背景 5 0 0 k v 江晋线是江苏5 0 0 k v 北电南送四条跨江通道八回线路之一，是最早的 5 0 0 k v 跨江输电大动脉之一。事故中倒塌的为镇江段五基输电铁塔，因其外形像 猫头而得名，是高压输电塔的一种，属于高耸结构。江晋线镇江段五基输电铁塔 图1 2 拉线式猫头输电塔 5 第一章绪论拉线式猫头输电塔线体系风振响应及风振摔制研究 由意大利设计，建造于上世纪7 0 年代，属于拉线塔。整个塔身是采用角钢铰接起 来的桁架结构，角钢材质为q 3 4 5 钢，整塔高度为5 0 9 m ，塔身最宽处为1 4 6m ， 塔基面积为4 8m 4 4m ，该塔的特点是只有一个塔基，用四根永久拉线锚住，如 图1 2 所示。 导线采用四分裂布置，型号为：l g j 4 0 0 5 0 钢芯铝绞线；两根地线的型号为： l g j 9 5 1 5 钢芯铝绞线，两塔之间的距离即档距为4 7 4 m ，导线和地线的垂度均为 1 6 m ，绝缘子的直径为2 8 0 m m ，绝缘子的长度为3 8 7 5 h u l l ，如图1 3 所示。 1 4 研究内容及意义 图1 3 输电塔线体系图 本论文以江晋线镇江段五基输电铁塔在大风作用下发生倒伏事故为背景，主要 研究拉线式猫头输电塔线体系在大风作用下的风振响应分析以及相应的风振控 制，主要进行以下研究工作： ( 1 ) 通过拉线式猫头输电塔线体系竣工图纸建立输电塔线体系的有限元模型， 采用模态分析的方法计算拉线式猫头输电塔、拉线式猫头输电塔线体系的固有频 率及振型，并考虑塔线体系的耦合作用。 6 拉线式猫头输电塔线体系风振响应及风振控制研究 第一章绪论 ( 2 ) 根据风速实测记录进行拉线式猫头输电塔线体系的风振响应分析，得到 了输电塔线体系在脉动风作用下的位移、速度和加速度时程曲线等动态响应结果， 从而判断输电塔线体系的抗风性能，也为后面的风振控制获得一定的数据支持。 ( 3 ) 对拉线式猫头输电塔线模型根据简化计算方法进行模型简化，然后在仿 真软件中进行风振仿真分析。在选定使用磁流变阻尼器进行风振控制以及合理布 置阻尼器的基础上，选择适合于拉线式猫头输电塔线体系的半主动控制方法并建 立相应的风振控制模型，然后对拉线式猫头输电塔线体系进行风振控制仿真分析， 获得各半主动控制方法的实际控制效果并进行对比，最终获得满意的控制效果。 在全面考虑拉线式猫头输电塔线体系的相互耦合作用以及脉动风荷载作用的 情况下进行风振响应研究，并在力学性能更复杂的拉线式猫头输电塔线体系上创 新性的引入磁流变阻尼器，研究对输电塔线体系风振的半主动智能最优控制，以 取得比被动控制更好的控制效果，实现降低甚至消除因为输电塔线体系风振而引 起的一些危害影响，为电网的安全可靠运行提供依据。因而本课题具有很好的实 用性和前沿性。 第二章拉线式猫头输电塔线体系模态分析 拉线式猫头输电塔线体系风振响应及风振控制研究 第二章拉线式猫头输电塔线体系模态分析 2 1 概述 对拉线式猫头输电塔线体系进行风振动态响应分析，首先要了解其动力学特 性。拉线式猫头输电塔线体系的基本动力学特性主要包括结构的固有频率及相应 的振型。输电塔线体系是一种大位移空间结构体系，由钢质构件和导地线等不同 性质的材料组成，拉线式输电塔同自立式输电塔相比，其力学性能更为复杂。拉 线式输电塔线结构体系由3 部分组成：塔身、拉索和导地线，塔身的刚度较大， 索和导线的刚度却很小，因此，在外荷载作用下结构可能产生较大的变形，而各 杆件的应力水平却很小，即所谓的大变形小应变情况，具有很强的非线性。 本章以有限元理论为基础，通过建立拉线式猫头输电塔线体系的有限元模型以 及建立相应的自由振动方程，采用逐步积分法对拉线式猫头输电塔线体系进行模 态分析，计算其固有频率及振型，为后续的动态响应分析提供参考。 2 2 有限元法简介 有限元法的基本思想可以追溯到2 0 世纪4 0 年代c o l 】r a n t 【2 5 】的一系列尝试工作。 但是有限元法的实际应用却是伴随着计算机的出现而开始的，1 9 5 6 年波音公司的 t u 【n l e r ，c l o u g h 等人【2 6 】第一次将有限元法实际应用于飞机结构的分析，1 9 6 0 年 c l o u 曲【2 7 】在“平面应力分析的有限元法 的论文中首次提出了“有限单元法”这 个名称。经过5 0 多年的发展，有限元法已成为一种通用的数值计算方法，它具有 以下一些特点【2 8 之9 1 ： ( 1 ) 有限元法的基本思想就是几何离散和分片插值。用离散单元的组合体来 逼近原始结构，体现了几何上的近似；而用近似函数逼近未知变量在单元内的真 实解，体现了数学上的近似；利用与原问题的等效的变分原理建立有限元基本方 程又体现了其明确的物理背景。 ( 2 ) 有限元法计算格式的建立既可基于物理概念推得，如直接刚度法，虚功 原理，也可基于纯数学原理推得，如泛函变分原理、加权余量法。通常直接刚度 法、虚功原理用于杆系结构或结构问题的方程建立；而变分原理涉及泛函极值， 既适用于简单的结构问题，也适用于更复杂的工程问题( 如温度场问题) ，并且数 值计算的收敛性、稳定性均可从理论上得到证明。 8 拉线式猫头输电塔线体系风振响应及风振控制研究 第二章拉线式猫头输电塔线体系模态分析 ( 3 ) 和其它数值计算方法相比，有限元法具有更好的边界适应性。理论上讲， 有限元法可通过选择单元插值函数的阶次和单元数目来控制计算精度。有限元法 计算格式规范，用矩阵表达，方便处理，易于计算机程序化。 ( 4 ) 有限元法是一种通用的数值计算方法，应用范围广泛，既能分析具有复 杂边界条件、线性和非线性