下击暴流下格构式塔架的受力与稳定论文综述.doc

下击暴流下格构式塔架的受力与稳定论文综述前言： 为研究下击暴流下输电线塔的破坏情况及其预防，本人进行了这次论文综述的工作。本文分四部分，分别是1.下击暴流的概念及特征 2.下击暴流的数值模拟 3.下击暴流的风荷载模拟 4.下击暴流作用下格构式塔架的倒塌过程分析1. 下击暴流的概念与特征1.1概念下击暴流为雷暴天气中强下沉气流冲击地面后向四周扩散引起的冲击性的近地面强风。根据所引起的近地面强风的影响范围，下击暴流可进一步分为宏下击暴流和微下击暴流。宏下击暴流指下击暴流引起的地面强风在水平尺度上超过4 km，微下击暴流指下击暴流引起的地面强风在水平尺度上小于或等于4 km。1.2特征（1） 尺度特征。产生下击暴流的下沉气流最初形成与距离地面高度为H=2100m至H=4100m的冷空气团云底位置。下沉气流的初始出流直径介于D=600m和D=1700m之间。（2） 速度特征。下击暴流的风速剖面中最大风速值出现在距地面非常低的高度。平均而言，相对于初始出流直径D=1800m的下击暴流风，其风速最大值出现在距离下沉气流冲击地面点水平距离约r=1500m，高度H=80m的位置。同传统大气边界层风的风速随高度增加而增大明显不同，下击暴流风在近地面区域迅速增大到最大值，随后随高度增加而迅速减小。（3） 随机特征。同传统大气边界风常被看作各态经历的平稳随机过程不同，下击暴流过程一般伴随风暴中心的移动，为典型的非平稳过程。（4） 气压特征。下击暴流的风场中存在着明显的气压变化过程。Fujita推断，这种剧烈的压力变化可能达到2至3KPa。下击暴流风场中剧烈变化的压力场对相关的工程结构风荷载设计取值会产生相当大影响。 当前研究对下击暴流的特征的认识已经比较全面，对径向和竖向风剖面的的数值模拟与现场实测数据有较好吻合度，下击暴流对输电线塔的破坏作用已引起各国结构设计人员的重视，个别国家在设计规范里明确了要考虑下击暴流破坏的因素，可见下击暴流对塔架结构的破坏是常见的，研究它是必要的迫切的。2.下击暴流的数值模拟 下击暴流的研究方法有现场实测，解析模型，实验室物理模拟和数值模拟，其中以数值模拟是最重要的一种研究手段。风工程界最关心的是下击暴流撞击地面后产生的近地面辐散大风的风场特征及对结构的荷载效应，主要采用CFD数值模式模拟高精度的理想下击暴流近地风场。 采用CFD数值模拟主要应注意以下三个方面：2.1风场模型 目前从结构风工程角度开展的下击暴流数值模拟主要依据了两个基本的风场模型，即环涡模型和冲击射流模型。如图：据Wan使用解析和数值模拟两种方法比较发现，在高空位置冲击射流模型能较准确描述下沉气流形态，在中控位置则能更好地描述环形涡，在京地面位置尤其是下沉气流冲击地面后扩散过程的描述冲击射流模型更为准确。近年来基于冲击射流模型开展的许多下击暴流物理模拟实验结果页表明该模型同实测数据吻合。2.2边界条件 当前基于冲击射流模型的下击暴流数值模拟的边界条件通常设置如表所示2.3湍流模型与网格 通常，雷诺应力湍流模型（RSM模型）常常被认为是下击暴流数值模拟中兼顾了计算精度和计算耗时的最佳选择。RSM模型属于高雷诺数模型，在固体壁面附近，由于分子黏性作用，湍流脉动受到阻尼作用，雷诺数很小，RSM湍流模型不再适用，此时，大多数下击暴流模拟者采用增强壁面处理的近壁面模型来修正RSM模型，以模拟近壁区的复杂流动现象。近壁面首层网格至壁面的无量纲距离满足 ，其中。 利用下击暴流的数值模拟，我们可以得到下击暴流形成、下沉与扩散的全过程数值仿真。其中包括了下击暴流冲击地面前后的风场特征，下击暴流的瞬态风速特征，下击暴流的风剖面特征等。这些数值与特征对于我们将下击暴流的影响应用于结构风荷载作用具有重要意义。3. 下击暴流的风荷载模拟 要研究下击暴流下结构的受力与稳定，就必须要知道下击暴流作用下结构的响应特征和破坏模式，为此，需要获得下击暴流的风荷载。3.1下击暴流风荷载的基本模型 为与普通近地风荷载的描述方法保持一致，将作用在结构上的下击暴流荷载写成随时间变化的平均部分和脉动部分之和，即 U(z，t)=(z，t)+u（z，t) 式中，(z，t)为随时间变化的平均风速；u(z，t)为脉动风速，是一0均值的随机过程。 与普通近地风不同的是，下击暴流荷载时程是一个非平稳的随机过程。下击暴流平均风速(z，t)是通过风速时程在一定时间步长内进行数据平均的方式获得的，故而是一种瞬时平均的时变过程。而下击暴流脉动风速也并不一定服从高斯分布，但这里假定它服从高斯分布。3.2下击暴流风荷载的平均成分 假定不同高度处的下击暴流平均风速同时达到最大值，这样任一高度处的瞬时平均风速可表示为一最大平均风速V(z)和一最大值为1的时间函数f(t)之积，即(z，t)=V(z)f(t) Oseguera、Vicroy、Wood分别提出了3种最大平均风速模型。Oseguera的模型为 式中，V(z)为高度z处的最大平均风速；r为到风暴中心的距离；R为下击暴流的特征半径；z为边界层外的某一特征高度；e为边界层内的某一特征高度；为一比例系数。Victoy提出的模型为 式中，Vmax一为下击暴流的最大水平风速，发生在Zmax高度处(通常Zmax为60 m左右)。Wood的模型为 式中，为高度参数；erf为误差函数。3.3下击暴流风荷载的脉动成分下击暴流的脉动风速是一个非平稳的随机过程。Chen认为，脉动风速的最大幅值大约为该时平均风速的025倍，Chay认为是该时平均风速的008011倍。因此可假定脉动风速的频域特性是不随时间改变的，将脉动风速时程写成一随时间变化的幅值调制函数和一服从标准正态分布(均值为0，方差为1)的高斯随机过程，其表达式为 式中，取随时间变化的幅值调制函数 ；(z，t)为服从标准正态分布且频谱特性不随时间变化的高斯平稳随机过程，它反映风荷载的脉动特点。3.4下击暴流风荷载的荷载效应 取下击暴流风平均风速(z，t)达到最大时的平均风速Umax(z)及其对应的脉动风速作为设计风荷载的基本风速，这样所得的设计风荷载为对结构最不利的下击暴流设计风荷载的最大值。 作用在结构上的下击暴流风压为 如果将下击暴流的设计风荷载形式与一般设计风荷载的形式统一，则简化为 其中air为空气的密度，可取为12kgm3。Cftg为空气动力体型系数。A为节点的迎风面积。Cdyn为动力响应因子，其计算如下： 其中Ih为结构顶部的紊流度，gv为迎风向速度脉动的峰因子，Bs为高度s处的背景因子，为结构阻尼比，Hs为高度s处的共振因子，gR为共振响应的峰因子，S为形状换算因子，Et为风流向的紊流谱。 下击暴流风荷载模拟是将下击暴流作用应用到结构设计的重要一环，目前算法理论还不够完善，有很多简化计算的地方，国内已有相当一部分论文在讨论。4.下击暴流作用下格构式塔架的倒塌过程分析 下击暴流作用下破坏的输电线塔的主要特征是：塔腿部分比较完整，未发生严重的变形或屈曲；塔腿以上塔身的第一、二塔段发生了比较严重的破坏，部分杆件断裂。 王锦文和瞿伟廉的研究表明，下击暴流风作用下底部弯矩达到抗弯极限状态时，在结构40 m以下区域内的弯矩值大于结构对应高度的抗弯极限弯矩，表明此时结构的强度破坏并不是首先发生在结构底部，而是发生在结构底部以上40 m以下区域内。当底部达到抗风能力极限状态时，下击暴流可导致结构在40 m高度区域内发生破坏。 输电线-塔结构在下击暴流强风荷载作用下的破坏从结构的中下部开始，而非从底部开始；若在一次强度极大的下击暴流作用下，输电线-塔结构的中下部结构主杆在弯矩和轴向压力的共同作用下会发生弹翅性失稳破坏，进而导致输电线-塔结构的倒塌。若在数次强度较小的下击暴流的累积作用下，输电线-塔结构的中下部结点层的部分腹杆会发生塑性疲劳破坏，部分结点会发生焊缝的累积疲劳破坏。从而引起输电线一塔结构的倒塌。总结 通过此次论文综述的过程，我认识到了下击暴流这种对塔架结构破坏作用严重的雷暴风，知道了从认识到分析到应用到结构设计，结构分析的整个过程。遗憾的是，由于自身知识有限，很多地方未能理解，尤其数值模拟，振动响应的部分，所以此次的综述也只是将所看论文的内容整理摘抄，再加上一点自己的看法。通过这几天的学习以及对sap2000的摸索，我认为对下击暴流下格构式塔架的受力与稳定分析的最重要部分就是塔架的有限元建模和如何将下击暴流的作用最大程度拟真地转化为作用在结构上的荷载两部分。希望在接下来的学习中能够解决好这两个问题。参考文献：1李宏 李承铭 钢塔架在风荷载作用下的受力与变形2李春祥 李锦华 于志强 输电塔线体系抗风设计理论与发展3瞿伟廉 梁政平 王力争 吉柏锋 下击暴流的特征及其对输电线塔风致倒塌的影响4李春祥 刘晨哲 申建红 李锦华 土木工程下击暴流风速数值模拟的研究5邹波 下击暴流的特征及研究6瞿伟廉 吉柏锋 李健群 王锦文 下击暴流风的数值仿真研究7瞿伟廉 吉柏锋 王锦文 下击暴流风与大气边界层风的风剖面特征比较8王锦文 瞿伟廉 下击暴流风作用下输电“线塔”结构倒塌破坏的 特征分析9吉柏锋 瞿伟廉 下击暴流作用下高层建筑物表面风压分布特性10李宏海 欧进萍 下击暴流作用下建筑物表面风压分布模拟11瞿伟廉 王锦文 下击暴流风荷载的数值模拟12张钢 潘运红 柳畅 下击暴流区域特征提取和识刖算法13马文玉 冯树常 金朝坤 下击暴流实例分析14王世民 林友新 李宏男 风雨荷载作用下输电塔动力响应分析15于秀雷 梁枢果 邹良浩 格构式塔架顺风向风振响应简化计算16Leon Kempner Jr Wind Load Methodologies for Line Towers and Conductors17Horia Hangan, Eric Savory, Ashraf El Damatty Jon Galsworthy, Craig Miller Modeling and prediction of failure of transmission lines due to high intensity winds18Partha P.Sarkar,PH.D.and Thomas B.Gardner Model Test to Rain/Wind-Induced Vibration of Sta