多回路高压输电塔典型横担结构风力系数风洞试验研究

多回路高压输电塔典型横担结构风力系数风洞试验研究

张庆华，马文勇(1.华北水利水电大学土木与交通学院，郑州450000；2.石家庄铁道大学风工程研究中心，石家庄050043)多回路高压输电塔典型横担结构风力系数风洞试验研究张庆华1，马文勇2(1.华北水利水电大学土木与交通学院，郑州450000；2.石家庄铁道大学风工程研究中心，石家庄050043)应用高频测力天平技术，对多回路高压输电塔典型横担模型进行了不同紊流度下的风洞试验，研究了其风力特性。结果表明风场对横担结构的平均风力系数影响较小，静风力主要以顺风向风力为主，而顺、横风向和扭矩向脉动风力值都较大，不能忽略。横担阻力系数0°风向附近取值最大，随风向基本呈单调递减趋势。通过对比不同模型升力系数可以发现，升力系数取值与横担的长度有关，横担越长，横风向升力系数越大。不同规范中给出阻力系数与本文试验结果较为接近，但需要注意的是，相关格构式结构规范均未考虑横、扭风向风力对结构的影响。通过相关性分析可以看到，横担基底剪力与扭矩相关性很小，风场对相关性有一定的影响。输电塔；横担；风力系数；风洞试验；高频动态测力天平作为输电线路主要的承载结构，轻质、高柔、小阻尼是输电塔的主要特性，其风损和风毁事故在世界各地频发[1-2]，大量的输电塔在强风作用下的破坏或功能失效表明输电塔抗风研究中仍有许多理论和应用方面的问题亟待解决。格构式结构自身特点决定了高频天平测力试验是结构风荷载测试的主要手段。CARRIL[3]采用节段模型对格构式通讯塔架平均和脉动阻力系数进行了研究，分析了风向角、挡风系数、遮蔽效应以及紊流度对阻力系数的影响。梁枢果等[4-5]给出了三种典型的格构式塔架(输电塔、通讯塔和电视塔)三维动力风荷载，建立了格构式塔架动力风荷载解析模型。张庆华等[6-7]以500kV单回路输电塔为研究对象，将输电塔分为塔头、塔身和塔腿三部分，分别对其风荷载特性及作用机理进行了试验研究。从已有的研究来看，采用高频天平对格构式结构节段或整体模型测力试验是分析和研究格构式结构风荷载特性的主要方法。横担作为杆塔中重要的组成部分，它的作用是用来安装绝缘子及金具，以支承导线、避雷线，横担结构的安全性和可靠性对输电线系统的安全运行至关重要。横担位于塔的顶部，对风荷载更为敏感，然而，通过对国内外四种常见格构式结构风荷载规范的对比分析[8]可以看到，横担处的风荷载体型系数未能在规范中体现，在风荷载计算中，通常并不考虑横担的结构特征，仍采用标准形状(如矩形、三角形截面等)计算横担的体型系数，这将会导致风荷载计算及结构风致响应计算的误差。准确评估作用于结构的风荷载，必须建立在准确的风荷载体型系数基础上。本文通过高频天平测力风洞试验的方法研究了常见多回路高压输电塔典型横担结构的体型系数，特别关注了横担外伸长度等参数对体型系数的影响，并将试验结果与规范进行了对比和分析。1风洞试验概况1.1试验设备本次试验在石家庄铁道大学风工程研究中心大气边界层风洞实验室低速试验段内完成，该试验段模型区宽4.4m，高3.0m，长24.0m，最大风速大于30.0m/s，速度场不均匀性小于1.0%，湍流度小于0.5%，流场品质优秀。试验采用的测试设备主要包括：高频测力天平、cobra三维风速探头、信号分析和数据采集系统等。1.2试验模型根据《国家电网公司输变电工程典型设计500kV输电线路分册》[9]，国内500kV高压路输电线路通常可分为单回路，双(多)回路两种。其中，单回路输电铁塔有酒杯型、猫头型两种，双(多)回路为鼓型塔，均为角钢塔。对于单回路酒杯型、猫头型输电塔其塔头外形复杂，横担处的风荷载特性很难单独研究，常以塔头整体为研究对象[6-7]。而对双(多)回路鼓型塔，其相对于标准截面(如矩形、三角形截面等)格构式结构最大的不同在于横担处有较大的外伸臂，且由于横担位于塔的顶端，对风荷载更为敏感。本文以多回路高压输电塔常见的横担结构为研究对象，重点关注风场、风向及外伸长度等参数对横担结构体型系数的影响，选取的典型横担结构参见图1。为了保证模型既具有足够的刚度又使质量尽量小，本试验选用质地较轻又有较高刚度的有机玻璃和ABS材料制作模型，模型的几何缩尺比为1/8，四种横担模型的编号分别为：M1、M2、M3、M4，模型的实际轮廓尺寸参见图1。图1横担模型及几何缩尺比Fig.1Crossarmsandlengthscaleoftestingmodels1.3风场模拟对横担节段来说，本身高度不大，在每个节段高度范围内平均风速和紊流度的变化均不大，因此，本次试验中各节段模型的测力试验在由被动格栅紊流发生器生成的空间均匀紊流场中进行，也即，对每个节段模型，试验平均风速和紊流度均沿高度不变，而平均风速剖面对原型结构风力的影响将在根据气动力系数计算实际结构风力时考虑。实际上，广州新电视塔(全球第一高塔)[10]、单回路典型输电塔头、塔身抗风研究[6-7]中均采用了这种方法。作为一般性研究，本文试验将在均匀风场和两种紊流风场(紊流度分别为9%和12%)中进行，图2给出了两种紊流风场的格栅布置，对模型安装区域进行了紊流度和风速测试(见表1)。经过不同风速的测试，风场的风速与紊流度不均匀性小于5%，能够保证风洞测试的精度及可靠性。需要说明的是，由于本文所研究的横担结构完全由角钢构成(存在尖锐前缘)，风洞试验中的雷诺数效应将不予考虑。图2风场格栅布置Fig.2Gridarrangementofturbulentwindfields格栅布置风速平均值不均匀性紊流度平均值不均匀性9%紊流场6.7m/s1.93%9.0%5.0%12.2m/s1.78%9.2%3.79%12%紊流场4.6m/s3.49%12.7%3.76%7.8m/s4.91%13.1%4.2%试验时将塔头模型放置在风洞转盘上，通过转动转盘模拟不同风向。风向角按逆时针方向以15°的间隔增加，考虑输电塔结构的对称性，变化范围为0°～90°，即共有7个风向。图3给出了模型坐标系与试验风向角定义，z轴可按右手螺线定则确定。模型安装完成后，对天平-模型系统的自振频率进行了测量，参见表2。图3模型坐标系与试验风向角Fig.3Coordinatesystemandwindangles模型天平-模型系统的自振频率/HzXYZM123.325.527.6MM325.925.244.1M425.3数据处理作用在模型上的气动力通过高频动态测力天平直接测得，高频天平的采样频率为500Hz，采样时间对应于实际结构的试验时间12～15min。格构式输电塔一阶固有频率约为2～4Hz[11]，考虑几何缩尺比和风速缩尺比，使用滤波截止频率为20Hz的低通滤波器对信号进行数字滤波，消除模型-天平系统在风作用下的微幅振动对测试结果的影响。2试验结果分析2.1风力系数分析通过六分量高频天平测力风洞试验直接测量得到的数据为六分量力信号的时程，对于横担节段模型，主要关心X方向和Y方向的总水平风力和绕Z轴的总扭转风力矩的时程，其静态部分记为为FX、FY、MZ，均方根记为σX、σY、σZ。(1)(2)(3)(4)(5)(6)式中:ρ为空气密度；U为试验平均风速；D为模型底部特征宽度；An=ΦA，为0°风向时迎风面实际挡风面积；Φ为挡风系数；A为0°风向迎风向轮廓面积。图4给出了均匀流场、12%、9%紊流度下典型横担模型无量纲平均基底剪力系数、平均基底扭矩系数随风向变化曲线。可以看到，对同一种横担模型，三种风场条件下的平均基底剪力、基底扭矩系数值基本相同，随风相变化一致，可以说风场对横担结构的平均风力系数影响很小，是可以忽略的。四种典型横担平均风力系数随风向变化基本一致，其中，X向基本呈单调递减趋势，0°风向附近达最大值，90°风向接近于0。与X向相反，Y向平均剪力系数0°风向时值最小，75°风向附近达到最大值；平均扭矩系数值较小接近于0，随风向变化不大。图5给出了三种风场条件下，模型无量纲脉动基底剪力、基底扭矩系数随风向变化曲线。图中可见，横担模型无量纲脉动基底剪力系数和脉动基底扭矩系数值都较大，不能忽略。其中，X、Y向脉动基底剪力系数随风向变化不大，基本在0.2～0.4间波动。脉动基底弯矩系数略低于基底剪力系数，随风向变化较小，基本都在0.15附近。由于紊流度较高，12%紊流场的脉动风力系数明显大于9%紊流风场。由模型坐标系图3可知，0°风向X向，90°风向Y向为结构的顺风向，而0°风向Y向，90°风向X向为结构横风向，根据上述分析可以看到，对于横担结构，其平均风力主要为顺风向，横风向和扭转向平均风力系数接近于0，可以忽略。但是，对于脉动风力系数，横风向、顺风向和扭转向系数都较大，不能忽略。对比四种横担模型可以发现，M2模型由于具有最长的外伸臂因而其顺风向平均风力和脉动风力系数值最大。四种横担横、扭脉动风力系数值上下波动，随风向变化不大。图4平均风力系数Fig.4Themeanwindforcescoefficients图5脉动风力系数Fig.5TheRMSwindforcescoefficients2.2平均阻力系数及升力系数上面关于横担结构的风力系数都是建立在体轴基础上的，这样能够清楚地看到结构在不同风向上受到的风荷载，便于响应的计算分析。但是，为了详细研究横担顺、横风向及扭转向风荷载特性，为了便于和国内外的输电线系统荷载规范(或标准)的相关参数进行比较，需要将结构受到的体轴风力转换为风轴风力。根据图3，可以求得沿风向角α结构体轴和风轴平均风力之间的关系为：(7)(8)式中：CD，CL为横担顺风向平均阻力系数及横风向平均升力系数。图6、图7分布给出了横担结构顺、横风向阻力系数、升力系数随风向变化情况。可以看到，与体轴平均风力系数相同，不同风场对横担平均阻力、升力系数影响很小，可以忽略。随风向变化，阻力系数基本呈单调递减，0°风向阻力系数值最大。横担结构不同风向角下升力系数呈先增大后减小趋势，最大升力系数发生30°～45°风向角下。一般情况下，风作用在某个结构上，若该结构关于风向轴线不对称，一定会产生横风向的升力，通过对比不同模型升力系数可以发现，平均升力系数值与横担的长度有关，横担越长，斜风下的不对称性越强，横风向升力系数越大。模型M2具有最大的外伸长度，因而其最大升力系数接近-0.6，随着横担外伸长度的减小，M3，M4最大升力系数逐渐减小，M4外伸长度最小，其最大升力系数仅为-0.3。2.3风力系数规范比较由2.2分析可知，横担结构其最大阻力系数发生在0°风向附近，这里选取0°风向角下体型系数分别与中国110～750kV架空输电线路设计规范(GB50545—2010[12])、国际电工委员会架空输电线设计规范(IEC60826(2003)[13]、欧洲架空输电线规范(BSEN50341-1:2012)[14]以及ASCE输电线系统荷载导则(ASCENo.74(2009))[15]等规范的体型系数对比(见图8)。图中可见，多数规范(IEC60826、BSEN50341、ASCENo.74)规定的阻力系数随风向变化都较为接近。当挡风系数Φ∈[0，0.4]，中国规范给出的风力系数值要明显小于其他规范。对于本次试验的横担结构来说，试验结果与大多数国家规范给出的阻力系数都较为接近。此外，需要强调的是，横担与常见格构式结构相比最大的特点是具有较大的外伸臂，通过2.1、2.2节分析可知，横担结构平均升力系数在30°～45°风向角下达到最大值，且横担脉动风荷载顺、横、扭方向值都较大，因而对格构式输电塔(特别是横担结构)不仅要考虑顺风向，还要考虑横、扭风向，遗憾的是，现行的格构式结构荷载规范中，均未考虑横、扭的影响。图6横担阻力系数Fig.6Thedragcoefficientsofcrossarms图7横担升力系数Fig.7TheRMSwindforcescoefficientsofcrossarmsM1M212%紊流9%紊流Fx(顺风向)Fy(横风向)Mz(扭转向)12%紊流9%紊流Fx(顺风向)Fy(横风向)Mz(扭转向)Fx(顺风向)1-0.05470.0560Fx(顺风向)10.0319-0.0127Fy(横风向)0.04981-0.0647Fy(横风向)0.02231-0.0422Mz(扭转向)0.0245-0.03141Mz(扭转向)0.01280.00131M3M412%紊流9%紊流Fx(顺风向)Fy(横风向)Mz(扭转向)12%紊流9%紊流Fx(顺风向)Fy(横风向)Mz(扭转向)Fx(顺风向)10.03650.0228Fx(顺风向)10.0276-0.0368Fy(横风向)0.03231-0.0443Fy(横风向)-0.03351-0.0433Mz(扭转向)-0.0129-0.02921Mz(扭转向)-0.02900.013512.4脉动风力相关性分析顺风力、横风力和扭矩的互相关性征了各风力间的相关特征，对结构动力响应特征具有较大影响。表3给出了0°风向12%紊流风场和9%紊流风场下基底剪力、基底扭转之间的相关性。图中可见，四种横担模型在两种风场下顺-横风向基底剪力、顺风向剪力与扭转向弯矩、横风向剪力与扭转向弯矩相关性都小，都小于0.1。9%紊流场下脉动风力的相关性明显大于12%紊流场，即紊流度的增加会使风力之间的相关性减弱。图8规范阻力系数比较Fig.8Thecomparisonofdragcoefficient3结论通过对双(多)回路高压输电塔四种典型横担结构的高频动态天平的风洞试验，得到如下结论：(1)风场对横担结构的平均风力系数影响较小。其静风力主要是顺风向力。而对于脉动风力，顺风向、横风向和扭矩向值都较大，不能忽略。高紊流风场下的脉动风力明显大于紊流度较低的风场。(2)横担结构阻力系数基本呈单调递减，0°风向附近阻力系数取值最大。最大升力系数发生30°～45°风向角下。通过对比不同模型升力系数可以发现，升力系数的值与横担的长度有关，横担越长，横风向升力系数越大。(3)不同规范中给出的0°风向下的阻力系数较为接近，本次风洞试验的得到的阻力系数在0°风向下与规范非常接近。但需要注意的是，通过风力系数分析可知，对格构式输电塔(特别是横担结构)不仅要考虑顺风向，还要考虑横、扭风向，遗憾的是，现行的格构式结构荷载规范中，均为考虑横、扭的影响。(4)通过相关性分析可以看到，横担基底剪力与扭矩相关性都很小，紊流度的增加会使风力之间的相关性减弱。[1]陈鹏云,曹波,罗弦,等.中国电网主要自然灾害运行数据及特征分析[J].中国电力,2014,47(7):57-61.CHENPengyun,CAOBo,LUOXian,etal.OperationdataandfeatureanalysisofthemainnaturaldisastersofpowernetworkinChina[J].ElectricPower,2014,47(7):57-61.[2]DAND,BRIANWH.Windswreakhavoconlines[J].Transmission&DistributionWorld,1996,48(6):32-42.[3]CARRILCF,ISYUMOVN,BRASILRMLRF.Experimentalstudyofthewindforcesonrectangularlatticedcommunicationtowerswithantennas[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,2003,91:1007-1022.[4]梁枢果,邹良浩,赵林,等.格构式塔架动力风荷载解析模型[J].同济大学学报:自然科学版,2008,36(2):166-171.LIANGShuguo,ZOULianghao,ZHAOLin,etal.Analyticalmodelofdynamicwindloadsonlatticetowers[J].JournalofTongjiUniversity:NaturalScience,2008,36(2):166-171.[5]梁枢果,邹良浩,赵林,等.格构式塔架三维动力风荷载的风洞试验研究[J].空气动力学学报,2007,25(3):311-329.LIANGShuguo,ZOULianghao,ZHAOLin,etal.Theinvestigationof3Ddynamicwindloadsonlatticetowersbywindtunneltest[J].ActaAerodynamicaSinca,2007,25(3):311-329.[6]张庆华,顾明,黄鹏.格构式塔架风力特性试验研究[J].振动与冲击,2009,28(2):1-4.ZHANGQinghua,GUMing,HUANGPeng.Experimentalstudyofwindforceonlatticedtower[J].JournalofVibrationandShock,2009,28(2):1-4.[7]张庆华,顾明,黄鹏.典型输电塔塔头风力特性试验研究[J].振动工程学报,2008,21(5):452-457.ZHANGQinghua,GUMing,HUANGPeng.Experimentonwindforceontypicalsuperstructuresoflatticedtransmissiontower[J].JournalofVibrationEngineering,2008,21(5):452-457.[8]张庆华,顾明.典型格构式结构风荷载及风致响应规范比较[J].振动与冲击,2015,34(6):140-145.ZHANGQinghua,GUMing.Wind-inducedresponseof500kVsingle-cirduittransmissiontowerbasedonhighfrequencyforcebalancetests[J].JournalofVibrationandShock,2015,34(6):140-145.[9]刘振亚主编,国家电网公司颁布.国家电网公司输变电工程典型设计500kV输电线路分册[M].北京:中国电力出版社,2005.[10]ZHOUX,HUANGP,GUM,etal.Windloadsandwind-inducedresponsesofGuangzhounewTVtower[J].AdvancesinStructuralEngineering,2010,13(4):707-726.[11]ASCE10—1997.Designoflatticedsteeltransmissionstructures[S].[12]GB50545—2010.110kV～750kV架空输电线路设计规范[S].北京:中国计划出版社,2010.[13]CEI/IEC60826:2003.Designcriteriaofoverheadtransmissionlines[S].[14]BSEN50341-1:2012.OverheadelectricallinesexceedingAC1kV—Part1:Generalrequirements-Commonspecifications[S].2013.[15]ASCEManualsandReportsonEngineeringPracticeNo.74.GuidelinesforElectricalTransmissionLineStructuralLoading(ThirdEdition)[S].2009.Experimentalstudyofwindforcecoefficientsontypicalcrossarmsofamulti-circuithigh-voltagetransmissiontowerZHANGQinghua1,MAWenyong2(1.SchoolofCivilEngineeringandCommunication,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450000,China;2.WindEngineeringResearchCenter,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,China)Typicalcrossarmsofamulti-circuithigh-voltagetransmissiontowerhavebeentestedinawindtunnelusinghigh-frequency-force-balancetechniquetoinvestigatethecharacteristicsofwindforcesactingonthem.Theresultsindicatethatalong-windwindforceisthemajorloadonthecrossarmsforthestaticwindeffects,whilemagnitudesofthealong-wind,across-windandtorsionalfluctuatingloadsareinthesamelevelandeachofthemcannotbeignored.Thed