一种输电塔结构杆件风荷载体型系数的确定方法

技术领域

本发明属于工程结构抗风领域，尤其是涉及一种输电塔结构杆件风荷载体型系数的确定方法。

背景技术

近年来高压输电线路工程得到了蓬勃发展，作为输电网络的主要支撑结构，高压输电塔具有结构高耸轻柔，杆件复杂交错等特征。风荷载是输电塔结构设计的控制荷载之一。

以往设计研究中往往聚焦于输电塔所受的整体风荷载而很少关注结构中主要杆件的真实受风情况，而主要杆件的失稳或破坏则可能是引发强风作用下输电线路破坏的原因之一。针对局部杆件受风情况，目前设计中通常根据结构整体(如整个塔头或塔身)风荷载并按经验受风面积分配的方式来近似估计。这种粗略的确定方法难以合理地反映主要杆件的真实风荷载特征。此外，输电塔结构中杆件的风荷载不仅受到本身形状和位置的影响，还受到周围杆件的干扰作用，因此，传统的基于单根独立杆件试验测得的体型系数由于忽略了周边的干扰效应也无法反应其真实的风荷载特征。

目前国内外在此方面的研究较少，无法满足输电结构精细化的抗风设计需求。由此可见，研发一种能够考虑周围结构杆件干扰效应的输电塔结构中任意杆件风荷载体型系数的测试确定方法显得尤为必要，这一技术的实现能够在保障输电结构抗风安全性的同时提升线路设计的经济性，对规范发展和工程设计应用具有显著意义。

发明内容

本发明旨在建立一种考虑实际周围杆件干扰效应下的输电塔结构杆件风荷载体型系数的确定方法，为输电塔结构杆件的可靠抗风设计提供准确的风荷载取值。

为此，本发明的上述目的通过采用以下技术方案来实现：

一种输电塔结构杆件风荷载体型系数的确定方法，其特征在于：所述输电塔结构杆件风荷载体型系数的确定方法依次包括以下步骤：

1)、测试模型的选取与安装

根据目标测试杆件所在位置选择测试截断模型；在截断模型中取出一段包含目标测试杆件在内的脱离体，并将脱离体与整体的截断模型脱开；脱离体的选取不宜过大，以保证后续杆件风荷载的测试精度，并且脱离体的选择应保证目标测试杆件拆除后仍具有一定的刚度和整体性；以此脱离体作为测试对象，其余整体截断模型作为干扰体；截断模型安装时：在整体截断模型的上下各安装一块端板，且上、下端板所形成的空间将整体截断模型容纳在空间内部，以保证测试模型所处的流场环境为均匀二维流；其中整体截断模型的底部与下端板相连，截断模型的顶部接近上端板但不与之接触；上、下板端的尺寸不应小于测试截断模型最大尺寸的5倍，且下端板应比风洞底板抬升一定高度，以超过近地面边界层流场的高度为宜；包含目标测试杆件在内的脱离体底部通过刚性支架与安装在风洞底板上的测力天平相连接；天平的上表面不宜高于下端板。脱离体的高度和位置应与其在原整体截断模型中的位置相近，但应与原模型保持一定的距离，该距离应当根据试验流场条件选择测试时脱离体模型与整体截断模型不发生触碰的最小距离；

2)、以脱离体为测试模型的风荷载测试

在均流场中对包含目标测试杆件的脱离体模型进行风洞测力试验，以获得不同风向下其整体在沿着横担的展开方向和垂直横担的展开方向的风荷载大小，分别记为F

3)、目标测试杆件的风荷载体型系数确定

根据拆除目标测试杆件前后的脱离体测力试验结果之差可以获得目标测试杆件的风荷载大小，与之相应的体型系数可以由以下公式计算得到：

式中：μ

式中：A

目标测试杆件的总体型系数μ，按照以下公式计算：

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：步骤(1)中：a)对于位于横担位置的目标测试杆件，选择包含整个塔头、横担以及与横担相接的部分塔身的截断模型，b)对于位于塔身位置的目标测试杆件，则选择包含目标测试杆件的塔身截断模型。

作为本发明的优选技术方案：所述脱离体为由目标测试杆件与其相邻杆件所组成的空间单元体或者杆系平面。

作为本发明的优选技术方案：步骤(2)中：对多根杆件进行测试时，应当依次拆除目标测试杆件，并将前一根拆除的杆件原样装回脱离体后进行试验。

作为本发明的优选技术方案：需要拆除的相邻杆件尽可能选取与目标测试杆件位于同一平面内。

本发明提供一种考虑实际周围杆件干扰效应下的输电塔结构杆件风荷载体型系数的确定方法，具有如下优点：

(1)有效反映了输电塔结构中其余杆件对被测试目标杆件的气动干扰作用，适用于不同类型、位置和安装角度的杆件风荷载测试。

(2)能够准确获得不同风向下不同杆件在受真实干扰情况下的风荷载体型系数。

附图说明

图1为本发明的确定方法的场景图示。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。本实施例是以本发明技术方案为基础下展开的，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

在本实施例中：输电塔是某T字型角钢特高压直线塔其基本尺寸如下：塔高约70m，横担总长60m。目标测试杆件位于塔头横担处。

根据本发明所提供的方法，该输电塔横担位置处的目标测试杆件的风荷载体型系数确定方法如下：

步骤1)：根据目标测试杆件1位置，选取整个塔头截断模型2进行试验，塔头截断模型包含横担以及与横担相接的部分塔身，使得横担的下缘不接触到下端板，同时也使得横担的上缘不接触到上端板。以目标测试杆件1为中心选取包含目标测试杆件1的测试脱离体3。在截断模型2的上下分别安装直径为3m的上端板5和下端板4，其中上端板5通过吊杆6与风洞顶板7 相连，上端板5与塔头整体截断模型2保持一定距离，下端板4通过立柱11抬升至距离风洞底板 9约10cm处。截断模型2安装在下端板的中心位置。脱离体3通过刚性杆10与底部的高精度测力天平8相连，脱离体3的安装位置与其在结构中的原位置相近且安装完后脱离体3与截断模型2保持一定间隙，以满足试验时两者不相互接触。

步骤2)：风洞试验采用均匀湍流风场对脱离体模型3进行测试，测试中通过水平旋转下端板4来改变模型与来流风的相对夹角，从而实现不同风向角度的测试，并通过测力天平8可以获得整个脱离体3在某个风向角下沿着横担的展开方向和垂直横担的展开方向的风荷载F

步骤3)：对于拆除单根杆件的情况，按照公式(1)和(2)可确定出不同风向角下目标测试杆件1在沿着横担的展开方向和垂直横担的展开方向的风荷载体型系数；对于拆除多根杆件的情况，按照公式(3)和(4)可确定出不同风向角下目标测试杆件1在沿着横担和垂直横担方向的风荷载体型系数。最后根据公式(5)可以计算出各风向角下目标测试杆件1的总体型系数。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。