主要內容1研究目的、意義及國內外研究概況2工程背景和力學模型3阻尼器的設計及振動控制布置方案研究4塔線耦合體系在橫風作用下的振動控制研究5結論§1

研究目的、意義及國內外研究概況第1章研究目的及意義國內外研究狀況本文的主要創新點§1

研究目的、意義及國內外研究概況1.1

研究目的和意義

在我國，輸電線路的風致振動導致輸電塔強烈振動甚至倒塌之事時有發生。特高壓輸電線路是生命線工程，輸電塔的強烈振動會帶來安全隱患。對晉東南～南陽～荊門1000kV輸電線路的漢江大跨越輸電塔進行振動控制研究既有重要的理論意義，又有保證線路安全運營的現實價值。

1.2

國內外研究概況

§1

研究目的、意義及國內外研究概況

國外：以美國和日本為代表的一些學者對塔線耦合體系的風致振動分析方法和振動控制措施作了研究，其中Battista等提出了一種非線性擺錘吸振器設計方法。國內：對塔的風振控制方面的研究起步較晚同濟大學采用MTMD和VED對塔架進行聯合振動控制研究，武漢理工大學對塔線耦合體系進行了動力特性影響因素的研究;

§1

研究目的、意義及國內外研究概況李宏男、梁樞果等提出了多質點簡化計算模型，將輸電塔簡化為具有多個集中質量的串聯多自由度體系，導線簡化為多個集中質點，各集中質點之間由剛性桿相連，利用該模型開展了高壓輸電塔線體系的地震反應研究。并針對輸電塔線體系屬高柔結構，風荷載是主要荷載的特點，對輸電塔線體系的頻域風振響應做了研究;§1

研究目的、意義及研究內容以沿山頭輸電塔為背景，研究了TMD對大跨越輸電塔脈動風響應的振動控制問題；以王家灘輸電塔為背景，通過計算和實測研究了加設VED的減振效果；以李埠輸電塔為背景，研究了鉛阻尼器對大跨越輸電塔風振響應的控制問題；數值仿真了空間相關的輸電塔脈動風速場；以塔坪橋大跨越輸電塔為背景，運用有限元法分析了架空輸電線路的順風向動力響應。華中科技大學在輸電塔的風振控制方面做了以下工作：§1

研究目的、意義及國內外研究概況1.3

本文的主要創新點編制了空間相關的脈動風速場模擬程序WVFM開發了適于用大跨越輸電塔的橡膠鉛芯阻尼器探索了橡膠鉛芯阻尼器的最佳控制方案總結了橡膠鉛芯阻尼器對大跨越輸電塔的控制效果§2

工程背景和力學模型第2章力學模型工程概況

本文研究中取大跨越酒杯輸電塔的呼高為168m，塔位地面標高47m；耐張塔的呼高為40m，地線掛點高72m；跨越形式為耐－直－直－耐，檔距分配為706m－1650m－600m。§2

工程背景和力學模型2.1

工程概況導線型號：6×AACSR/EST—500/230地線型號：JLB20B—240，OPGW—250

§2

工程背景和力學模型本工程塔型采用單回路直線跨越塔和單回路跨越耐張塔，直線跨越塔中導線與邊導線間的線間距離為29m，耐張塔為19m，兩種塔的導、地線掛線點之間存在懸掛偏角，導線掛線偏角為1°，地線掛線偏角為1.5°。

在單塔有限元建模時，利用ANSYS建立空間三維有限元模型，順線方向（X方向），豎向（Y方向），橫向（Z方向），共574個節點，塔桿采用1520個BEAM44單元模擬，塔底四角固結?！?

工程背景和力學模型2.2

力學模型

在塔線有限元建模時，根據性能參數等效的原則，將導線6×AACSR/EST-500等效為一根導線，利用ANSYS建立空間三維有限元模型，順線方向（X方向），豎向（Y方向），橫向（Z方向）?？紤]了三相導線和兩相地線，此時模型共1698個節點，塔桿采用4116個BEAM44單元模擬，地線、絕緣串、導線共采用84個LINK10單元模擬，塔底四角固結。根據受力特點，地線、導線端處理成鉸接?！?

工程背景和力學模型§3

阻尼器的設計及振動控制布置方案第3章各種阻尼器比選橡膠鉛芯阻尼器的性能特點橡膠鉛芯阻尼器數學模型橡膠鉛芯阻尼器的構造和安裝橡膠鉛芯阻尼器布置方案金屬屈服阻尼器

將結構振動的部分能量通過金屬的屈服滯回耗能耗散掉；摩擦阻尼器

將結構振動的部分能量通過阻尼器中元件之間的摩擦耗能耗散掉；粘性液體阻尼器

將結構振動的部分能量通過阻尼器中流體的粘滯耗能耗散掉；粘彈性阻尼器

將結構振動的部分能量通過阻尼器中粘彈性材料的剪切變形耗能耗散掉?！?

阻尼器的設計及振動控制布置方案3.1

各種阻尼器比選§3

阻尼器的設計及振動控制布置方案+＝粘彈橡膠鉛芯橡膠鉛芯

3.2橡膠鉛芯阻尼器的性能特點橡膠鉛芯阻尼器示意圖本構關系示意圖充分利用了鉛和粘彈橡膠兩種材料的特點，具有較大的耗能能力；鉛的力－位移滯回曲線近似為矩形，即鉛在屈服前剛度無窮大，屈服后剛度為零，而橡膠的力－位移滯回曲線近似為一直線，且剛度較小，因此橡膠鉛芯阻尼器具有較大的初始剛度和較小的屈服后剛度；

橡膠鉛芯阻尼器的性能穩定、在一定條件下受溫度、頻率和應變幅值等因素的影響較小；鑲嵌在鋼管的內側，既不增加迎風面積，又不影響塔的美觀；構造簡單、造價低廉、施工方便?！?

阻尼器的設計及振動控制布置方案§3

阻尼器的設計及振動控制布置方案0.5Hz-2mm實驗曲線：3.3

橡膠鉛芯阻尼器參數計算屈服前剛度較大，屈服后剛度較小；屈服后繼續加載，荷載－位移曲線基本上為一直線；在屈服后卸載，初始卸載剛度較大，而后逐漸減小，直到反向加載屈服；滯回環兩端較為豐滿，隨著循環次數的增加，滯回環幾乎不發生改變；§3

阻尼器的設計及振動控制布置方案由圖可看出：§3

阻尼器的設計及振動控制布置方案橡膠鉛芯阻尼器數學模型雙線性數學模型：阻尼器采用彈簧-滑移單元COMBIN40模擬。單元通過兩個節點、兩個彈簧常數k1和k2（力/長度）和一個界限滑移力FSLIDE(力)進行描述。

橡膠鉛芯阻尼器的屈服剪力主要由鉛芯提供，其計算公式為

阻尼器的第二剛度主要由橡膠提供，其計算公式為

其中，為橡膠的厚度，為橡膠面積，為橡膠的剪切模量?！?

阻尼器的設計及振動控制布置方案橡膠鉛芯阻尼器參數計算如下：阻尼器的第一剛度為鉛芯屈服前的剛度加橡膠剛度，其計算公式為

其中，為鉛芯的屈服位移。

阻尼器的出力為：

其中，為阻尼器的相對位移。§3

阻尼器的設計及振動控制布置方案§3

阻尼器的設計及振動控制布置方案參數第一剛度k1(N/mm)第二剛度k2(N/mm)起滑力Qslide(kN)數值81.476.1422.6橡膠鉛芯阻尼器參數

橡膠鉛芯阻尼器是由鋼板、橡膠和鉛芯組成，橡膠與約束鋼板通過高溫高壓硫化為一體，鉛芯成型后壓入預留孔中。由上面的計算可得，本工程中所用的橡膠鉛芯阻尼器的各參數如下：3.4

橡膠鉛芯阻尼器的構造和安裝§3

阻尼器的設計及振動控制布置方案橡膠鉛芯阻尼器示意圖

在本工程中所用的橡膠鉛芯阻尼器的尺寸和外形如圖所示?！?

阻尼器的設計及振動控制布置方案橡膠鉛芯阻尼器安裝示意圖

將橡膠鉛芯阻尼器并聯安裝于塔桿上的鋼管內側，單個阻尼器的連接安裝方式見連接安裝示意如圖所示。§3

阻尼器的設計及振動控制布置方案阻尼器連接板示意圖

其中連桿的受力70kN，由于鋼管兩端的相對位移主要由阻尼器承擔，要避免連桿的變形，就必須加大其截面尺寸，使其承載力達到出力的若干倍。連接鋼板采用圓形連接板，其外形和尺寸如圖所示，連接螺栓起固定和連接作用，采用8個M16。

§3

阻尼器的設計及振動控制布置方案ZBK跨越直線塔阻尼器安裝圖

阻尼器的安裝為了減少塔的風振反應，在ZBK跨越直線塔的曲臂主材內安裝阻尼器，如圖所示。由于阻尼器不能遇高溫，必須在塔體鍍鋅完成后，才能與塔身主材焊接，焊接后涂環氧樹脂富鋅漆防腐。3.5

阻尼器布置方案方案0—

不加阻尼器方案1—

塔頭頂橫擔邊緣桿件加16個阻尼器方案2—

塔頭上半部分邊緣桿件加16個阻尼器方案3—

塔頭下半部分邊緣桿件加16個阻尼器方案4—

塔身上半部分四角桿件加24個阻尼器

方案5—

塔身下半部分四角桿件加20個阻尼器方案6

—

方案2+方案3共加32個阻尼器

§3

阻尼器的設計及振動控制布置方案減振率定義：§3

阻尼器的設計及振動控制布置方案A點為塔頭根部節點，B點為塔頭上、下部分相交點，C點為橫擔外邊緣節點，D點為塔頭節點，A’~D’點與A~D對稱，皆為提取位移、速度、加速度關鍵點。鋼管1為塔身頂部邊緣桿件和鋼管2為塔身底部邊緣桿件，皆為提取內力部位的控制構件。

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塔線橫風作用下的振動控制研究第4章風速場的數值模擬動風作用下塔線體系的的振動控制

4.1

風速場的數值模擬根據各態歷經平穩隨機過程的數值模擬理論，在FORTRAN環境里自行開發了空間相關的風速模擬程序WVFS(windvelocityfieldsimulation)。風荷載加載節點全在迎風面上均勻分布，共281點，其中兩個塔上共140點，地線、導線上共141點。假設離地10m高度處的基本風速，其他高度處的平均風速按照指數律換算；§4

塔線橫風作用下的振動控制研究§4

塔線橫風作用下的振動控制研究

各種型鋼（角鋼、鋼管等）及其組合構件的風荷載體型系數一律取1.3，導（地）線的風荷載體型系數取1.1；受風面積取節點的有效受風面積，即節點控制范圍內型鋼及導（地）線的迎風面積；模擬目標譜取反映高度變化的Kaimal譜，譜頻率分割為1024塊；模擬時間步長0.25s，共4096步，總時長1024s。

塔頂風速時程曲線4.2

動風作用下塔線耦合體系的的振動控制§4

塔線橫風作用下的振動控制研究1）塔線體系在動風作用下的響應

動風作用指平均風和脈動風共同作用在塔身和導（地）線上，根據式，將動風荷載作用在塔-線系統的節點上，進行動力時程分析，沿塔高的位移、速度、加速度響應如下表所示，表中的控制點A、B、C、D見阻尼器方案布置圖。§4

塔線橫風作用下的振動控制研究阻尼器方案關鍵點位移速度加速度最大值(cm)減振率(%)最大值(cm)減振率(%)最大值(cm)減振率(%)0A31.07--11.88--12.80--B58.11--21.77--22.35--C87.37--35.14--34.32--D110.26--45.13--42.15--1A30.960.3511.840.3212.462.66B57.840.4721.680.4220.299.19C86.780.6734.781.0333.711.79D109.400.7845.030.2240.613.672A30.232.6910.4811.8212.432.86B55.105.1718.6214.4922.041.36C79.519.0028.7018.3232.166.31D99.2110.0236.1519.8938.109.633A28.179.339.6818.5511.639.10B47.9117.5516.1126.0017.6521.01C73.2816.1226.3824.9226.2523.52D92.2416.3533.5025.7732.9621.81塔線系統控制點動力響應最大值及減振率

§4

塔線橫風作用下的振動控制研究阻尼器方案關鍵點位移速度加速度最大值(cm)減振率(%)最大值(cm)減振率(%)最大值(cm)減振率(%)0A31.07--11.88--12.80--B58.11--21.77--22.35--C87.37--35.14--34.32--D110.26--45.13--42.15--4A31.040.0810.997.4912.671.00B58.080.0419.908.5921.374.38C87.290.0932.028.8632.106.47D110.100.1540.719.7938.698.225A31.050.0510.997.5312.661.09B58.070.0719.908.6321.374.38C87.270.1232.018.8932.076.54D110.070.1740.709.8237.6610.676A27.3911.8511.404.0311.1812.65B46.4520.0619.4910.4816.8624.55C66.8923.4428.9917.4923.2832.17D83.5224.2537.0717.8728.5532.27§4

塔線橫風作用下的振動控制研究沿塔高位移最大值沿塔高加速度最大值§4

塔線橫風作用下的振動控制研究塔頂位移時程2）塔線體系在動風作用下的時程塔頂加速度時程各方案塔頂位移減振率§4

塔線橫風作用下的振動控制研究3）塔線體系在動風作用下各方案的位移減振率各方案塔頂加速度減振率

動風作用下阻尼器布置方案6對塔-線系統的減振效果最好，第2、3方案次之。§4

塔線橫風作用下的振動控制研究4）塔線體系在動風作用下各方案的內力減振率

將動風荷載作用在塔-線系統的節點上，進行動力時程分析，鋼管1、鋼管2的內力最大值如下表所示，表中的鋼管1、鋼管2見阻尼器方案布置圖§4

塔線橫風作用下的振動控制研究阻尼器方案提取項目最大值(kN)減振率(%)0鋼管1剪力925.2--鋼管1軸力11280.0--鋼管2剪力1186.0--鋼管2軸力13780.0--1鋼管1剪力843.08.88鋼管1軸力10280.08.87鋼管2剪力1095.07.67鋼管2軸力12690.07.912鋼管1剪力736.020.45鋼管1軸力8991.020.29鋼管2剪力996.016.02鋼管2軸力11510.016.473鋼管1剪力655.229.18鋼管1軸力8077.028.40鋼管2剪力961.918.90鋼管2軸力11110.019.38塔線系統控制鋼管內力最大值及減振率

§4

塔線橫風作用下的振動控制研究阻尼器方案提取項目最大值(kN)減振率(%)0鋼管1剪力925.2--鋼管1軸力11280.0--鋼管2剪力1186.0--鋼管2軸力13780.0--4鋼管1剪力774.916.25鋼管1軸力9466.016.08鋼管2剪力1015.014.42鋼管2軸力11730.014.885鋼管1剪力776.516.07鋼管1軸力9481.015.95鋼管2剪力1011.014.76鋼管2軸力11690.015.176鋼管1剪力573.238.05鋼管1軸力7509.033.43鋼管2剪力912.323.08鋼管2軸力10303.025.23鋼管1各方案內力減振率§4

塔線橫風作用下的振動控制研究鋼管2各方案內力減振率

動風作用下阻尼器布置仍然是方案6對塔-線系統的減振效果最好，第2、3方案次之。§4

塔線橫風作用下的振動控制研究5）動風作用下鋼管的軸向變形控制

為了分析動風作用下的鋼管軸向變形是否足以使阻尼器發揮作用，將動風荷載作用在塔-線系統的節點上，進行動力時程分析，第0方案和第6方案的鋼管軸向變形如下表所示，表中的鋼管編號見右圖?！?

塔線橫風作用下的振動控制研究第0方案的鋼管軸向變形

鋼管編號外鋼管截面(m2)外鋼管長度(m)鋼管受力(kN）彈性模量（Gpa)外鋼管軸向變形（mm）10.0197.633844.612001.7020.0157.5372308.312005.6530.0199.5112543.032006.3640.0158.7552522.432007.3650.0249.72979