下击暴流作用下输电杆塔的风振响应

王 昕

（武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070）

下击暴流是强下沉气流冲击地面后向四周扩散引发的近地面强风，风速最大值分布在距离地面50～150m高度处，容易造成输电杆塔结构的倒塌，对社会生活和经济发展带来巨大伤害。目前，国内外学者对下击暴流作用下输电杆塔的结构响应进行了研究。Li等[1]考虑边界层的非线性变化，提出了水平速度的竖向形状函数和修正的径向形状函数，令下击暴流风场模型更加简单和精确。杨风利等[2]建立有限元模型，分别计算常规风和下击暴流风作用下输电塔主要杆件的受力情况，并以应力比为杆件破坏的判断标准，找到了下击暴流作用下输电杆塔的最不利杆件的位置。

文章研究采用Li风速剖面模型，通过计算得到猫头塔在下击暴流作用下的风荷载，进而对有限元模型进行非线性动力分析，得到输电杆塔在运动型下击暴流作用下的结构响应，并计算各个塔段高度的风振系数。

1 运动型下击暴流风场模型

在下击暴流风场运动的过程中，水平风速由随时间变化的平均风和脉动风组成，则任一时间任一高度的下击暴流风速可按式（1）表述。

1.1 平均风速模拟

在下击暴流作用的过程中，风场中心会随着时间的变化向输电杆塔中心移动，下击暴流和输电杆塔加载点的相对位置会发生改变，导致该点的水平风速也发生变化。Holmes[3]认为下击暴流风场中任一位置点的平均风速可表示为该点的径向风速与下击暴流风场的移动速度之和，即

式中：um为风场中最大水平风速，um=45m/s；um,vs(z)为竖向风剖面形状函数；uRS(t)为径向风剖面形状函数。

式中：γ=0.159；zum=0.0393D；Rc为径向尺度，Rc=0.599rm；β=1.287；η=2.01；χ=-0.0363；rmm=0.0078D；D=800m；r(t)下击暴流中心与输电塔中心之间的距离为径向距离；rm(z)为某高度处最大水平风速所对应的径向距离。

Chen[4]认为（因射流中心的移动而导致的下击暴流的平均风速增量）沿高度的变化趋势与相同，其中射流中心的移动速度Vt=max(vt(z))。此处为简化计算，消除时间的影响，可假定的变化规律与竖向风剖面形状函数um,vs(z)相同，并假定Vt=12m/s。

1.2 脉动风速模拟

下击暴流风场中的风速不仅包括平均风速部分，还包括脉动风部分。由于下击暴流风的方差随高度不变，可将10m高度处的方差作为整个输电塔各个高度的方差，故脉动风速可视为方差和一给定功率谱的稳态高斯过程的乘积：

式中：u*为剪切风速；ω为风的频率。

2 输电杆塔建模

使用ANSYS软件建立某钢结构猫头状输电塔有限元模型，输电塔构件采用BEAM188梁单元进行模拟，塔高48.5m，呼高39m。通过对该输电杆塔进行模态分析，得到前四阶频率和振型特征如表1所示。

表1 塔体模型的自振频率和振型描述 单位：Hz

将输电杆塔按高度方向共划分成8个塔段，取每个塔段内塔身主杆和塔身斜腹杆的节点高度风速为模拟点风速，该塔段内所有风速均为模拟点风速，将得到的下击暴流风荷载按塔段集中施加于输电塔的加载点上该猫头塔模型的加载方式，如图1所示。

图1 输电杆塔模型及加载方式示意图

在获取下击暴流风速时程和输电杆塔模型各参数的情况下，即可计算该猫头塔各塔段风荷载时程：

式中：ρ为空气密度，ρ=1.29kg/m3；As为迎风面构件的投影面积计算值，m2。

3 输电杆塔响应分析

（1）将全风荷载施加于输电杆塔上进行非线性瞬态动力分析，该方法为输电塔结构在风荷载作用下真实动力响应的实用精确的计算方法。根据非线性时程分析法，以0.2s为时间步长，计算3000步，时间长度为600s，材料阻尼比为0.01。（2）将平均风荷载施加于输电塔上进行非线性静力分析，得到输电杆塔在这两种不同加载方式下的塔顶顺风向位移时程，如图2所示。

图2 输电杆塔塔顶位移时程图

由图2可以看出，在下击暴流运动过程中，输电杆塔的塔顶位移出现正负2个峰值，由于移动风速的作用，正峰值远大于负峰值的绝对值。全风瞬态动力作用下的塔顶位移最大值达到0.122m，为平均风静力作用下塔顶位移最大值的1.17倍。脉动风响应在0附近波动，且在总响应的2个峰值处波动较大。

4 结论

下击暴流运动过程中，输电杆塔的塔顶位移时程中出现2个峰值，脉动风场对结构响应具有明显的放大作用，全风瞬态动力作用下的塔顶位移较大，其最大值为平均风静力作用下塔顶位移最大值的1.17倍。