陳政清，王 茁，牛華偉，張宏杰

(1.湖南大學風工程試驗研究中心，湖南 長沙，410082；2.中國電力科學研究院有限公司，北京，100192)

高壓輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其運行狀態(tài)直接關系到電能輸送及供給的持續(xù)、穩(wěn)定與安全[1]。輸電線路上的大跨越輸電塔屬于高聳結構，具有塔體高、結構柔、荷載重、自振周期長等特點，對風荷載作用尤其敏感。在我國，輸電塔風致破壞事故時常發(fā)生，對人民生命財產安全構成了巨大威脅，因此，必須針對輸電塔的動力特性、風振響應以及振動控制開展系統(tǒng)研究以確保其結構的安全與穩(wěn)固。自上世紀90年代以來，借助調諧質量阻尼器(TMD)提高輸電塔抗風減振效果的相關研究層出不窮[2]，高翔等[3]運用數(shù)值模擬并基于風雨荷載的組合原理，對輸電塔放置TMD前后的風振響應進行了動力時程分析，驗證了該阻尼裝置減振的有效性。Tian等[4]進行了大跨越輸電塔TMD減振效果的參數(shù)化研究，通過數(shù)值計算分析了0°、90°風向角下TMD與結構的質量比、頻率比以及阻尼比等參數(shù)對于減振效果的影響，并確定了TMD振動控制的最佳參數(shù)。楊子玄等[5]開發(fā)出一種復合擺式TMD，并利用錘擊測試證實該裝置對于輸電塔塔體振動具有較好的控制效果，最大減振率高達96.2%。雷旭等[6]設計了一種彈簧板式電渦流調諧質量阻尼器，并引入非接觸式的電渦流阻尼概念，分別利用數(shù)值模擬及風洞試驗對該阻尼器振動控制效果進行分析，結果表明，該裝置具有全向、高效的減振功能。傳統(tǒng)電渦流TMD中磁鐵位于銅板兩側，而本課題組[7-8]所發(fā)明的新式電渦流阻尼器中磁鐵置于銅板一側，并通過加入鐵板以增大電渦流阻尼系數(shù)、改善漏磁現(xiàn)象，從而提高了電渦流TMD的耗能工作效率，基于此，本文設計了一組TMD參數(shù)，通過有限元模擬并利用本課題組新式電渦流TMD裝置進行風洞試驗，研究TMD對大跨越輸電塔風振響應的減振效果，以期為TMD在高聳結構減振領域的應用提供參考。

1 研究對象

本文以某1000 kV特高壓交流輸變電工程線路長江大跨越方案中的SZK型輸電塔為研究對象，該輸電線路從湖北省洪湖市螺山鎮(zhèn)東部跨越長江至湖南省臨湘市江南鎮(zhèn)西部，主跨檔距為2415 m，輸電塔單塔呼稱高297.5 m，全塔高371 m。

2 TMD減振效果分析

2.1 TMD減振效果的有限元模擬

2.1.1 有限元建模

運用有限元分析軟件ANSYS15.0建立輸電塔有限元模型。設定輸電塔鋼管和角鋼材質為Q345或Q420鋼，塔體除部分斜撐、橫撐采用BEAM4梁單元外，其余均選用BEAM188梁單元，連接點采用剛接處理，塔底4個節(jié)點采用固接處理與大地相連，所建輸電塔模型如圖1所示。該輸電塔前兩階振型如圖2所示，其中第1階振型為橫線向(90°風向角)一階彎曲，頻率為0.350 02 Hz，第2階振型為順線向(0°風向角)一階彎曲，頻率為0.350 79 Hz。

圖1 大跨越輸電塔有限元模型

(a)第1階

采用定義了剛度和阻尼系數(shù)的COMBIN14彈簧-阻尼器單元對TMD進行有限元模擬，并利用MASS21單元模擬其相應的質量。根據(jù)Den Hartog[9]提出的TMD最優(yōu)參數(shù)計算法,最優(yōu)頻率比fTMD和最優(yōu)阻尼比D分別為：

(1)

(2)

式(1)～式(2)中：f為結構自振頻率；μ為TMD與主結構的質量比，此處取近似值為2%。TMD設計參數(shù)和放置位置分別如表1和圖3所示。

表1 TMD設計參數(shù)

圖3 TMD懸掛點

2.1.2 脈動風的合成及加載

本文選取Davenport譜作為實際場地的風譜，表達式為:

(3)

式中:n為脈動風頻率；S(n)為功率譜密度函數(shù)；v*為流動剪切波速，x與脈動風頻率及風速有關，二者計算公式為

(4)

(5)

運用諧波合成法生成一組脈動風速時程，脈動風時程及功率譜曲線如圖4所示。

在軟土路基施工過程中，針對軟土路基中以粘性土壤為主要成分的部分，在施工時可以將添加劑摻進粘土土壤中，通過添加添加劑，不僅提高了軟土路基的強度，還將路基土的壓縮性提高。生石灰作為一種公認的添加劑，在軟土路基的施工中應用廣泛，這不僅僅可以促進軟土的固結，還可以減少土壤的含水量，從而使軟土路基逐漸穩(wěn)定。

(a)脈動風時程曲線

2.1.3 數(shù)值計算結果分析

運用ANSYS瞬態(tài)分析模塊持續(xù)加載脈動風300 s，在此期間，大跨越輸電塔在有、無TMD控制條件下橫線及順線方向塔頂?shù)奈灰茣r程及加速度時程曲線如圖5所示。因為輸電塔順線方向迎風面積和阻力系數(shù)比橫線方向相應值更大，所以順線方向的風振響應也較橫線方向更明顯。根據(jù)輸電塔風振響應時程曲線可獲得有、無TMD控制時塔體的振動指標及相應減振率計算結果如表2所示。由表2可見，相比無TMD狀態(tài)，在利用TMD控制后，輸電塔頂部加速度均方根減振率達到30%以上，位移均方根減振率也在10%左右，減振效果十分明顯。當模擬進行300 s時停止施加脈動風荷載，獲得300～400 s時間段輸電塔的位移衰減曲線如圖6所示。根據(jù)圖6模擬結果經計算可知，相比無TMD狀態(tài)，安裝TMD之后的輸電塔結構橫線向阻尼比由0.0103增至0.0567、順線向阻尼比由0.0103增至0.0464，相應增幅較大，這表明TMD可以較好地控制沖擊荷載的作用。

(a)橫線向

表2 振動指標

(a)橫線向位移時程曲線

通過模擬獲得輸電塔位移響應頻譜曲線如圖7所示。輸電塔風致振動響應可分為共振響應和背景響應[11]，從圖7中可以看出，TMD雖在順線及橫線方向并未對振動頻率相對較低的背景響應部分發(fā)揮明顯抑振作用，但對順線向第1階振型共振響應部分控制效果較好。

(a)橫線向

2.2 TMD減振效果的風洞試驗

2.2.1 輸電塔氣彈模型及電渦流TMD模型設計

本文采用離散剛度法[12]設計了輸電塔氣彈模型?？紤]到實際工程中輸電塔的高度達到371 m，為了便于進行風洞試驗，擬定輸電塔氣彈模型主要物理量的相似比關系如表3所示，其中n為幾何縮尺比參數(shù)，m為風速比。在空間桁架體系中，氣彈模型剛度相似可按二力桿近似處理，即只需考慮拉伸剛度相似即可。

表3 氣彈模型相似比

電渦流TMD模型的設計原理基于本課題組已有研究成果[7-8]，模型實物如圖8所示。

圖8 電渦流TMD實際模型

2.2.2 風洞試驗與結果分析

輸電塔氣彈模型風洞試驗在湖南大學HD-2風洞實驗室進行，試驗段風速介于0～58 m/s且連續(xù)可調。為滿足風速和紊流度的要求，采用“豎向尖劈+橫向矩形板”裝置模擬相應B類風場，利用眼鏡蛇探針測量風速以及紊流度，圖9所示為風場布置以及距地面0.1～2 m范圍內所測風速及紊流度實際值與相應理論值的擬合結果。

(a)風場布置

連續(xù)敲擊輸電塔塔身，借助加速度傳感器對輸電塔進行動力特性標定，結果如圖10所示，其中g為重力加速度。由圖10可見，輸電塔順線和橫線方向的頻率相差極小。鑒于輸電塔順線和橫線方向的頻率近似相等，為了制作方便，將電渦流TMD設計為各向彎曲剛度相同的懸臂體系，即各向自振頻率相等。采用激光位移傳感器對電渦流TMD模型進行標定，相應標定結果見圖11。綜合上述測試結果，將輸電塔氣彈模型及電渦流TMD模型頻率實測值與相應的嚴格遵照縮尺比例的模型理論值進行對比，結果如表4所示,二者阻尼比實測值與相應理論值的對比見表5。

(a)塔身橫線向激振時程曲線

(a)電渦流TMD模型激振時程曲線

表4 模型頻率對比

表5 模型阻尼比對比

圖12所示為加速度傳感器及電渦流TMD布置情況，其中加速度測點布置在輸電塔最上層橫擔上，橫擔兩端邊緣分別沿順線方向放置一個加速度傳感器，另外橫擔中間在順線向和橫線向各布置一個加速度傳感器。同時，還使用非接觸式視頻位移計測量了輸電塔的位移響應。在有、無電渦流TMD條件下，輸電塔在風洞試驗過程中的風振響應測試結果見圖13?；趫D13所示測試結果，可計算出輸電塔在90°、45°和0°風向角方向的加速度均方根減振率分別為30.04%、30.24%和31.09%，位移均方根減振率分別為9.49%、8.98%和9.70%，將輸電塔在90°及0°風向角方向的加速度均方根及位移均方根減振率實測值與相應理論值進行對比，結果見表6。由表6可知，在風洞試驗中，輸電塔在橫線(90°風向角)及順線方向(0°風向角)的加速度均方根減振率及位移均方根減振率相比相應的數(shù)值模擬結果略微偏低，這是因為風洞試驗中電渦流TMD的存在增大了輸電塔上部的迎風面積。整體來說，輸電塔電渦流TMD減振效果的風洞試驗結果與相應數(shù)值模擬分析結果基本吻合，加速度均方根減振率約為位移均方根減振率的3倍左右，表明電渦流TMD對于位移背景響應的控制能力有限，但是對于加速度響應能起到較好的控制作用。

(a)加速度傳感器布置

(a)90°風向角(橫線向)加速度響應時程曲線

表6 大跨越輸電塔減振率

3 結語

本文針對1000 kV特高壓大跨越輸電塔的風振響應問題分別進行了數(shù)值模擬分析及風洞試驗，數(shù)值模擬結果顯示，輸電塔順線方向的風振響應更明顯，在放置了TMD之后，塔體振動的衰減速度明顯加快，表明TMD有效提升了整體結構的阻尼比，因此，TMD可用于處理大跨越輸電塔的斷線沖擊問題。數(shù)值模擬計算及風洞試驗均證實電渦流TMD對大跨越輸電塔在橫線和順線方向的第一階彎曲振動具有一定的控制作用，并且電渦流TMD對輸電塔加速度響應的控制效果較其對位移響應的控制效果更好，這是因為在輸電塔這類高聳結構的位移響應中，低頻部分的背景響應較大，而TMD主要控制風振響應中的共振響應。此外，在風洞試驗中，通過離散剛度法并且放松彎曲剛度和扭轉剛度相似比要求所設計的輸電塔氣動彈性模型可以很好地反映實際結構的振動情況，是一種比較理想的氣彈模型設計方案。還需指出的是，因大跨越輸電塔原型較高，氣彈模型縮尺比較小，導致氣彈模型部分桿件過于細小，而電渦流TMD模型設計主要考慮其功能要求，在加工制作時無法滿足幾何相似，這將大大增加輸電塔結構頂部TMD放置處附近的迎風面積，從而降低其減振效果，不過在實際工程中，電渦流TMD的安裝對于原結構迎風受力影響甚小，基本可以忽略。