大跨越输电塔线体系风雨荷载及响应破坏机理研究

Many transmission tower-line systems have collapsed recently. Most of the time, researchers have attributed the collapse cases to strong winds, and the rainfall effect on the dynamic response of structures has been ignored in design. Thus, it is necessary to perform systematic study on some of the key problems for rain load model and the dynamic response of tower-line system. Transmission line is composed of transmission tower and line. The rain load acting on transmission tower is main impinging force, and the rain load for transmission line shows the form of aerodynamic force. In this project, the first step is to study the process of single raindrop impinging, and then modify the existing rain load model to reveal the acting mechanism; after that present the calculating method of wind and rain loads for transmission line and elaborate the mechanism, whilst conduct the wind tunnel test to study the aerodynamic property of transmission line under wind and rain excitations; at last simulate the dynamic response of tower-line system subjected to wind and rain loads and propose the estimation method of collapse status. This study has a very important significance to improve the operating safety, reduce the storm disasters, and formulate relevant guidelines for transmission line.

近年来，输电塔线体系在大风暴雨气候下的倒塌事件频发，这些倒塌事故的原因往往都归结于强风的作用，忽略了降雨的影响。因而，非常有必要针对雨荷载数学模型及输电塔线体系风雨振响应破坏机理研究中存在的一些关键问题开展系统性研究。输电线路主要由铁塔及导地线组成，作用在铁塔上的雨荷载以碰撞力为主，而作用在导地线上的雨荷载以气动力为主。本项目首先对单雨滴碰撞过程开展研究，在此基础上，对现有塔身雨荷载数学模型加以改进，揭示其作用机理；其次，提出导地线风雨荷载计算方法，阐述形成机制，并对其风雨气动力特性开展试验研究；最后对输电塔线体系在风雨荷载耦合作用下的动力响应及倒塌状态评估机制开展仿真研究工作。本项目的完成对于提高输电线路安全性、减轻输电设施暴风雨灾害、以及制定相关的设计规程具有重要的工程实际意义。

历年来输电塔线体系在大风暴雨气候下的倒塌事件频发，其原因多归结于强风而忽略了降雨的重要影响，本项目针对雨荷载数学模型及输电塔线体系风雨振响应破坏机理开展了系统性研究。在考虑雨滴飞溅、速度变化等复杂因素基础上，对各个时刻的雨滴建立了有效适用的约束方程，推导出单个雨滴碰撞力的数学模型，并基于所开发的雨滴碰撞力精确测量装置开展了单雨滴碰撞力试验，揭示了碰撞力与碰撞形态的之间存在密切的关联，进而开展了导线风洞试验；基于一致缺陷模态法，建立了输电线路倒塌分析框架，并采用真型试验进行了验证，大大提升了输电塔结构非线性分析的效率；将不确定性分析应用到风雨致输电线路倒塌模式的研究中，揭示了各类不确定性因素在输电塔线体系结构分析中的重要作用；提出了输电塔线体系简化计算模型，大幅降低了易损性分析过程中的非线性计算量；提出了输电线路风雨耦合激励下的易损性曲面计算方法，并建立了临界倒塌曲面的概念，构建了输电线路风雨耦合激励下的倒塌状态快速评估机制，解决了风雨双强度指标耦合难题。本项目的完成对于提高输电线路安全性、减轻输电设施暴风雨灾害、以及制定相关的设计规程具有重要的工程实际意义。