长塔臂输电塔的三维风荷载特性及抗风设计方法研究

超高压和特高压线路是现代输电线路的主要建造方向，长塔臂是这些输电塔的典型特征。长塔臂输电塔在横担上有很大的质量和挡风面积的突变，其动力特性和传统的输电塔有较大差异，横风向和扭转风荷载效应显著。输电塔设计规范没有考虑横风向和扭转的风荷载，同时提供的风振系数计算方法很难适用于长塔臂输电塔。国内外相关研究主要针对顺风向，很少涉及扭转效应以及考虑三维作用的风效应，同时以往基于悬臂梁模型的风荷载研究方法和相关理论在长塔臂输电塔也存在适用性问题。本课题针对典型长塔臂输电塔，采用现场实测、高频动态天平风洞试验、气弹模型风洞试验、典型节间测压风洞试验和时频域计算方法，分析输电塔三维风荷载的时频域特征和产生机理，研究分布力和节点力的风荷载作用模式对杆件受力的影响，给出考虑三个方向作用的输电塔风荷载的研究方法、响应特征和等效风荷载。发展输电塔的相关风振理论，并为相关规范条文的修订提供一定的依据。

随着输电线路规模的增大，长横担输电塔越来越广泛地得到应用。由于在长横担上存在很大的质量和挡风面积的突变，导致长横担输电塔的风荷载特性与传统的输电塔有较大差异，同时其横风向和扭转向的风荷载效应显著，非常有必要进行长横担输电塔三维风荷载特征和抗风设计方法研究。本课题主要研究内容有：（1）采用气弹模型风洞试验获得输电塔在顺风向、横风向和扭转向的风振特征；（2）采用高频动态天平风洞试验研究圆截面钢管塔的体型系数，分析风洞试验时雷诺数效应的修正方法；（3）采用大比例尺刚性测压风洞试验获得角钢塔各杆件的局部风压分布，分析节段模型的整体体型系数和力谱特征；（4）基于高频天平动态试验数据，提出考虑顺风、横风和扭转向三维作用的输电塔等效风荷载计算方法；（5）分析输电塔风致响应的各种时频域计算方法，对比各结果以探讨各种方法的适用性；（6）研发用于输电塔加速度测试的轻便现场实测装置和进行应用，研究输电塔的半刚性连接对输电塔自振特性和风致响应的影响；（7）基于向量式有限元方法进行输电塔风振响应和风致倒塌计算。.研究结果表明：（1）在各风向角下输电塔的横风向加速度与顺风向加速度接近，横风向效应在设计中必须考虑；（2）圆钢塔的天平测力风洞试验中，高湍流风场下测试获得的体型系数可不进行修正，均匀流下体型系数需要考虑修正系数；（3）圆钢塔架体型系数在15°风向上达到最大值，正迎风的体型系数与美国规范接近，比中国规范大；(4)典型角钢塔节段模型的顺风向体型系数为2.99，比中国规范大，规范数据偏危险；（5）典型角钢塔节段模型在顺风向与横风向基底剪力的相干性、顺风向基底剪力与扭矩间的相干性均较小，横风向基底剪力与扭矩间的相干性较大；（6）时频和频域的两种方法（CQC法和背景加共振）得到的结果非常接近，在频域分析中模态交叉项的贡献不可忽略，对于长塔臂输电塔需要考虑至少6阶模态的参与；（7）基于C++编制了输电塔基于向量式有限元的风振响应计算程序，与传统有限元的风致响应结果一致，演算获得输电塔的风致倒塌过程；（8）提出了输电塔的三维抗风设计方法，能同时考虑三个方向的风荷载作用，已在玉环电厂二期送出线路等工程中得到应用。