朱德敦 李守錄 孔凡功 夏葉飛 俞琪琦 潘海洋

(1.山東送變電工程公司，山東 濟(jì)南 250022； 2.上海史狄爾建筑減震科技有限公司，上海 200092； 3.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

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輸電塔體型系數(shù)研究

朱德敦1李守錄1孔凡功1夏葉飛1俞琪琦2潘海洋3*

(1.山東送變電工程公司，山東 濟(jì)南 250022； 2.上海史狄爾建筑減震科技有限公司，上海 200092； 3.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

依據(jù)某工程的實(shí)際情況，建立了輸電塔有限元模型，通過ANSYS中的CFD模塊計(jì)算了輸電塔在0°,45°和90°風(fēng)向角下的體型系數(shù)，并與規(guī)范中的體型系數(shù)作了對比，結(jié)果表明：規(guī)范給出的體型系數(shù)值比數(shù)值模擬偏小，規(guī)范中鋼管塔體型系數(shù)的計(jì)算方法有待改進(jìn)。

輸電塔，有限元模型，體型系數(shù)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國對電力能源的需求持續(xù)增長，電力系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位越來越重要。輸電塔作為電力輸送的載體，是重要的生命線工程。近年來，輸電塔—線體系正朝著高塔體，大跨度方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，這使得其更易在風(fēng)荷載的作用下遭受破壞。

目前輸電塔—線體系的主要設(shè)計(jì)荷載為風(fēng)荷載，在現(xiàn)行的DL/T 5254—2010架空輸電線路鋼管塔設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[1]以及GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[2]中，風(fēng)荷載仍然作為一種靜力荷載作用于輸電塔。輸電塔整體體型不規(guī)則，規(guī)范中對鋼管塔體型系數(shù)的規(guī)定也比較簡單，這與實(shí)際情況不符。因此，開展輸電塔的體型系數(shù)研究具有重大的理論和工程實(shí)際意義。

1 輸電塔介紹

本文以某220 kV大跨越輸電塔為工程背景，大跨越輸電塔—線體系示意如圖1所示。輸電塔主體結(jié)構(gòu)的總高為122 m(呼稱高度102 m)，基礎(chǔ)為矩形(長25 m，寬23.6 m)，由主材、斜材和輔材等構(gòu)件組成，其中主材采用Q345鋼材，其他類型桿件主要采用Q235鋼材。

2 體型系數(shù)

風(fēng)載體型系數(shù)：建筑物表面受到的風(fēng)壓與大氣中氣流風(fēng)壓之比，描述的是建筑物表面的穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜態(tài)壓力的分布規(guī)律，主要與建筑物的“體形”和尺度有關(guān)，也跟周圍的環(huán)境和地面粗糙度有關(guān)。本節(jié)結(jié)合研究現(xiàn)狀以及輸電塔的結(jié)構(gòu)特性，通過ANSYS軟件中的CFD模塊模擬計(jì)算了輸電塔的體型系數(shù)，并與規(guī)范計(jì)算的體型系數(shù)進(jìn)行了對比分析。

由于輸電塔結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性，本文對輸電塔進(jìn)行了分段處理，如圖2所示。數(shù)值風(fēng)洞模擬過程為：1)建模，根據(jù)輸電塔的幾何尺寸建立物理模型。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為迎風(fēng)面與風(fēng)洞入口距離應(yīng)大于4倍～5倍建筑物高度，背風(fēng)面與風(fēng)洞出口應(yīng)大于9倍～10倍的建筑物高度，風(fēng)洞寬度應(yīng)為10倍～20倍的建筑物高度，建筑物頂面與風(fēng)洞頂面的距離應(yīng)大于4倍的建筑物高度。2)劃分網(wǎng)格，選擇合理的網(wǎng)格形式，并檢查網(wǎng)格質(zhì)量。3)選擇所需湍流模型以及合理的計(jì)算方法。4)確定邊界條件：進(jìn)流面、出流面、流域頂部和兩側(cè)以及結(jié)構(gòu)表面和地面。5)根據(jù)求解精度的需要，設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行求解計(jì)算。6)檢查并保存結(jié)果，對結(jié)果進(jìn)行后處理。

結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)研究現(xiàn)狀，本文建立了剛性原型模型。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，體型系數(shù)與風(fēng)速大小無明顯關(guān)系[4]。文獻(xiàn)[5]對多個紊流度下的輸電塔架所受的平均風(fēng)力進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，紊流度對平均風(fēng)力的影響較小。因此，本文通過風(fēng)速均取為30 m/s，湍流度均取為10%對進(jìn)流面的參數(shù)做了設(shè)置。水力直徑為與進(jìn)流面等面積的圓截面直徑。本文根據(jù)實(shí)際工程將出流面設(shè)置為完全發(fā)展出流。流域頂部及兩側(cè)采用對稱邊界條件，地面采用無滑移的壁面。本文主要采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型，采用SIMPLE算法計(jì)算壓力—速度耦合，在離散選項(xiàng)中，均采用一階離散格式。

經(jīng)過計(jì)算，得到了各分段模型在3個風(fēng)向角(0°,45°,90°)下承受的平均風(fēng)荷載如表1所示。根據(jù)體型系數(shù)的定義，可通過下式計(jì)算體型系數(shù)：

(1)

其中，Cx和Cy分別為順風(fēng)向的體型系數(shù)和橫風(fēng)向的體型系數(shù)；ρ為空氣密度，取1.225；v為風(fēng)速；A為擋風(fēng)面積；Fx和Fy分別為順風(fēng)向的平均風(fēng)力和橫風(fēng)向的平均風(fēng)力。

表1 不同風(fēng)攻角下的平均風(fēng)荷載 N

考慮到表1中輸電塔受到橫風(fēng)向的平均風(fēng)力遠(yuǎn)小于順風(fēng)向，故本文僅針對順風(fēng)向的體型系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并將計(jì)算的結(jié)果與現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行了對比。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和實(shí)際工程中輸電塔的尺寸，最終確定圓鋼塔架整體折減系數(shù)為0.75。表2和圖3給出了3個風(fēng)向角下的體型系數(shù)與0°和90°風(fēng)向角下數(shù)值模擬值與規(guī)范值對比曲線。

表2 不同風(fēng)向角下體型系數(shù)

由圖3可以看出，除第5段以外，CFD計(jì)算結(jié)果都要比規(guī)范計(jì)算的結(jié)果大，其中根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]計(jì)算得到的體型系數(shù)最小。第1段和第2段的數(shù)據(jù)顯示，CFD模擬得到的結(jié)果比規(guī)范計(jì)算得到的體型系數(shù)大得多；第3段,4段,6段,7段的數(shù)據(jù)顯示，CFD模擬得到的結(jié)果比規(guī)范計(jì)算得到的體型系數(shù)偏大；第5段的數(shù)據(jù)顯示，CFD模擬得到的結(jié)果與規(guī)范計(jì)算得到的體型系數(shù)接近，比規(guī)范計(jì)算得到的體型系數(shù)偏小。綜上所述，規(guī)范中鋼管塔體型系數(shù)的計(jì)算方法有待改進(jìn)。

3 結(jié)語

本文依據(jù)實(shí)際工程，建立了輸電塔三維有限元模型，通過ANSYS中的CFD模塊模擬計(jì)算了體型系數(shù)，并與規(guī)范中的體型系數(shù)對比分析。研究結(jié)果表明：規(guī)范值比數(shù)值模擬值整體偏小，規(guī)范中鋼管塔體型系數(shù)的計(jì)算方法需要進(jìn)一步探究與修正。

[1] DL/T 5254—2010,架空輸電線路鋼管塔設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[2] GB 50009—2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3] 任月明.風(fēng)雨激勵下輸電塔線體系的動力響應(yīng)分析[D].大連:大連理工大學(xué),2007.

[4] 鄭本有.基于ANSYS的數(shù)值風(fēng)洞模擬初探[D].北京:北京交通大學(xué),2008.

[5] 鄭遠(yuǎn)海.輸電塔平均風(fēng)荷載及響應(yīng)分析[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2008.

(1.ShandongPowerTransmissionandSubstationEngineeringCompany,Jinan250022,China;

2.ShanghaiShidierBuildingDampingTechnologyLimitedCompany,Shanghai200092,China;

3.CivilEngineeringandWaterConservationCollege,ShandongUniversity,Jinan250061,China)

Research on transmission tower shape coefficient

Zhu Dedun1Li Shoulu1Kong Fangong1Xia Yefei1Yu Qiqi2Pan Haiyang3*

According to the actual situation of an engineering, this paper established the transmission tower finite element model, through the CFD module in ANSYS calculated the shape coefficient of transmission tower in 0 degrees, 45 degree and 90 degree wind angle, and compared with the shape coefficient in standard, the results showed that: the shape coefficient of standard gave smaller than numerical simulation, the calculation method of steel tower shape coefficient in standard should be improved.

transmission tower, finite element model, shape coefficient

1009-6825(2017)11-0051-02

2017-02-10

朱德敦(1970- )，男

潘海洋(1992- )，男，在讀碩士

TM754

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