管明文
[摘 要]:風振系數反映了脈動風對結構動力作用效應,目前國內輸電鐵塔設計主要依據《架空輸電線路桿塔結構設計技術規(guī)定》和《建筑結構荷載規(guī)范》中的相關規(guī)定,兩者差異性較大。本文結合有限元計算和理論分析,對兩種規(guī)范計算的風振系數值進行比較分析,并給出風振系數的取值建議。
[關鍵詞]: 風振系數,有限元計算,模態(tài)分析
1、序言
風荷載是輸電鐵塔設計的重要荷載,風振系數對風荷載大小起著關鍵性的作用,風振系數反映了脈動風對結構動力作用效應,然而,風振系數合理取值一直是輸電鐵塔設計中一個復雜的問題。
目前,國內輸電鐵塔風荷載設計主要依據《架空輸電線路桿塔結構設計技術規(guī)定》和《建筑荷載規(guī)范》的相關規(guī)定,兩者取值有較大的差異性。本文結合有限元計算和理論分析,對兩種規(guī)范計算的風振系數值進行比較分析。
2、輸電鐵塔風振系數
2.1風振系數
風振系數反映脈動風對結構動力作用大小,與結構的自振特性有關?!都芸蛰旊娋€路桿塔結構設計技術規(guī)定》(DL/T5154-2012)(下文簡稱《桿塔規(guī)定》)中規(guī)定:當桿塔全高不超過60m時,對全高采用一個系數;當桿塔全高超過60m時,應按《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2012)(下文簡稱《荷載規(guī)范》)采用由下到上逐段增大的數值,對于自立式桿塔,加權平均值不應小于1.6。
2.2桿塔結構的風振系數計算方法
《桿塔規(guī)定》中規(guī)定:對桿塔本身,當全高不超過60m時,全高采用一個系數;當桿塔全高超過60m時,應按現行國家規(guī)范《荷載規(guī)范》采用由下到上逐段增大的數值。由于輸電鐵塔結構截面沿高度并非連續(xù)變化,因此計算時,將桿塔劃分為n段,那么每一段的風振系數可表示為:
對于迎風面和側風面的寬度沿高度按直線變化或接近直線變化,而質量沿高度連續(xù)規(guī)律變化的高聳結構,計算Bz時應乘以修正系數Qb和Qv。Qb可按下式計算:
那么,全塔的風振系數可表示為《桿塔規(guī)定》中并未對全高大于60m的塔風振系數做出明確規(guī)定,需參照《荷載規(guī)范》中的相關規(guī)定。因此,有必要對桿塔結構的風振系數進行專門分析,結合理論分析和有限的模擬,得到適合于架空鐵塔的計算方法。
2.3自振周期的有限元分析
取某一直線塔,采用ANSYS進行模態(tài)分析,得到鐵塔的前三階模態(tài)的自振頻率和自振周期。
采用《荷載規(guī)范》附錄F.1.1的計算方法,計算第一階振型的自振周期的公式如下:
H—塔的全高,對于桿塔結構可取上限,即系數取0.013。
由上表可知,采用《荷載規(guī)范》計算的自振周期比通過有限元分析的自振周期大。
3、算例分析
以某直線塔為例,全高60m,根開12m,塔頭寬度2.4m,塔高與根開之比為5(滿足高寬比4~6的要求)。按B類地形粗糙度考慮,按《桿塔規(guī)定》中要求:風振系數取1.6。以下按《荷載規(guī)范》中的規(guī)定進行計算:
取基本風壓,地面粗糙度修正系數,結構阻尼比,計算處的風振系數:則脈動風荷載的共振分量因子為根據《荷載規(guī)范》中的規(guī)定,計算水平系數和豎直系數分別為:
30m米處的第一階振型系數為按B類地形,系數和分別取0.91和0.218,30m處風壓高度系數為1.39,則脈動風荷載的背景分量因子為:
所以,30m米處的風振系數為:由于桿塔質量近似沿高度連續(xù)變化,考慮修正系數Qb和Qv后,得到30米處風振系數的修正值為1.55。其它高度處的風振系數如下表:
由上表的計算結果可知,《桿塔規(guī)定》與《荷載規(guī)范》風振系數的計算結果差異較大。除塔高60m時兩者取值較為接近,當塔高30m-50m時,《荷載規(guī)范》取值增大3.5%-15.7%.
4、結論
4.1 風振系數與結構的自振特性有關,通過有限元分析得到的自振周期比《荷載規(guī)范》計算值小,規(guī)范值更接近風的脈動周期,故按規(guī)范取值結構更合理。
4.2 在塔高60m以下的輸電鐵塔設計中,建議按《荷載規(guī)范》計算風振系數。
參 ?考 ?文 ?獻
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