朱曉虎，胡 晨，周方圓，王靜峰，胡培芳，劉 用

(1.國網安徽眾興電力設計有限公司，安徽 合肥 230031； 2.國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院，安徽 合肥 230031；3.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009； 4.先進鋼結構技術與產業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著中國經濟快速增長，人們對電力能源的需求量大幅度增長。為滿足用電需求、完善電網配置，近年來大量建設了超高壓輸電塔-線體系。輸電塔體系作為近地面柔性結構的典型代表對極端強風非常敏感，在極端強風作用下輸電塔結構容易發(fā)生桿件局部破壞、塔頭損壞甚至塔體倒塌破壞等，導致線路故障且修復困難。

下?lián)舯┝髯鳛闃O端強風的一種，是由強下沉氣流猛烈沖擊地面形成的近地面短時破壞性強風[1],具有突發(fā)性強、范圍小、生命周期短、出流強度大等特點。下?lián)舯┝鳂O端強風災害，可導致房屋破壞、輸電塔及通信塔倒塌等(圖1)，造成巨大的經濟損失，嚴重影響人們的生產生活。其中，輸電塔結構由于具有結構高、柔性強和阻尼小等特點，在下?lián)舯┝髯饔孟嘛L振響應顯著，風致災害尤為嚴重。

為此，本文從下?lián)舯┝黠L場特性的角度出發(fā)，介紹了其風速特征及理論與數(shù)值分析方法，概括總結了在下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝w系的風振響應，分析了輸電塔優(yōu)化設計的技術手段,旨在為下?lián)舯┝鲝婏L作用下輸電塔性能研究提供參考依據(jù)。

圖1 下?lián)舯┝黠L災現(xiàn)場

1 下?lián)舯┝黠L場特性

隨著下?lián)舯┝髟斐傻膹婏L災害逐漸被人們重視，一系列關于下?lián)舯┝鞯膶崪y研究、物理試驗、數(shù)值模擬及解析模型紛紛開展起來，全方位地探究下?lián)舯┝鞯娘L場特征，為建筑結構[2]、輸電塔體系[3]和橋梁結構[4]等工程結構的抗下?lián)舯┝鞣治龅於嘶A。

伊利諾伊州北部強降水氣象研究[5](Northern Illinois Meteorological Research on Downbursts,NIMROD)是國際上第一個觀測下?lián)舯┝鞯默F(xiàn)場實測科研項目。該項目雖未成功獲得尺度小、生命周期短的微下?lián)舯┝鞯膭恿μ卣鳎C實了下?lián)舯┝鞯念l發(fā)性。[6]聯(lián)合機場天氣研究(Joint Airport Weather Studies,JAWS)項目通過分析180多個下?lián)舯┝靼咐l(fā)現(xiàn)了其持時短的時間特征，以及其風速隨高度增加先增大后減小等速度特征。Hjelmfelt[7]通過總結JAWS項目下?lián)舯┝鲗崪y數(shù)據(jù),繪制了一個典型的下?lián)舯┝黠L速剖面,如圖2所示。FAA-LINCOLN 實驗室運營志愿者研究(FAA-Lincoln Laboratory Operational Weather Studies，F(xiàn)LOWS)[8]項目發(fā)現(xiàn)了下?lián)舯┝髁鲌鼋Y構具有對稱或近似對稱的特征。李宏海等[9]統(tǒng)計分析了1971—2000年的中國707座氣象基站資料，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)全國各地區(qū)每年平均發(fā)生下?lián)舯┝?0.7天，證明了下?lián)舯┝髟谖覈哂休^高的頻發(fā)性，結合我國下?lián)舯┝鲿r空分布特征和下?lián)舯┝骼勰昶骄鞌?shù)，將我國下?lián)舯┝黠L荷載劃分為低發(fā)區(qū)、高發(fā)區(qū)和頻發(fā)區(qū)三個區(qū)域。

圖2 下?lián)舯┝黠L速剖面(Hjelmfelt繪制)

目前，實現(xiàn)下?lián)舯┝魑锢碓囼災M的方式主要有兩種，分別是重力流模擬和沖擊射流模擬。在結構風工程領域，學者們側重于研究下?lián)舯┝鳑_擊地面后擴展階段的風場特征，探究下?lián)舯┝骶植繌婏L荷載對工程結構的風致效應，往往多采用空氣沖擊射流模型模擬下?lián)舯┝黠L場。多項下?lián)舯┝魑锢碓囼灲Y果表明，沖擊風的風速、直徑、射流高度、入射傾角，以及地形地勢、地面傾斜度與粗糙度等對下?lián)舯┝黠L場有重要的影響[10-13]。

在下?lián)舯┝鞯难芯恐?，?shù)值模擬是一種經濟且便利的研究手段，用來探究下?lián)舯┝魑⒂^的流場特征。早期，Selvam等[14]、Nicholls等[15]和Wood等[16]分別采用了2D軸對稱的k-epsilon湍流模型、2D軸對稱的大渦模擬方法和DRS(Differential Reynolds Stress)湍流模型對比分析不同模擬方法的優(yōu)缺點。2D軸對稱風場數(shù)值模型有著嚴苛的適用性，大多數(shù)實際風場難以滿足二維空間風場的簡化條件，限制了下?lián)舯┝黠L場特征的研究。近年來，計算機技術快速發(fā)展，大力推動了3D空間下?lián)舯┝黠L場模擬分析的發(fā)展。Anabor等[17]通過大渦模擬方法開展了下?lián)舯┝魅S風場數(shù)值模擬，跟蹤了下?lián)舯┝餮葑冞^程，能夠較好地模擬還原出下?lián)舯┝黠L場中的脈動特性及渦旋狀態(tài)。瞿偉廉等[18-20]采用計算流體動力學軟件Fluent探究了下?lián)舯┝鲾U散的細部微觀風場結構，分析了瞬時風速分布及風場初始條件的影響。鐘永力等[21]對比分析了靜止型與移動型的下?lián)舯┝黠L場特性，結果表明由于下?lián)舯┝黠L暴中心的移動導致渦旋衰減較慢、局部風速較大。

最早，Oseguera及Bowles等[22]提出了一個下?lián)舯┝髌骄L速的軸對稱理論模型，簡稱OB模型。Vicroy等[23]改進了OB模型的形狀函數(shù)，定義了一個與實際風速剖面更符合的OBV理論模型。但OB和OBV理論模型尚未考慮雷暴中心移動對下?lián)舯┝黠L速的影響。為此，Holmes等[24]認為下?lián)舯┝黠L速為其徑向平均風速與雷暴中心移動速度矢量和，忽略了脈動風速的影響。Chen等[25-28]采用幅值調幅函數(shù)和標準高斯分布過程計算下?lián)舯┝鞯牧憔得}動風時程，提出了下?lián)舯┝鞯娘L速時程U(z,t)計算方法，表達式如下：

(1)

u(z,t)=α(z,t)·k(z,t)

(2)

2 下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝w系的風振響應

據(jù)相關統(tǒng)計，我國絕大部分地區(qū)均會受到下?lián)舯┝鲝妼α魈鞖獾挠绊?，尤其在西南部地區(qū)最為頻繁，平均每周1次以上。下?lián)舯┝鞯娘L速剖面區(qū)別于大氣邊界層近地風風，時變平均風速差異大，如圖3所示，脈動性較強，對工程結構具有極大的破壞性，尤其是對于高聳、輕柔的輸電塔體系而言。然而，目前尚無下?lián)舯┝鳂O端強風荷載設計的相關規(guī)范，大量建設的輸電塔結構仍采用大氣邊界層平穩(wěn)風荷載設計方法[29，30]，無法保證輸電塔體系對抗下?lián)舯┝鞯陌踩?。為此，研究者們開展了下?lián)舯┝鳂O端強風下輸電塔體系的風振響應研究。

圖3 下?lián)舯┝髋c近地風平均風剖面對比

樓文娟等[31，32]以輸電塔體系為研究對象，對比分析了時域與頻域風振響應分析方法，結果表明時域分析法更適合輸電塔線體系的動力風振響應研究。

吉柏鋒等[33]對輸電塔結構進行了下?lián)舯┝鳂O端強風荷載作用下的彈塑性分析，分析發(fā)現(xiàn)塔身中上部的斜腹桿和主桿失穩(wěn)破壞是導致輸電塔結構倒塌破壞的主要原因。

何典等[34]采用擬靜力方法分析了下?lián)舯┝髯饔孟缕降?、山坡、山體不同地形輸電塔體系的破壞過程，以及風向角、檔距對輸電塔線承載能力的影響。

洪飛等[35]基于諧波合成法研究了下?lián)舯┝髅}動風速對塔線體系的影響，對比分析了下?lián)舯┝髋c大氣邊界層良態(tài)風對塔線體系風振響應的差異。

郭勇等[36，37]將輸電塔的風振響應分解為共振分量和背景風量，采用理論計算和試驗研究方法，分析了在下?lián)舯┝鳂O端強風荷載作用下輸電線對這兩部分分量的影響，并提出了一種塔線體系的簡化計算方法。

謝強等[38，39]研究了單塔和塔線體系在均勻流場和紊流場的風致響應,通過分析不同風攻角、流場及風速工況下塔線體系動力響應數(shù)據(jù),總結出了導線、絕緣子和輸電塔風致振動規(guī)律，通過功率譜密度分析，揭示了輸電塔線耦聯(lián)體系的風荷載傳遞機制。

魏文暉等[40]基于能量法開展了下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝€體系的倒塌全過程分析，通過特征能量函數(shù)的動力穩(wěn)定性判定準則可準確迅速預測輸電塔線體系整體倒塌的時間。

王唯等[41]基于有限質點進行了輸電塔線體系抗下?lián)舯┝鲃恿憫治?，模擬了單塔和塔線耦合體現(xiàn)的倒塌全過程。

3 輸電塔體系優(yōu)化設計

輸電塔體系在下?lián)舯┝鳂O端強風作用下具有顯著的響應特性，桿材會發(fā)生不同程度的破壞。有必要在滿足安全使用要求的前提下，進行輸電塔結構的優(yōu)化設計，降低結構用鋼量，預防結構發(fā)生倒塌等破壞，推動電力工業(yè)向著安全、綠色、環(huán)保的目標進一步發(fā)展。

輸電塔結構作為一種特殊的工程結構，其優(yōu)化設計包括對塔身截面、形狀、拓撲優(yōu)化和減振控制。

樊社新等[42]以鋼材重量為目標函數(shù)，采用滿應力準則和動態(tài)規(guī)劃法相結合的方法對輸電塔截面進行優(yōu)化設計。目前，我國有關設計軟件主要是以滿應力準則進行優(yōu)化設計，優(yōu)化策略較為單一。

祝曉燕等[43]基于非線性規(guī)劃法采取分層優(yōu)化交替進行，給出了多種工況下的輸電塔形狀優(yōu)化。后來，隨著各種啟發(fā)式算法的推廣應用，各種算法用來對輸電塔結構形狀進行優(yōu)化。

文獻[44]中以桿件截面尺寸和節(jié)點坐標為設計變量，以塔身重量為目標函數(shù)，進行輸電塔結構形狀優(yōu)化。

張卓群等[45]基于蟻群算法提出了一種可同時進行截面、形狀、拓撲、布局優(yōu)化的輸電塔結構局部優(yōu)化設計方法。在蟻群算法的基礎上，林又新等[46]結合經典的旅行商問題建立了一種離散系統(tǒng)的拓撲優(yōu)化方法，通過算例驗算證實了該拓撲方法對平面和空間的輸電塔結構具有良好的優(yōu)化效果。

輸電塔結構常布置調諧質量阻尼器(TMD)、黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器等耗能設備消耗一部分振動能量，減小主體結構的振動。TMD易于安裝、設計方便、經濟高效等優(yōu)點，但僅對有限振型的減振效果良好。胡松等[47]采用多個調諧質量阻尼器(MTMD)進行大跨越輸電塔結構的風振控制分析。陳亦等[48]分析了MTMD和黏彈性阻尼器對輸電塔結構風振控制的聯(lián)合效果?？翟返萚49]對比了5種黏滯阻尼器的布置方式，評估其對山區(qū)轉角塔的風振控制效果，得出黏滯阻尼器的最優(yōu)布置方案。雷旭等[50]為減輕輸電塔斷電線的沖擊效應和較大的風致振動問題，設計了一種彈簧板式電渦流調諧質量阻尼器，通過數(shù)值模擬和風洞試驗方法對比分析了有無該阻尼器對輸電塔結構風致振動的影響。

4 研究展望

本文從下?lián)舯┝鲝婏L風場特性、輸電塔風振響應及優(yōu)化設計三個方面總結了下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝w系的研究成果，但結合相關工程實際案例發(fā)現(xiàn)仍有一些問題亟須解決。為此，提出了如下研究展望：

(1) 我國常受到下?lián)舯┝鳛暮η忠u，但目前有關結構設計規(guī)范中尚無下?lián)舯┝鲝婏L荷載的設計計算方法，需提出一種方便設計使用的下?lián)舯┝黠L荷載計算方法。

(2) 目前，大多數(shù)輸電塔結構采用良態(tài)風進行抗風設計，其對抗下?lián)舯┝鲝娒}動風的安全性能需要全面評估，如何建立一種安全、可靠、方便的輸電塔結構抗下?lián)舯┝髂芰Φ脑u估方法。

(3) 輸電塔體系復雜，其抗風性能影響因素眾多，如何考慮結構已有部分缺陷，諸如連接節(jié)點螺栓松動、滑移，對輸電塔體系抗下?lián)舯┝鞯撵o力性能和動力響應的影響。