下击暴流环境下风、浪、流联合作用机制及跨海输电线路失效模式

Offshore transmission lines play a critical role in the development of marine economics. A large number of accidents and studies have shown that downburst flows are harmful to the safe operation of transmission tower lines, while offshore downbursts cause strong winds near the ground, which occur frequently and have the characteristics of high wind speed and wave-induced flow. The correlation between wind, wind-induced flow, wind-induced wave are obvious, and the mechanism of load action is more complicated. The study on how to resist the wind, wave and flow loading is of great significance, since the transmission lines belong to lifeline engineering.. By means of theoretical analysis, laboratory physical simulation, numerical simulation test, field measurement, etc., the application project revolves around the characteristics of downburst wind field under offshore micro-topography, wind-driven wave and wind induced flow theory under downburst flow environment, as well as the time-frequency correlation between downburst flow, wave and current, and their combined action mechanism, also failure mode analysis and relevant design theory of offshore transmission line under downburst environment. The project aims to expound the combined action mechanism of wind, wave and fluid and their loading effects, and propose relevant wind-wave-flow resistance design theory. Relevant research results can also be extended to determine the load effect of other offshore structures and their wind-wave-flow resistance design.

跨海输电线路建设是发展海洋经济的重要一环。大量的事故和研究表明下击暴流对输电塔线安全运行有较大的危害性，而在近海发生的下击暴流致使的近地面强风，具有频发、高风速、致浪流的特点，风、风成流、风成浪等荷载效应之间的相关性明显，荷载作用机制更为复杂。跨海输电线路属于生命线工程，开展相关抗风、浪、流研究具有重要意义。. 申请项目采用理论分析、实验室物理模拟、数值仿真试验、现场实测等研究手段，围绕近海微地形下下击暴流风场特征，下击暴流环境下的风生浪、风生流、波生流的机制及相关理论，下击暴流和浪、流等荷载效应之间的时、频域相关性及联合作用机制，下击暴流环境下跨海输电线路的失效模式、设计理论等开展相关研究。阐明下击暴流环境下的风、浪、流联合作用机制和荷载效应理论，建立相应的跨海输电线路抗风、浪、流设计理论。相关研究成果还可推广应用于其他海上结构的荷载效应确定和抗风、浪、流设计中。

连接岛屿和大陆的跨海输电线路已成为发展海洋经济的重要保障。输电铁塔属于柔性结构，风荷载是其主要的设计控制要素。近海气候条件恶劣，下击暴流时有发生，其产生的近地高风速严重危害跨海输电线路的安全运行。因此对下击暴流环境下跨海输电线路的荷载模式、设计计算理论开展深入研究具有重要的意义，同时可帮助深入认识近海雷暴天气下的风浪场特征及完善近海建筑、构筑物设计计算理论。. 主要研究内容包括：1) 典型海岛地貌下下击暴流风场试验研究及荷载理论;2) 实际海岛地貌的下击暴流风场特征试验研究及荷载理论的应用; 3)下击暴流环境下的风-浪场相似准则理论研究及CFD数值仿真分析; 4)下击暴流环境下的风-浪场流场特征试验研究;5) 下击暴流致输电塔线体系倒塌及失效模式分析;6) 海上输电塔线的荷载理论及设计计算方法研究。. 研究结果表明：1)典型海岛地貌对下击暴流风场的最大风加速效应在山脊上，并与相对山高及坡度相关，最大的加速比系数为1.12；2) 实际海岛地貌下击暴流风场特征风洞试验研究表明，提出的海岛地貌下击暴流风荷载理论较好地表征了该风场特征，适用于工程设计；3）推导获得的风生浪两相流相似准则，解决了下击暴流环境下风-浪场物理模拟实验中的相似系数难以确定的难题，下击暴流风速相似系数可采用缩尺比的平方根；4）试验和CFD分析均表明，下击暴流风生浪流场表现为射流下方有凹面且波浪较平缓，波高在约2倍射流直径处达到最大值，随后有较稳定的波浪区，浪场特征参数主要和射流速度和射流高度相关。背景波浪和下击暴流共同作用时，波浪在频域上表现为两者的叠加；5）针对下击暴流作用下的输电塔结构，提出了基于构件承载能力的连续倒塌分析方法，其主要结构失效模式可归为塔头破坏、塔中腰折和塔脚失效，斜材失效是结构失效的主要诱因；6）提出了考虑下击暴流的海上输电线路的荷载理论和设计计算方法，随机波浪模拟时可采用考虑背景波浪和下击暴流波浪叠加的修正PM谱进行计算。