输电塔线体系覆冰舞动现场实测与塔体破坏机理研究

覆冰导线舞动导致输电塔破坏是一个随机和充满不确定性的非线性动力过程，目前还没有一种较好的数值模拟方法能够完成覆冰导线舞动导致输电塔破坏的全过程分析, 并且在有关多档距舞动性态及其对塔的动力作用效应、塔体破坏机理等关键问题上还缺乏系统的科学实测工作和物理试验研究。本项目基于国内首个舞动真型试验线路开展多档距输电塔线体系覆冰舞动现场实测研究；通过系列风洞试验，在风洞中再现塔线体系的舞动，研究覆冰分裂导线舞动的力学机制、导线动张力时频特性以及塔线耦合作用；建立考虑多档距舞动传播和塔线耦合作用的舞动计算方法以及导线动张力理论模型；基于概率统计理论，建立塔线体系在覆冰导线舞动下的疲劳寿命和失效模式预测方法; 开发模拟覆冰导线舞动加载装置，进行舞动导致塔体破坏的大比例模型试验，揭示输电塔动力损伤破坏的灾变作用机理和失效模式。项目成果可为建立高压输电塔线体系抗舞设计理论和方法提供科学依据和技术支撑。

舞动是导线覆冰后在风荷载作用下产生的自激振动，对线路危害极大。本项目采用现场实测、理论分析、风洞试验和大比例子结构舞动破坏试验等多种手段对覆冰导线舞动特性以及导致输电塔破坏的作用机理展开全面研究。现场实测方面，通过在试验线路上安装人工覆冰，实现了真型覆冰线路在自然风荷载作用下的起舞，结合单目、红外夜视仪测试技术和瞬时风信号采集技术构建了一套完整的覆冰导线舞动监测体系。理论分析方面，首次推导了基于矩阵摄动法的三自由度体系舞动特征值一阶摄动解析表达，提出了六类不同作用的气动力类型，可有效研究舞动机理；建立了考虑竖直向、水平向和扭转向三维非线性耦合效应的连续体覆冰分裂导线舞动方程，并根据Galerkin积分和Routh-Hurwitz稳定性判据准则标识系统在参数空间中的稳定域和非稳定域，在此基础上，创新地基于规范形理论求解了以风速、初始风攻角以及竖向阻尼比为分岔参数的扩张系统Hopf分岔规范性，研究了双参数同时变化对导线舞动响应的影响。基于完全拉格朗日格式，分别建立了单导线、分裂导线及塔线耦合体系非线性有限元模型，研究了不同流场下绝缘子串、导线的动张力变化规律及风场湍流对舞动的影响机制。风洞试验方面，设计了能分别测量分裂导线各子导线气动力参数测力试验的装置，并就新月形、D形覆冰单导线和二、四、六、八分裂导线开展了导线气动力参数风洞试验，系统全面地研究了湍流度、导线分裂数、覆冰初凝角、覆冰形状及其厚度等因素对导线气动力特征参数的影响；创新研制开发了风洞内支架式三自由度频率可调的弹簧悬挂装置，针对D形覆冰六分裂、八分裂导线节段气弹模型舞动风洞试验，研究了导线舞动特性、气动阻尼与其气动特性、自振特性及风速之间的关系；基于特征值摄动法提出了覆冰分裂导线三自由度耦合的舞动稳定性判断条件式，解释了无法用Den Hartog或Nigol单自由度稳定性判断条件式说明的舞动现象。舞动破坏试验方面，以冰灾中横担严重破坏的转角耐张塔为研究对象，设计制作了弹性边界条件下的大比例输电塔节段模型和能够模拟不同覆冰参数的导线模型，研制了频率、振幅可调的舞动试验加载装置，分别进行了重覆冰静力加载和舞动动力加载试验。结合舞动破坏试验在试验室条件下进行了覆冰塔线体系舞动事故的反演，并预测了输电塔构件在导线舞动作用下的疲劳寿命，在此基础上考察了舞动作用下杆塔破坏演变机理。