强风下高压输电线路气弹性动张力的形成机理与设计方法研究

对高压输电线路结构而言，强风下线路对塔体作用的随机抖振动张力，是其设计的控制荷载。随着我国电力能源的进步，线路呈现更高对地距离、更大分裂横截面以及更大空间跨度的发展态势，导致线路风荷载有大幅的提高。另一方面，由于输电线结构的特殊性、振动形式的复杂性和风场的随机性，至今尚无完备的风振动张力的精确评估模型及合理的荷载计算方法。.项目以强风(边界层风及下击暴流)作用下,大跨架空输电线路的风致振动张力为研究对象，以连续柔性索结构的三维非线性耦合动力方程为基础；结合原型节段及完全气动弹性全跨模型的风洞试验和流固耦合的数值模拟，揭示不同绝缘子连接方式，不同风环境中、各类典型线路的大变形位移和空间动张力的响应机理、控制因素及变化规律；构建随机动张力的时/频域解析计算模型；提出考虑风振气弹效应的线路风荷载评估理论和精细化的设计计算方法。本项目研究将为解决输电塔-线系统抗风设计中的关键问题开辟新的途径。

我国目前的高压线路分裂根数多，导线截面大，架空输电线路的离地安全距离标高，线路的跨度增大，导致线路上作用与杆塔的风致动张力荷载明显增加，最终造成频繁的塔架风灾破坏。对风荷载效应成为不容忽视的因素。我国现行规程仍对导线风荷载的动力效应采用经验方法，尚未对其做机理性的分析和研究。国外由于特高压线路建设规模较小，这方面的研究和试验开展得不够，值得借鉴的经验也不多。.项目完成主要内容包括：.1）、典型四分裂输电线路气弹性动张力的风洞实验.主要目的考察输电线风振气弹性随机动张力响应的形成规律；主要贡献频率能量分布规律、得杆塔设计中导线风振动外负荷载的随机统计特征规律；气动阻尼识别；从动张力模拟的角度分析和对比目前常用Davenport等代模型和正常相似比模型的实验模拟准确性，提出了导线气弹风洞模型的相似理论的修正方法；研究了导线风致振动端部绝缘子动张力测试和改进方法，导线大位移振动的测量方法。.2）国际代表性规范的导线风荷载的评估方法解析与对比.以风工程计算原理为基础，对中英美三国现行设计规范的计算方法、取值原则及理论基础做深入解析和比较，全面考察基本风速、风剖面、紊流度、空间相关性、随机脉动效应、档距、高度等因素对输电线设计风荷载计算的影响。逐步揭示了三国规范荷载差异的原因、大小及分布规律。并结合工程实例计算，给出了我国规范综合考虑导线档距内的空间相关性和紊流特性等主要动力因素的建议。..项目重要结论包括：.1) 导线气弹性风洞实验的随机动张力数据分析表明：导线强风荷载下对杆塔作用的随机动张力导线的面内及面外振动贡献在一个量级，必须同时考虑。导线的气弹性实验不能忽略对导线平面内动力特性及动张力的模拟。对Davenport等代模型的实验动张力响应需进行一定的修正。.2）我国设计规程在计算导线脉动动力特性，宜综合考虑导线档距内的空间相关性、紊流度、导线高度等主要脉动效应影响因素，将更符合实际。对有关系数进行适当调整，将更趋向合理。必将对输电线路抗风的可靠性有所提高。.本项目通过开展气动弹性风洞实验和理论计算，开展了多分裂高压线路荷载的形成机理和随机气动特性及线路风荷载效应的评估方法研究，提出了适用于我国国情的经济、合理、可靠的导线风荷载计算方法的建议，我国特高压线路设计和建设水平。