1.一种基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,其特征在于:具体步骤为:S1:搭建常规输电塔的塔线体系,并获取塔线体系的常规输电塔、输电线、绝缘子串的物理参数;
S2:基于塔线耦合影响因子,根据塔线体系中杆塔等效阻尼系数ζe;
S3:将步骤S2得到的塔线体系中杆塔等效阻尼系数ζe来替换阻尼系数ζ1,求取塔线体系常规输电塔的风振系数β(z);
考虑线形与线长影响因子,计算塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数β;
其中,步骤S3求取塔线体系常规输电塔的风振系数β(z)的步骤为:S311:根据步骤S1中常规输电塔的物理参数,确定常规输电塔所在地面粗糙度类别,设定10m高度处的平均分速 常规输电塔的总高度H;跟开b1;横担个数nc;横担平均外伸长度S312:构建常规输电塔的风荷载的计算模型,通过水平均布荷载作用下结构的挠曲线获得常规输电塔0°风向角的1阶侧弯振型φ1(z);
z为实际高度值
S313:根据荷载规范引入背景分量因子Bz(z),进而计算输电塔的脉动风荷载在水平方向的相关系数ρx和脉动风荷载在竖直方向的相关系数ρz;
根据荷载规范引入的共振分量因子R;确定地面粗糙度指数α;峰值因子gs;10m高度处的湍流度I10; b为外轮廓宽度;共振分量因子R的计算公式为:其中,ξ1=ζe; n为脉动风速的频率;
S314:根据地面粗糙度类别获取背景分量因子的中间变量γ的拟合系数kγ和aγ;根据常规输电塔的宽度、深度得到风振系数考虑整体外形变化的修正系数θv;根据常规输电塔的横担平均外伸长度、总高度、横担个数得到风振系数考虑附加面积的修正系数θa与风振系数考虑附加质量的修正系数θm的乘积θl;
S315:简化并得到剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的计算公式并计算得到对应的剩余塔身的风振系数考虑局部外形变化的修正系数的θb(z);
计算得到横担的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θb(zI)和横隔面的风振系数考虑局部外形变化的修正系数θb(zJ);
其中,
S316:根据塔身的实际高度值z,结合步骤S315对应得到的风振系数考虑局部外形变化的修正系数计算公式计算所述背景分量因子Bz(z),具体计算公式为:其中, θν是风振系数考虑整体外形变化的修正系数;θη是风振系数考虑脉动风空间相关性的修正系数;
其中,
S317:计算风振系数β(z); 其中,gs为峰值因子;
S4:考虑塔线耦合效应,求取塔线体系风荷载脉动折减系数εc;
S5:根据步骤S4得到的塔线体系风荷载脉动折减系数,对步骤S3中的塔线体系常规输电塔的风振系数、风偏角的风振系数β进行修正计算,得到塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)和塔线体系输电线的修正风振系数β*;
S6:基于塔线分离法,在等效振动惯性力作用下计算塔线体系中常规输电塔的设计风荷载fESWL(z)和输电线的设计风荷载WX。
2.根据权利要求1所述的基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,其特征在于:步骤S2的具体步骤为:S21:根据步骤S1的常规输电塔的塔线体系,得到常规输电塔塔线体系计算模型图;
所述塔线体系计算模型中的杆塔为密实结构,塔身为正方形的变截面,由下至上尺寸变小,横担为等截面;所述塔线体系计算模型中的导线两端等高,与固定铰支座连接;所述塔线体系计算模型中的杆塔高度为H,横担悬臂长度为lca,绝缘子长度为lin,导线跨度为L;
导线挂点无高差
S22:设定输电线和绝缘子串振动的假设条件,得到的常规输电塔塔线体系中输电线和绝缘子串的振型图以及迎风面、被风面输电线和绝缘子串的广义质量、广义刚度和广义阻尼;并将常规输电塔塔线体系中输电线和绝缘子串组合形成索结构体系;
所述迎风面、被风面导线的广义质量计算公式为:
所述迎风面、被风面导线的广义刚度计算公式为:
所述迎风面、被风面导线的广义阻尼计算公式为:
mc为单根导线单位线长的质量;单根导线振型 γg为导线的自重比载;σ0为导线的水平初应力;Γ为导线的线长, ζc=ζsc+ζac;ζsc为导线结构阻尼比;ζac为导线启动阻尼比;Nc为分裂导线的个数;Tw为平均风状态下单根导线的水平张力;ζc为导线阻尼比;
所述迎风面、被风面绝缘子串的广义质量计算公式为:所述迎风面、被风面绝缘子串的广义刚度计算公式为:所述迎风面、被风面绝缘子串的广义阻尼计算公式为:其中,min为绝缘子串单位高度质量;Din为绝缘子串迎风外径;绝缘子串振型H-lin≤z≤H;ζin为绝缘子串阻尼比; lin为绝缘子长度;其中,索结构体系对应的广义质量、广义刚度和广义阻尼的计算公式为:S23:将步骤S22得到的数据构建索结构体系结合杆塔结构组成塔线耦合简化计算模型;
S24:基于杆塔结构组成塔线耦合简化计算模型,求取常规输电塔塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量的均方值和单塔时杆塔顺风向位移共振分量的均方值;从而得到二者的比例式;
S25:基于步骤S24得到的计算公式,推导常规输电塔悬挂输电线后塔线等效阻尼系数的计算公式,并计算塔线体系中杆塔等效阻尼系数。
3.根据权利要求2所述的基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,其特征在于:步骤S24中所述塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量的均方值的计算公式为:其中,
λn=nci/nt;
杆塔1阶模态的振型φt(z)=(z/H)2,0≤z≤H;
为杆塔的广义质量, Mca为横担的质量,mt(z)为随高度变化的杆塔单位高度质量;
coh(z1,z2)为z1和z2高度处两点的脉动风速的相干函数;
Sf(nt)为归一化风速谱,nt为杆塔脉动风速的频率; σv'为脉动风速的标准差;
为索结构与杆塔的广义质量比值,
λn为索结构与杆塔的频率比值;λn=nci/nt;导线悬挂于杆塔的顶部,ζt为总阻尼比;ζt=ζst+ζat;ζst为杆塔结构阻尼比;ωt为杆塔无阻尼振动的圆频率;ζci为索结构总阻尼比,近视取导线阻尼比,ζci≈ζc,ζc=ζsc+ζac;
ρa为空气密度,μs(z)为风压随高度变化系数;bs(z)为随高度变化的迎风面宽度;
随高度变化的平均风速,σv'为脉动风速的标准差;
ζat为杆塔气动阻尼比; As,ca为横担
的挡风面积;
所述单塔时杆塔顺风向位移共振分量的均方值为:
其中,
所述塔线体系下杆塔顺风向位移的共振分量和所述单塔时杆塔顺风向位移共振分量的比例式为:步骤S25中推导常规输电塔悬挂导线后塔线等效阻尼系数的计算公式的步骤为:悬挂导线后杆塔的等效阻尼比为:
其中,ρ与ζe的关系为:
对于输电塔线体系而言,索结构为柔性体系,卓越频率远小于杆塔的频率;则忽略λn的高阶项;杆塔的阻尼比约为0.01,索结构的阻尼比小于1,则忽略 项;
导线悬挂于杆塔的顶部,
故悬挂导线后塔线等效阻尼系数的计算公式为:
4.根据权利要求1或3所述的基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,其特征在于:塔线体系悬垂绝缘子串最大风偏角的风振系数β的步骤为:S321:根据步骤S1中常规输电塔塔线体系的输电线、绝缘子串的物理参数,以重力和平均风荷载作用下作为导线和悬垂绝缘子串计算的初始条件,通过LRC方法确定悬垂绝缘子串风偏角的计算模型;
S322:计算常规输电塔塔线体系中输电塔之间导线单位面积的等效静力风荷载;
所述输电塔之间导线单位面积的等效静力风荷载pESWL的计算公式为:式中,(:,i)表示矩阵的第i列元素; 为等效背景风压;为平均风荷载;
导线在风荷载作用下的振动方程矩阵表达式为:
式中, Y′分别为脉动风荷载作用下导线节点顺风向的加速度、速度和位移;
为平均风荷载作用下导线节点顺风向的位移;
M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K刚度矩阵;Ls为节点从属面积矩阵;
导线在脉动风荷载作用下的振动方程矩阵表达式为:S323:计算悬垂绝缘子串的风振系数;
∑c表示对计算域内的元素进行求和;Γc为计算域内导线的线长;为平均风荷载;
为等效背景风压。
5.根据权利要求1所述的基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,其特征在于:塔线体系风荷载脉动折减系数εc的计算步骤为:S41:构建常规输电塔塔线体系计算模型,并得到塔线体系计算模型图;
S42:根据常规输电塔,建立杆塔响应与杆塔风振系数的关系,得到塔高H处建立杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值σut(H)与杆塔风振系数β(H)的关系式;
当导线悬挂于杆塔顶部时,建立导线与导线风振系数的关系,得到导线荷载引起塔顶位移的均方根值σuc(H)的计算公式;
S43:根据步骤S41得到的内容,采用SRSS的方法确定塔线体系下杆塔的峰值响应计算公式;
S44:基于步骤S43的塔线体系下杆塔的峰值响应计算公式,采用塔线分离方法,引入杆塔风荷载脉动折减系数,并得到所述杆塔的峰值响应计算公式的等价峰值响应计算公式;
S45:以塔顶位移响应为目标,对步骤S44得到的所述杆塔的峰值响应计算公式的等价峰值响应计算公式进一步更新,得到带未知导线荷载引起塔顶位移的均方根值和未知杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值的脉动折减系数更新计算公式;
S46:将步骤S42中的计算得到的导线荷载引起塔顶位移的均方根值和杆塔荷载引起塔顶位移的均方根值带入步骤S45得到脉动折减系数的更新计算公式中,得到脉动折减系数的最终计算公式,并计算杆塔风荷载脉动折减系数;
其中,
6.根据权利要求1所述的基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,其特征在于:*
所述塔线体系常规输电塔的修正风振系数β(z)和所述塔线体系输电线的修正风振系数β*的计算公式为:
7.根据权利要求1所述的基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,其特征在于:在等效振动惯性力作用下计算得到塔线体系中常规输电塔的设计风荷载fESWL(z)与所述塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)的关系式存在:所述常规输电塔的塔线体系中常规输电塔设计风荷载fESWL(z)与所述塔线体系常规输电塔的修正风振系数β*(z)的关系式为:其中,ξ1=ξe;
m(z)=m(0)μm(z);
Sf(n)为归一化风速谱, Iz(z)为z高度处的脉动风湍流密度;
I10为10m高度处的脉动风湍流密度;x′1为公式 中,n=n1时的取值,n1为输电塔的1阶模态频率;
u1和ηxz1是与风场湍流特性和空间相关性等有关的系数,分别称为综合影响系数和空间相关性折减系数。
8.根据权利要求1所述的基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法,其特征在于:基于塔线分离法计算输电线设计风荷载WX的计算公式为:其中,β=α'βc;α′为取值小于1的风压不均匀系数;μsc为导线阻力系数;βc为风荷载调整系数,计算风偏角时取1;Dc为子导线/地线的计算外径;Lp为杆塔的水平档距;Bl为覆冰时风荷载的增大系数;ω0为基本风压;μz为风压随高度变化系数;Bl为覆冰时风荷载的增大系数;Nc为分裂导线的个数;θ为风向角。