電力是人們生活中很重要的一部分，不論是工業(yè)生產(chǎn)還是人們生活，處處都用到電，電力的合理分配是非常重要的。本文是一篇電力技術(shù)論文發(fā)表范文，主要論述了500 kV全聯(lián)合變電構(gòu)架體型系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)及風(fēng)振系數(shù)取值分析。
　　摘 要：以典型的500 kV全聯(lián)合變電構(gòu)架為背景，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試與有限元計(jì)算分析相結(jié)合，研究全聯(lián)合變電構(gòu)架的風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)的取值.分別制作了1/11的單根橫梁模型和1/32的七跨全聯(lián)合構(gòu)架模型，測(cè)試了不同類型橫梁的風(fēng)荷載體型系數(shù)，并基于風(fēng)洞試驗(yàn)得到的體型系數(shù)對(duì)全聯(lián)合構(gòu)架進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析，計(jì)算了其風(fēng)振系數(shù)取值.結(jié)果表明，A，B和C三類橫梁體型系數(shù)測(cè)試值分別為2.23，2.35和2.18，比《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》取值分別大8%，14%和7%;阻尼比2%時(shí)，20 m，26 m和34 m標(biāo)高處橫梁的風(fēng)振系數(shù)分別為1.60，1.80和1.58，比《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的取值分別大7%，6%和5%，國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)此類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載取值偏于不安全.

　　關(guān)鍵詞：變電構(gòu)架,風(fēng)洞試驗(yàn),風(fēng)荷載,體型系數(shù),風(fēng)振系數(shù)

　　500 kV變電構(gòu)架是電網(wǎng)系統(tǒng)中最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其安全性直接影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，且其造價(jià)在整個(gè)輸變電線路中占了很大的比例.為了在保證安全性的同時(shí)盡可能降低工程造價(jià)，目前較為常用的就是采用全聯(lián)合的構(gòu)架布置，它能使構(gòu)架梁、柱在受力范圍和受力方向形成聯(lián)合受力體系.但是結(jié)構(gòu)布置的特殊性卻使500 kV全聯(lián)合變電構(gòu)架成為變電站中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的構(gòu)筑物.全聯(lián)合變電構(gòu)架在不同標(biāo)高設(shè)置構(gòu)架橫梁，這使得結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面較單孔門(mén)型構(gòu)架大幅增加，同時(shí)也使得結(jié)構(gòu)整體趨于柔性化，致使風(fēng)荷載作用效應(yīng)顯著，導(dǎo)致風(fēng)荷載成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中控制性的水平動(dòng)力荷載.

　　構(gòu)架橫梁一般采用三角變斷面，主弦桿采用鋼管，腹桿為角鋼構(gòu)件，螺栓連接形成格構(gòu)式鋼梁.這種桿件的組合形成了更加復(fù)雜的風(fēng)荷載產(chǎn)生機(jī)理，但是目前關(guān)于此類全聯(lián)合變電構(gòu)架風(fēng)荷載參數(shù)與機(jī)理方面的研究卻很少.國(guó)內(nèi)的陳寅、楊明、潘峰等人對(duì)1 000 kV全聯(lián)合構(gòu)架風(fēng)振系數(shù)取值進(jìn)行了計(jì)算分析[1-3];韓文慶等計(jì)算分析了風(fēng)荷載對(duì)500 kV全聯(lián)合構(gòu)架的影響[4]，而國(guó)外由于此類全聯(lián)合構(gòu)架使用較少，作者并未檢索到專門(mén)研究其風(fēng)荷載特性的英文文獻(xiàn).同時(shí)值得指出，上述研究中計(jì)算風(fēng)振系數(shù)采用的風(fēng)荷載體型系數(shù)均是以規(guī)范取值為依據(jù)進(jìn)行的，缺乏相應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù).此外，我國(guó)有關(guān)規(guī)范[5-7]中可參考的體型系數(shù)取值都是基于輸電塔或桁架結(jié)構(gòu)得到的，但其取值卻相對(duì)較為簡(jiǎn)略[8]，直接用于變截面的全聯(lián)合構(gòu)架需要進(jìn)一步探討，甚至產(chǎn)生較大的偏差.而規(guī)范中規(guī)定的風(fēng)振系數(shù)取值也很不合理，需要專門(mén)進(jìn)行研究.為此，本文以典型的500 kV變電站全聯(lián)合構(gòu)架為對(duì)象，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試了橫梁的體型系數(shù)，近一步計(jì)算了聯(lián)合構(gòu)架不同高度橫梁的風(fēng)振系數(shù)取值，以期為工程設(shè)計(jì)實(shí)踐提供依據(jù)和參考.

　　1 脈動(dòng)風(fēng)速模擬與氣動(dòng)力時(shí)程

　　為了分析全聯(lián)合變電構(gòu)架在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下的風(fēng)振響應(yīng)，首先采用Deodatis等[9]提出的諧波合成法生成了脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程樣本.模擬過(guò)程采用的風(fēng)場(chǎng)參數(shù)如下：場(chǎng)地類型B類，離地10 m高度處風(fēng)速U.10=23.9 m/s，對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)風(fēng)壓0.35 kN/m2，地貌粗糙度高度Z.0=0.05 m，Von Karman常數(shù)K取為0.4.順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速自功率譜采用我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范建議的Davenport風(fēng)譜，其形式如下：

　　利用上述方法分別模擬了六層高度共計(jì)250個(gè)節(jié)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程，同時(shí)保證了每根橫梁上面至少存在三個(gè)風(fēng)速模擬節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)每層高度位置沿縱向每隔7 m左右生成一個(gè)脈動(dòng)風(fēng)速點(diǎn)，平均風(fēng)速按基本風(fēng)壓和B類風(fēng)場(chǎng)計(jì)算，不同高度的風(fēng)壓按照B類風(fēng)場(chǎng)基準(zhǔn)風(fēng)壓乘以風(fēng)壓高度變化系數(shù)得到.

　　在獲得了各節(jié)點(diǎn)位置處的脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程后即可依據(jù)體型系數(shù)按照準(zhǔn)定常理論建立節(jié)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)荷載.計(jì)算中僅考慮水平向風(fēng)荷載作用，作用在橫梁節(jié)段i的順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)荷載為：

　　將平均風(fēng)荷載與脈動(dòng)風(fēng)荷載進(jìn)行疊加即可得到計(jì)算風(fēng)荷載的數(shù)據(jù).

　　2 風(fēng)荷載體型系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)

　　2.1 試驗(yàn)紊流風(fēng)場(chǎng)

　　考慮到聯(lián)合構(gòu)架體系主要受力部分為橫梁，而每根橫梁可以看作在來(lái)流紊流度和風(fēng)速保持不變的同一個(gè)平面內(nèi)，因此風(fēng)場(chǎng)模擬時(shí)根據(jù)測(cè)試對(duì)象分為兩種類型：1)單根橫梁模型測(cè)試試驗(yàn)，采用不考慮風(fēng)速剖面的格柵紊流風(fēng)場(chǎng)，紊流度按照B類風(fēng)場(chǎng)對(duì)應(yīng)高度的數(shù)據(jù)取值約12%，如圖1所示;2)多跨聯(lián)合構(gòu)架模型風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)規(guī)范中B類紊流風(fēng)場(chǎng)模擬，風(fēng)速剖面與紊流度剖面如圖2所示.上述兩類紊流場(chǎng)主要模擬橫梁高度的紊流度和順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)譜等主要參數(shù).

　　2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

　　全聯(lián)合變電構(gòu)架橫向?yàn)閮煽?X30 m，跨向?yàn)槠呖?X28 m，3層橫梁標(biāo)高分別為20 m，26 m和34 m.構(gòu)架跨向與橫向橫梁共46根，編號(hào)如圖3所示.這些橫梁共分為3類：(A)28 m跨邊梁，編號(hào)1～7，15～21;(B)28 m跨中梁，即在28 m跨邊梁上增加了3個(gè)掛線橫擔(dān)，編號(hào)8～14;(C)30 m跨橫梁，編號(hào)22～46.在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，A，B，C每類橫梁根據(jù)位置不同其構(gòu)件并不完全相同，但僅有少量腹桿尺寸變化，本研究中為了測(cè)試方便把A，B，C每類橫梁均制作為完全相同.其中A，B兩類橫梁透風(fēng)率為0.25(不考慮橫擔(dān)).C類橫梁透風(fēng)率為0.26.

　　根據(jù)聯(lián)合構(gòu)架橫梁及整體布置尺寸，考慮風(fēng)洞截面的大小，單根橫梁體型系數(shù)測(cè)試模型制作比例為1/11，而全聯(lián)合構(gòu)架模型制作比例為1/32，安裝在風(fēng)洞內(nèi)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌�分別如圖4和圖5所示.

　　2.3 單梁體型系數(shù)測(cè)試

　　分別以A，B，C三類橫梁比例1/11的單根橫梁模型為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)，為了考慮全聯(lián)合構(gòu)架體型系數(shù)測(cè)試時(shí)由于模型制作比例不同產(chǎn)生的誤差，此處在相同的格柵紊流風(fēng)場(chǎng)中測(cè)試了三類橫梁比例1/32的單梁模型.由于模型比例不同，氣動(dòng)力荷載差別較大，為了提高測(cè)試精度，對(duì)1/11的橫梁采用兩端支承雙天平系統(tǒng)測(cè)試，天平為綿陽(yáng)六維科技有限公司開(kāi)發(fā)的五分量桿式天平;對(duì)1/32的單梁模型在梁中采用單天平測(cè)試，此時(shí)天平為量程較小的美國(guó)ATI動(dòng)態(tài)高頻天平.兩類測(cè)試中均修正了由于天平支架造成的干擾作用. 　　風(fēng)洞試驗(yàn)在湖南大學(xué)HD-2風(fēng)洞第一試驗(yàn)段進(jìn)行，該試驗(yàn)段長(zhǎng)17 m，寬3 m，高2.5 m，風(fēng)速0～58 m/s連續(xù)可調(diào).試驗(yàn)時(shí)，格柵紊流場(chǎng)來(lái)流平均風(fēng)速20 m/s，采樣頻率為200 Hz，采樣時(shí)間120 s.根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，測(cè)試風(fēng)向角為0～90°，定義當(dāng)來(lái)流與橫梁軸線垂直時(shí)為0°風(fēng)向角，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至來(lái)流與橫梁軸線平行時(shí)為90°風(fēng)向角，具體定義見(jiàn)圖6.

　　由圖7可知，單根橫梁的體型系數(shù)隨著風(fēng)向角的增大而減小，0°風(fēng)向角由于擋風(fēng)面積最大而體型系數(shù)最大，90°風(fēng)向角體型系數(shù)約為0°風(fēng)向角體型系數(shù)的21%.

　　比較可知，兩種比例模型三類橫梁的測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)相同，但數(shù)值略有差別，其主要原因在于：1)主弦桿為圓桿，不同縮尺比模型會(huì)受到雷諾數(shù)效應(yīng)的影響;2) 1/32模型各構(gòu)件尺寸較小，節(jié)點(diǎn)板等部位很難準(zhǔn)確加工.為此，下文全聯(lián)合構(gòu)架的測(cè)試值均采用兩種比例模型在同一風(fēng)向角下的體型系數(shù)比值對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正，即所有測(cè)試結(jié)果均以1/11橫梁體型系數(shù)為基準(zhǔn).

　　2.4 全聯(lián)合變電構(gòu)架模型橫梁體型系數(shù)

　　全聯(lián)合變電構(gòu)架橫梁體型系數(shù)測(cè)試在湖南大學(xué)HD-2風(fēng)洞大試驗(yàn)段進(jìn)行，截面寬8 m，高2 m，風(fēng)場(chǎng)采用圖2所示的B類紊流場(chǎng).與比例1/32單梁測(cè)試相同，試驗(yàn)仍采用單天平系統(tǒng).0°，45°和90°三種典型風(fēng)向角下聯(lián)合構(gòu)架各橫梁體型系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖9～11所示.

　　角度/(°)

　　全聯(lián)合構(gòu)架風(fēng)洞測(cè)試的橫梁編號(hào)和風(fēng)向角如圖3所示，當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)風(fēng)向與1～21號(hào)橫梁軸向垂直而與22～46號(hào)橫梁軸線平行，故風(fēng)向角從0到90°變化時(shí)1～21號(hào)梁體型系數(shù)由大到小變化，而22～46號(hào)梁由小到大變化.

　　3 風(fēng)振響應(yīng)與風(fēng)振系數(shù)分析

　　3.1 全聯(lián)合構(gòu)架動(dòng)力特性分析

　　采用大型通用有限元分析軟件ANSYS10.0對(duì)聯(lián)合構(gòu)架進(jìn)行建模，立柱、桁架梁統(tǒng)一采用beam188梁?jiǎn)卧�模擬.共計(jì)46根梁，24根柱，計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)3 562個(gè).模型邊界條件為在立柱底端固結(jié)，梁柱之間的連接根據(jù)允許的軸向位移按剛度等效為矩形梁模擬.模態(tài)分析得到了結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型，前兩階振型如圖12所示.

　　3.2 聯(lián)合構(gòu)架的風(fēng)振響應(yīng)

　　采用時(shí)程響應(yīng)分析方法，對(duì)全聯(lián)合構(gòu)架進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算.計(jì)算中考慮各立柱荷載，各立柱阻力系數(shù)均按照1.2取值，計(jì)算阻尼比2%，計(jì)算風(fēng)向角0°，45°和90°，僅統(tǒng)計(jì)每根橫梁順風(fēng)向最大平均位移及其對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)位移響應(yīng)，如圖13～15所示.

　　由圖13～15可知，不同標(biāo)高處橫梁的平均位移響應(yīng)隨風(fēng)向角增大而增大，其主要原因在于：1) 分析表明，0°風(fēng)向時(shí)，沿跨向中線方向布置的人字柱對(duì)整體剛度的貢獻(xiàn)很大，致使聯(lián)合構(gòu)架沿橫向的剛度明顯大于沿跨向的剛度，因此在相同風(fēng)荷載作用下0°風(fēng)向角的位移響應(yīng)更小;2)橫梁的位移主要由立柱變形引起的，其自身變形很小.以26 m高度處4號(hào)橫梁為例，90°風(fēng)向時(shí)，其最大平均位移響應(yīng)為96.519 mm，此時(shí)該橫梁端部立柱的平均位移響應(yīng)為94.755 mm，橫梁自身變形不足2 mm;3)90°風(fēng)向正面迎風(fēng)的橫梁多于0°風(fēng)向正面迎風(fēng)的橫梁， 其風(fēng)荷載比0°風(fēng)向大.

　　3.3 橫梁順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)

　　以Davenport提出的陣風(fēng)荷載因子法來(lái)計(jì)算風(fēng)振系數(shù)，其定義為：

　　3.4 阻尼對(duì)風(fēng)振系數(shù)的影響

　　為考慮阻尼特性的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[5]和高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[10]關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)阻尼比的規(guī)定，比較計(jì)算了0°和90°風(fēng)向角與風(fēng)向垂直的各橫梁在阻尼比1%和2%時(shí)的風(fēng)振系數(shù)，如圖19和圖20所示.

　　從上圖中可以看出，在同一風(fēng)向角下同一橫梁在阻尼比1%時(shí)的風(fēng)振系數(shù)比阻尼比2%時(shí)的取值更大，最大偏差可達(dá)11%.

　　4 比較與分析

　　4.1 構(gòu)架橫梁體型系數(shù)

　　將全聯(lián)合構(gòu)架橫梁0°風(fēng)向角下體型系數(shù)風(fēng)洞實(shí)測(cè)值與GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和DL/T5457-2012《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中的取值進(jìn)行比較如表1所示.

　　由表1可知，兩種荷載規(guī)范體型系數(shù)取值基本一致，而三類梁在紊流場(chǎng)下的實(shí)測(cè)值較規(guī)范值分別大8%，14%和7%，規(guī)范值偏于不安全.

　　4.2 構(gòu)架橫梁風(fēng)振系數(shù)

　　為了比較，分別將20 m，26 m和34 m高度橫梁風(fēng)振系數(shù)取平均代表該標(biāo)高處橫梁的風(fēng)振系數(shù)，不同風(fēng)向角兩種阻尼比下各橫梁風(fēng)振系數(shù)如表2所示.

　　為了與規(guī)范比較，將表2中不同標(biāo)高橫梁正面迎風(fēng)時(shí)的風(fēng)振系數(shù)測(cè)試值與規(guī)范值列表為表3.可見(jiàn)，阻尼比2%時(shí)計(jì)算風(fēng)振系數(shù)值比《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值小而比《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》取值大，且其沿高度變化規(guī)律與變電站規(guī)程基本一致.

　　5 結(jié) 論

　　本文通過(guò)對(duì)500 kV全聯(lián)合構(gòu)架進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)及風(fēng)振響應(yīng)分析得到如下主要結(jié)論：

　　1) A，C兩類橫梁體型系數(shù)測(cè)試值比變電站規(guī)范取值偏大了9.9%和7.9%，比建筑荷載規(guī)范取值分別大了8.3%和6.9%.在此基礎(chǔ)上，B類橫梁由于橫擔(dān)的存在其體型系數(shù)比A類梁又增大了5.4%，規(guī)范中的此類橫梁體型系數(shù)取值偏于不安全.

　　2) 基于風(fēng)洞測(cè)試橫梁體型系數(shù)和時(shí)程響應(yīng)分析計(jì)算的聯(lián)合構(gòu)架橫梁風(fēng)振系數(shù)取值比規(guī)范值更大.阻尼比2%時(shí)，20 m，26 m和34 m橫梁風(fēng)振系數(shù)分別為1.60，1.80和1.58.比變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程分別大7%，6%和5%.

　　3) 阻尼比對(duì)風(fēng)振系數(shù)的取值存在較明顯的影響.橫梁正面迎風(fēng)時(shí)，阻尼比1%的風(fēng)振系數(shù)比阻尼比2%時(shí)的最大增大了11%.

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 陳寅，陳傳新，鄭威，等.1 000 kV變電構(gòu)架風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算[J].電力建設(shè)，2011，32(9)：30-32. 　　CHEN Yin， CHEN Chuan-xin， DENG Wei，et al. Wind vibration coefficient calculation of trussed frame in 1 000 kV substation[J]. Electric Power Construction，2011， 32(9)：30-32. (In Chinese)

　　[2] 楊明，王尉，王磊，等.1 000 kV全聯(lián)合變電構(gòu)架風(fēng)荷載效應(yīng)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2010，43：100-104.

　　YANG Ming， WANG Wei，WANG Lei， et al. Effect of wind load for 1 000 kV all joint substation framework[J]. Engineering Journal of Wuhan University，2010，43：100-104. (In Chinese)

　　[3] 潘峰，童建國(guó)，盛小紅，等.1 000 kV大型薄壁鋼管變電構(gòu)架風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)研究[J].工程力學(xué)，2009，26(10)：203-210.

　　PAN Feng， TONG Jian-guo，SHENG Xiao-hong， et al. Wind-induced D-ynamic response of large thin-walled steel tube frame for 1 000 kV substation[J]. Engineering Mechanics，2009，26(10)：203-210. (In Chinese)

　　[4] 韓文慶，劉建秋，商文念，等.500 kV全聯(lián)合構(gòu)架風(fēng)荷載影響分析[J].低溫建筑技術(shù)，2011，159(9)： 54-56.

　　HAN Wen-qing， LIU Jian-qiu，SHANG Wen-nian， et al. Analysis of the influence of 500 kV full joint framework of wind load[J]. Construction Technology of Low Temperature，2011，159(9)： 54-56. (In Chinese)

　　[5] GB 0009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.
　　電力技術(shù)論文發(fā)表期刊推薦《電力信息與通信技術(shù)》(月刊)(ISSN1672-4844)由國(guó)家電網(wǎng)公司主管、中國(guó)電力科學(xué)研究院主辦，是目前電力行業(yè)在國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行、唯一專門(mén)反映電力行業(yè)信息通信建設(shè)成果及應(yīng)用的專業(yè)技術(shù)刊物，由原《電力信息化》與《電力系統(tǒng)通信》2本雜志合并而成，于2013年1月正式出版發(fā)行。

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