格构式输电塔单根杆件及其组合塔段的风荷载取值研究

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格构式输电塔由于高柔的结构特点往往决定了风荷载是其设计中主要控制性荷载。目前,输电塔是向高度更高、跨度更长的趋势发展,使其对风荷载更加敏感,所以能够准确获得输电塔风荷载是其结构设计的重要保障。本文通过对已有不同输电塔塔型筛选出有代表性的钢管和角钢杆件、钢管-角钢组合输电塔和钢管输电塔节段进行刚性模型风洞试验和数值分析,建立了较为完备风荷载数据库,并根据本文单根杆件数据库和钢管-角钢组合塔身和横担的测压试验,提出并验证了基于单根杆件(钢管和角钢)风荷载的输电塔体型系数计算方法。完成的具体研究工作如下:(1)重点综述了输电塔结构中的圆截面杆件、角钢杆件、塔身和横担构件体型系数的研究现状,并对不同结构形式的输电塔进行了梳理与综述。总结了国内外研究现状及本文研究的内容和意义。(2)针对不同直径的光滑圆柱,在湖南大学风工程试验研究中心HD-2大型边界层风洞进行了均匀流和3种湍流下的测力和测压试验,获得了不同直径、不同雷诺数和不同湍流度下圆柱的升力和阻力、个别圆柱的风压系数、不同倾斜角的3种圆柱的阻力系数。然后对3种直径圆柱进行CFD数值分析(单圆柱绕流和串列双圆柱),再将试验结果、模拟结果与各国文献规范比较分析和拟合,获得了不同直径圆柱的背风面风荷载折减系数、JEC改进曲线和倾斜圆柱阻力系数折减曲线。(3)通过风洞测力试验,首先系统地分析不同类型、不同尺寸的角钢杆件(热轧角钢、冷弯角钢)体型系数,并获得了不同风向角的单角钢和多拼组合角钢杆件体型系数。然后对单角钢和双拼角钢进行有倾斜角时的测力试验,得到其阻力系数并拟合了倾斜杆件阻力系数倾斜折减曲线。再通过风洞测力试验和CFD仿真研究了不同间距比下的角钢杆件背风面风荷载折减系数,提出单角钢、双拼角钢杆件背风面风荷载折减系数随间距比变化的关系曲线。最终建立单角钢和多拼组合角钢杆件的风荷载数据库。(4)基于5种密实度(Φ=0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)、2种缩尺比的钢管-角钢组合塔身和横担节段模型3种风速下不同风向角的风洞测力试验,获得了不同风向角的力系数和角度风系数,并与规范分析对比,再对角度风系数进行拟合,最终得到不同密实度下组合塔身和横担角度风系数的推荐计算公式。(5)通过对5种密实度(Φ=0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)、2种缩尺比的钢管塔身和横担节段模型进行3种风速下不同风向角的风洞测力试验,获得了其不同风向角的力系数和角度风系数,并与规范分析对比,然后对角度风系数进行拟合,给出了不同密实度下钢管塔身和横担角度风系数的推荐计算公式。再对2种缩尺比单片桁架塔身和横担进行不同宽高比的测力试验,获得了单片桁架迎风面阻力系数以及不同宽高比的输电塔背风面风荷载折减系数和阻力系数。(6)针对近年来关于构件总计法的相关试验结果和公式进行归纳总结,结合本文单根杆件试验结果,对杆件长细比修正系数、钢管背风面风荷载折减系数曲线进行改进,并在构件总计法公式中增添了关于杆件倾斜折减的参数,对JEC构件总计法进行了参数修正,然后通过钢管-角钢组合塔身和横担的风洞测压试验结果进行对比分析,最终得到了塔身和横担中的杆件在三维流影响下体型系数分布规律,以及验证了本文修正方法的准确性和可行性。
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