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输电塔是一种重要的高耸结构,塔身风荷载在总荷载中所占比重较大,钢管杆件的体型系数小,受力性能好,因此钢管塔在工程实际中被广泛应用。当风吹过钢管杆件截面时,会在背风面形成上下交替的旋涡,在较小的风速作用下,旋涡脱落的频率会被锁定在钢管杆件自振频率附近,此时钢管杆件在横风向会发生持续的涡激共振,称为微风振动。输电线路长期在较低的风速下运行,持续反复的微风振动容易导致杆件破坏。
钢管杆件的涡激振动与其自振频率有关,自振频率由钢管杆件的几何尺寸和杆端节点型式决定。钢管杆件的节点构造方式多样,行业规范仅给出了两端固接、两端铰接以及悬臂三种杆端约束条件下钢管杆件的1阶起振临界风速曲线,不便于工程应用。
为了突破钢管塔推广应用的瓶颈,本文首先对典型节点钢管杆件进行了动力特性试验,研究了节点型式、连接螺栓数、长细比及振动方向对钢管杆件自振频率的影响。根据动力特性试验结果,建立了ANSYS模型,确定了合理的约束施加方式,在此基础上,计算了受轴力作用钢管杆件的自振频率,获得了更符合工程实际的结果,并给出了钢管杆件1阶自振频率的简化计算方法以便工程应用。
风洞试验是结构抗风研究中最真实可信的方法,本文利用动力特性研究的结果估算了典型节点钢管杆件的起振风速,选取风洞试验室条件允许的试件进行了足尺模型涡激振动风洞试验,得到了不同节点型式、不同长细比、与风向成不同夹角以及不同湍流度的风场等工况下钢管杆件的涡激振动试验数据,总结了涡激共振的规律。
钢管杆件在风荷载作用下顺风向也会发生微小的振动,但由于风洞试验中环境的干扰及测量仪器精度的限制,不易采集到真实的顺风向风振数据,因此,本文利用CFD软件Fluent对钢管杆件的涡激振动进行了数值模拟,分析了顺风向的振动情况及其对横风向的影响。
钢管杆件的微风振动会导致节点焊缝疲劳破坏,本文采用以疲劳累积损伤理论为基础的总寿命法,对法兰连接和十字插板连接的钢管杆件节点焊缝进行了涡激共振疲劳寿命计算,并针对工程设计提出了建议。
最后,对本文所做的工作进行了总结,并对进一步的研究方向进行了讨论。