覆冰输电线路舞动是一种低频、大振幅的自激振动,舞动不仅有水平方向和垂直方向的运动,还伴有扭转方向的运动。覆冰导线的舞动是输电线路破坏的重要因素之一,因此,研究导线的覆冰规律、覆冰导线在风荷载作用下的舞动运动模式和失稳机理是当今电力科学领域研究的难点、热点问题。由于全球冰雪灾害正处在一个活跃期,这对我国西电东输等大型输电网络安全运营与建设带来了极大的威胁。本文选取典型的高压输电塔线体系作为研究对象,利用理论分析、数值模拟和风洞试验的综合手段,重点分析了覆冰输电线路的气动力特性、风荷载作用下覆冰导线的舞动机理和覆冰输电塔-线结构体系的舞动规律,为我国输电系统的抗冰舞破坏设计提供了很好的参考。本文的主要研究工作和结果包括如下几个方面:1.覆冰输电导线的气动力分析。考虑风攻角、风速和覆冰厚度对覆冰输电导线的舞动影响,建立了新月形、D形和扇形三种覆冰形状的单导线气动力模型,分别对其气动力特性进行了数值分析。分析了覆冰单导线和裸导线发生振动的流场信息,研究了覆冰导线和裸导线尾流的漩涡脱落全过程,剖析了覆冰单导线、圆形截面裸导线的尾流场的流场差异特性。D形和扇形覆冰导线的气动力系数变化较新月形更为复杂,发生舞动的可能性更大。对于分裂导线,分析了新月形二分裂和四分裂导线各子导线的气动力特性,背风侧子导线受迎风侧子导线尾流的影响,随着分裂数的增加,使得各子导线之间受尾流的影响情况更加复杂,分裂导线比单导线更容易发生舞动。应用响应曲面法对风速、风攻角和覆冰厚度三个影响因素进行了分析,分别推导了以风速、风攻角和覆冰厚度为自变量的Den.Hartog和Nigol公式。2.新型空间两节点悬链线索单元的开发和应用。输电线体系具有索结构的受力特点,为了分析索结构在各种荷载作用下的线性和非线性反应,根据索结构的受力特点,提出了一种可以充分考虑索结构非线性效应的空间两节点悬链线索单元。基于弹性悬链线的解析解,推导了索单元的切线刚度矩阵,通过迭代法求解了索结构的刚度矩阵和内力向量,利用该新型的索单元模型分析了静、动力荷载作用下结构的非线性行为。对于非线性静力分析,结构平衡方程采用牛顿迭代法求解;对于非线性动力时程分析,采用Newmark直接积分法和牛顿迭代法相结合的增量迭代法求解。数值分析结果验证了空间两节点悬链线索单元模拟索结构的精确性和可靠性。为输电系统的舞动分析提供了全新的算法。3.基于两节点索单元输电线路的舞动响应分析。在两节点索单元刚度矩阵中组装了抗弯刚度和抗扭刚度,求出了覆冰导线的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵。推导了包括平面内和平面外运动,同时还包括了导线扭转运动的3DOF动力方程,采用基于Newmark直接积分法和牛顿迭代法的增量迭代法来求解非线性运动方程,得到了覆冰输电导线在不同风速下的时域解析解,寻找导线发生舞动的临界风速,同时应用Hurwitz判别准则来判断覆冰导线失稳条件,求解临界风速。分析风速、档距和弧垂对舞动响应的影响,结果表明,舞动发生时覆冰导线的张力随着时间呈现周期性的变化。4.大跨越覆冰分裂导线的舞动响应。建立覆冰分裂导线的有限元模型,考虑分裂导线的扭转刚度以及各子导线间气动力的影响,计算了风速为10m/s情况下覆冰二分裂和四分裂导线的舞动情况。研究结果表明,舞动在横风向和顺风向的振幅比单导线情况大,间隔棒限制了导线的扭转,扭转方向的幅值较单导线没有太大的增大。考虑了导线与间隔棒铰接、刚接和半刚接三种连接方式,导线与间隔棒刚接情况下,导线在三个方向产生舞动的幅值均大于铰接和半刚接连接方式,铰接情况下分裂导线发生舞动的幅值最小。5.覆冰输电塔-线结构体系的舞动响应分析。对理想覆冰和不均匀覆冰情况下的单跨导线和多跨导线进行了找形分析,建立了塔-线耦合的有限元模型,模拟了塔-线结构体系的随机脉动风场,得到了各种风速下覆冰导线中间节点的舞动响应。分析了在脉动风作用下塔-线结构体系塔线连接处的轴向拉力,相邻跨线路间的不平衡张力主要通过绝缘子串进行传递。脉动风使舞动响应比平均风作用产生的波动大。中间跨导线的舞动通过绝缘子串进行传递,带动边跨导线的振动。6.覆冰输电导线舞动响应的风洞试验。根据风洞试验中气弹模型所需要满足的相似参数,制作了简化的输电塔-线结构体系气弹模型。分别对覆冰输电塔-线耦合模型在不同风速和风向角下的舞动响应进行了试验分析,试验结果表明,风向角和风速对导线的舞动具有重要的影响。随着风速的增大,导线的舞动响应逐渐增大,验证了临界风速的存在。舞动发生时,横风向的振动幅值大于顺风向。