[發明專利]基于單自由度模型的單柱拉線塔扭振頻率估算方法

有效

• 申請號: 201510026895.0
• 申請日: 2015-01-20
• 公開（公告）號: CN104504225B
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 楊文剛;王璋奇;朱伯文
• 申請（專利權）人: 華北電力大學（保定）
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙)11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明涉及一種拉線塔扭振頻率的估算方法，屬于拉線塔技術領域，尤其是一種利用單自由度扭振模型對特高壓單柱拉線塔中扭振頻率進行估算的方法。

背景技術

發展特高壓輸電可滿足大規模、跨區域、遠距離傳輸電力的需求。特高壓拉線塔具有結構簡單、受力性能好、經濟指標優越、施工方便等優勢，具有良好的應用前景，我國特高壓線路宜采用拉線塔。單柱拉線塔相比雙柱懸索拉線塔、門型拉線塔等其它直流特高壓拉線塔塔型，具有占地面積相對較小、結構簡單、受力清晰等優點。單柱拉線塔是適合直流特高壓輸電的塔型。

某特高壓工程推薦使用的單柱拉線塔的結構如圖1所示，該單柱拉線塔由塔頭、主柱和拉線三部分組成。塔頭和主柱需要靠拉線的張力作用保持直立，拉線由于弧垂的存在具有大變形特性，因此在風荷載等橫向荷載作用下，主柱會產生較大的繞主柱底端鉸接點的轉動；對于特高壓單柱拉線塔來說其荷載增大、橫擔尺寸增大、高度增加，在橫向荷載作用下主柱也會有較大的變形。因此，特高壓單柱拉線塔的整體和主柱均具有高柔性，對動荷載的作用也更加敏感，其動力特性值得關注。目前針對單柱拉線塔的動力特性研究，主要是單柱拉線塔在各種風荷載下的動力響應，單柱拉線塔自振特性及機理的研究未見相關報道。

本課題組對單柱拉線塔的靜力特性進行研究的基礎上，針對其動力特性進行了一系列研究：建立了特高壓拉線塔的有限元模型，通過模態分析，分析了特高壓單柱拉線塔的固有頻率和振型等動力特性；搭建了單柱拉線塔試驗模型，并基于環境激勵對其進行了模態分析；采用線性濾波法模擬塔線體系風荷載時程，采用Newmark法對單柱拉線塔塔線體系的風振響應進行計算，分析了單柱拉線塔風振響應的時程規律。

上述研究結果表明：特高壓單柱拉線塔的第一階振型與自立式輸電塔有著顯著不同。自立式輸電塔的第一階振型一般多為彎曲振動，但單柱拉線塔由于拉線的支撐剛度較小，且塔頭的轉動慣量較大，其第一階振型為扭轉振動；特高壓單柱拉線塔的扭振頻率較低且位于風功率譜值較大的頻段，在垂直于線路方向的90°大風作用下，主柱發生了明顯的繞軸線的扭轉振動。因此，相比于自立式輸電塔，扭轉振動特性是特高壓單柱拉線塔典型的動力學特性之一。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種基于單自由度模型的單柱拉線塔扭振頻率估算方法，該方法采用單自由度扭振模型計算得到特高壓單柱拉線塔的扭振頻率，計算結果滿足工程要求，計算過程簡單，精度高，可用于特高壓單柱拉線塔扭振頻率的估算。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：基于單自由度模型的單柱拉線塔扭振頻率估算方法，所述的單柱拉線塔包括主柱和橫擔，所述的主柱的中上部設有與地面連接的八組拉線，八組拉線組成拉線系統，主柱的底端與基礎平面之間通過球形結構鉸接；其特征在于：特高壓單柱拉線塔主柱的抗扭剛度遠大于其拉線系統的抗扭剛度，忽略主柱的扭轉變形，利用單自由度模型來計算拉線塔的扭振頻率，具體步驟如下：

(1)計算拉線系統的扭轉剛度k_g

其中：T為拉線系統所產生的扭矩，θ為主柱發生的扭轉角；

(2)拉線塔整體的轉動慣量J

J＝J_m+J_g(2)

其中：J_m為拉線塔主柱及塔頭的轉動慣量，J_g為拉線系統的轉動慣量；

式中n為拉線塔角鋼的總數目，M_i為第i根角鋼的質量，l_i為第i根角鋼的長度，為第i根角鋼與主柱中心軸心的夾角，d_i為第i根角鋼中點到主柱中心軸心的距離；

l_s為拉線掛點到主柱中心線的距離，m為單根拉線的質量；

(3)計算拉線塔的扭振頻率ω

由機械系統動力學可知，忽略系統的阻尼，則拉線塔的扭振頻率可表示為

式中k_g為拉線系統的抗扭剛度，J為拉線塔整體的轉動慣量。

所述的步驟1中，八組拉線的扭轉剛度為

式中，l₀為拉線的弦向長度，l_a為拉線錨地點到主柱中心線的距離，E_eq為弦向變形的等效切線彈性模量，A為拉線的截面積，b為主柱的寬度；

其中，弦向變形的等效切線彈性模量E_eq表達為：