基于原型觀測數(shù)據(jù)的輸電塔風(fēng)振控制效果

王偉，趙東陽，鐘萬里，徐俊，凌杰，肖曉暉

(1. 廣東電網(wǎng)公司 電力科學(xué)研究院，廣東 廣州，510080；2. 武漢大學(xué) 動力與機械學(xué)院，湖北 武漢，430072)

高壓輸電塔是一種典型的高聳鋼結(jié)構(gòu)，具有自振頻率低、阻尼小的特點，在強風(fēng)作用下極易產(chǎn)生大振幅振動，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致斷裂、倒塔等事故，如2002年臺風(fēng)造成日本茨城服10基高壓輸電塔連續(xù)倒塌[1]。采用阻尼耗能原理來控制輸電塔的風(fēng)振響應(yīng)，是一種經(jīng)濟有效的措施。然而，目前基于阻尼器的輸電線路風(fēng)振控制的研究還局限于數(shù)值仿真、風(fēng)洞試驗[2?3]階段，缺少現(xiàn)場工程實施的數(shù)據(jù)支撐以及工程實施有效性的分析與評估。針對輸電塔?線體系的風(fēng)振控制，早在20世紀(jì)70年代，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)就開始用于高聳和高層鋼結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制。鄧洪洲等[4?5]采用黏彈性阻尼器(VED)和調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)控制輸電塔線體系風(fēng)振，通過仿真分析，比較控制前后塔頂加速度、位移響應(yīng)時程曲線，計算的響應(yīng)最大值減小了10%～20%；楊靖波等[6]以1 MV淮南—上海輸變電工程同塔雙回鋼管塔為研究對象，采用 VED并聯(lián)于鋼管主材外側(cè)、TMD置于橫擔(dān)端部的方案，通過數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)桿塔彎、扭轉(zhuǎn)振動位移響應(yīng)均方根可降低17%～32%，加速度響應(yīng)的均方根可降低 25%～45%。梁峰[7]以晉東南—南陽—荊門1 MV輸電線路中的耐張塔、直線塔為工程背景，采用雙層黏彈性材料和鉛組合的黏彈性鉛芯阻尼器進(jìn)行風(fēng)振控制，提出7種布置方案，通過仿真分析時域內(nèi)的控制效果，發(fā)現(xiàn)加設(shè)黏彈性鉛芯阻尼器后，塔頂位移均值降低24.99%，塔頂速度、加速度響應(yīng)的最大值和均方值均明顯減?。灰i[8]以榕江大跨越輸電塔為工程背景，采用橡膠鉛芯阻尼器控制輸電塔線體系風(fēng)振，通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)安裝阻尼器后各控制點的橫線向和順線向位移、加速度響應(yīng)的減振率均為24%左右，各控制鋼管的內(nèi)力減振率均為20%左右。Shehata等[9]對輸電塔線體系的風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行了有限元分析；Yasui[10]等采用時程分析方法計算了輸電塔?線體系的風(fēng)振響應(yīng)，證明了采用時程分析所得的位移峰值比采用功率譜分析所得的位移峰值大；Park等[11]通過周期荷載試驗，驗證了摩擦阻尼器對輸電線塔有較好的減振效果。然而，針對基于阻尼耗能原理的輸電線路振動控制，相關(guān)研究還局限于數(shù)值仿真、風(fēng)洞模擬實驗等，缺少現(xiàn)場工程實施的驗證以及有效性的評估,忽略了現(xiàn)場因素對風(fēng)振控制效果的影響。為此，本文作者在前期數(shù)值分析與方案優(yōu)化研究[12]的基礎(chǔ)上，通過示范工程的實施與1個臺風(fēng)周期(在9～10級臺風(fēng)，21～24 m/s風(fēng)速下)的數(shù)據(jù)分析，比較風(fēng)振控制前后塔頂?shù)奈灰凭怠⑺俣群图铀俣软憫?yīng)的峰值和均方值，以及功率譜密度函數(shù)，以量化評估阻尼器的控制效果。

1 輸電塔風(fēng)振控制阻尼器布置方案

采用阻尼器抑制輸電線路的振動時，阻尼器的參數(shù)以及在桿塔上的安裝位置都影響振動控制的效果，此外，由于輸電線路的塔?線系統(tǒng)是一個剛?cè)狁詈系姆蔷€性系統(tǒng)，其風(fēng)致振動響應(yīng)是一個非線性過程，因此，本文作者在前期研究中[13]，建立了輸電塔?導(dǎo)線體系的有限元模型，并以廣東省某輸電線路的酒杯型桿塔為對象，設(shè)計相應(yīng)的阻尼器布置方案。初步擬定的6種方案見圖1。其中：方案1在塔頂前后各布置2個阻尼器，在塔身主材上方前后左右各布置1個，在塔身主材下方前后左右各布置1個，共12個阻尼器；方案2在塔頂前后各布置2個阻尼器，在塔身主材上方前后左右各布置1個，共8個阻尼器； 方案3在塔身主材上方前后左右各布置1個阻尼器，在塔身主材下方前后左右各布置1個阻尼器，共8個阻尼器；方案4只在塔頂前后各布置2個阻尼器，共4個阻尼器；方案5只在塔身主材上方前后左右各布置1個阻尼器，共4個阻尼器；方案6只在塔身主材下方前后左右各布置1個阻尼器，共4個阻尼器。

圖1 阻尼器布置方案Fig.1 Arrangements of dampers

基于有限元法的數(shù)值分析，從減振效果、經(jīng)濟性和現(xiàn)場原型觀測操作性3個方面對方案進(jìn)行分析，結(jié)果表明：方案1的減振效果最好，但由于阻尼器數(shù)量多且需到塔頂安裝阻尼器，所以，經(jīng)濟性較差，現(xiàn)場操作不方便；方案2的減振效果較好，經(jīng)濟性適中，但操作不方便；方案3的減振效果比前兩者的差，經(jīng)濟性適中，操作方便；方案4的經(jīng)濟性好，效果好，但操作不便；方案5和方案6幾乎沒有減振效果。經(jīng)比較分析，只在某一層塔身上安裝阻尼器控制效果不好。

進(jìn)一步對20，25和35 m/s風(fēng)速下比較3種方案：方案1(減振最優(yōu)方案)，方案3(操作最優(yōu)方案)，方案4(經(jīng)濟最優(yōu)方案)。分析表明：在塔頂安裝阻尼器，阻尼器對減少軸應(yīng)力的控制效果最明顯；在塔身主材上，靠近上方的地方安裝阻尼器，比在下方安裝阻尼器對主材軸應(yīng)力的控制效果略優(yōu)。在控制塔身主材軸應(yīng)力上，塔頂?shù)淖枘崞鞅人淼淖枘崞髌鸬礁蟮淖饔?；考慮風(fēng)速增加時，塔頂?shù)淖枘崞鲗λ斘灰频目刂聘靡恍?；而塔身的阻尼器對軸應(yīng)力增加量的控制更好。

綜上可見：考慮控制效果、實施經(jīng)濟性和現(xiàn)場原型觀測操作性3個方面，選擇塔身阻尼器控制方案即方案3用于現(xiàn)場原型觀測試驗。

2 現(xiàn)場原型觀測數(shù)據(jù)分析

2.1 時域特征分析

根據(jù)以上研究得到的布置方案，對廣東省某線路進(jìn)行現(xiàn)場原型觀測。為了對比分析控制效果，本文監(jiān)測同一線路相鄰的2個同型號桿塔，其中對48號塔按確定的方案安裝阻尼器，2個桿塔的順線向和橫線向分別布置加速度傳感器。2012?08“啟德”臺風(fēng)登陸期間，在9～10級臺風(fēng)(21～24 m/s風(fēng)速)時，得到圖2和圖3所示2個桿塔的振動加速度(進(jìn)行了去均值處理，即各30 min的加速度均減去該30 min時均值，以消除傳感器長時間運行產(chǎn)生的漂移對測量結(jié)果的影響)。

加阻尼器的桿塔的加速度傳感器比無阻尼器的桿塔的加速度傳感器晚開動約12 min，早關(guān)閉約1 h。無阻尼器的桿塔在剛開機后的6.3 min內(nèi)測得的加速度存在明顯誤差，將該段數(shù)據(jù)去掉。因而，圖2和圖3中曲線開始段存在一段間隙。

通過順線向和橫線向的振動加速度矢量合成，可得出桿塔整體振動加速度的幅值，如圖4所示。

分析得到的振動數(shù)據(jù)的峰值、均方根及減振率見表1和圖4。其中，減振率定義如下：

其中：d為減振率；N為無阻尼器的桿塔的振動特征值；D為有阻尼器的桿塔的振動特征值。分析表2和圖5可見：

(1) 無阻尼器的桿塔順線向和橫線向的振動峰值與均方根的變化趨勢與風(fēng)速的變化趨勢基本一致。

(2) 加裝阻尼器對桿塔的合成振動具有明顯的抑制效果。如不計第1個30 min和最后1個30 min的振動加速度(因 2段時間內(nèi)兩桿塔上傳感器有效運行時間不同)，峰值和均方根減振率分別達(dá)到 52%～80%和41%～60%。

圖2 無阻尼器和加阻尼器兩桿塔順線向振動?時間歷程Fig.2 Time history curve of acceleration along wires of two towers without and with dampers

圖3 無阻尼器和加阻尼器兩桿塔橫線向振動?時間歷程Fig.3 Time history curve of acceleration across wires at two towers without and with dampers

圖4 無阻尼器和加阻尼器兩桿塔振動加速度幅值Fig.4 Time history curve of acceleration to wires at two towers without and with dampers

表1 實測的風(fēng)振控制效果Table 1 Control effect of measured wind vibration

圖5 無阻尼器和加阻尼器的兩輸電塔的風(fēng)振加速度的特征值及環(huán)境風(fēng)速Fig.5 Acceleration eigenvalue of wind-induced vibration and wind speed at two towers with and without dampers to wires

(3) 分析觀測桿塔順線向和橫線向振動，順線向的振動能量大，振動抑制效果明顯。不計第1個30 min和最后1個30 min的振動加速度(因2段時間內(nèi)2桿塔上傳感器有效運行的時間不同)，峰值和均方根分別下降了62%～79%和35%～66%；橫線向的振動峰值和均方根有增也有減，這可能與阻尼器的布置方式、塔的結(jié)構(gòu)、風(fēng)向以及相鄰2個塔所處的微地形及微氣象條件有所不同等有關(guān)。因此，要考察時域振動衰減效果，必須對通過矢量合成得到桿塔合成的振動加速度進(jìn)行分析，將順線、橫線向的振動分離出來考慮減振效果是不合理的。

(4) 風(fēng)速高，阻尼器的減振效果較明顯。

(5) 因加速度傳感器存在測量誤差，故難以得到各時間段內(nèi)的準(zhǔn)確峰值，由均方根所得評價結(jié)果更加可信，誤差更小。

2.2 功率譜分析

對2個桿塔順線向和橫線向振動加速度檢測結(jié)果進(jìn)行功率譜分析，結(jié)果如圖6(a)所示(圖中未標(biāo)示出頻率為0的分量)。分析圖6(a)可知：加裝阻尼器后桿塔各頻率段的振動幅值均有明顯衰減。

圖6 無阻尼器和加阻尼器的兩輸電塔的自功率譜圖Fig.6 Auto power spectrum of wind-induced vibration acceleration of two towers with and without dampers

不加裝阻尼器的桿塔的順線向和橫線向的振動加速度功率譜幾乎相同。不加裝阻尼器的桿塔的順線向和橫線向的振動加速度功率譜的形狀也幾乎相同。

不加裝阻尼器的桿塔在臺風(fēng)的作用下，其順線向和橫線向振動的功率譜幾乎重合，而加裝阻尼器的桿塔在臺風(fēng)的作用下，其順線向和橫線向振動的功率譜則有明顯差異。

桿塔順線向振動幅值的衰減程度要比橫線向的衰減程度大。由圖 7(a)可見：順線向幅值減振率可達(dá)50%～70%，橫線向幅值減振率在30%～55%的范圍內(nèi)。

進(jìn)一步考查減振率可發(fā)現(xiàn)：桿塔振動的減振率在不同的頻段波動較大，當(dāng)頻率為 1，6，10，15，21和24 Hz時，減振率出現(xiàn)低值；當(dāng)頻率為2，5，8，11，14，17，22和23 Hz時，減振率出現(xiàn)高值。

將桿塔振動順線向和橫線向加速度幅值分別作為復(fù)數(shù)的實部和虛部，對該復(fù)數(shù)列求取功率譜，得到合成加速度的功率譜和頻域幅值減振率如圖 6(b)和圖7(b)所示。

圖7 無阻尼器和加阻尼器的兩輸電塔的頻域減振率Fig.7 Damping ratio of wind-induced vibration at two transmission towers without and with dampers in frequency domain

由圖6(b)和圖7(b)可見：合成加速度功率譜的形狀和分加速度功率譜的形狀幾乎相同，合成加速度減振率在30%～55%的范圍內(nèi)。

對比時域特征值與頻域特征值的分析結(jié)果可知：時域特征值順線向分加速度減振率和合成加速度減振率較明顯而橫線向分加速度減振率不明顯；頻域特征值分加速度減振率和合加速度減振率均較明顯。

從圖3可知：加阻尼器的桿塔橫線向振動加速度波動較大，加速度大的很大，而加速度小的很小，且大值點并不很多；而無阻尼器的桿塔橫線向振動加速度波動較小，振動加速度雖不大，但各點的加速度相差較小，因此，頻域能量衰減較明顯，而時域能量衰減不明顯。

3 結(jié)論

(1) 根據(jù)仿真分析得到的塔身阻尼器控制方案，對基于高分子阻尼器在輸電塔風(fēng)振控制原型觀測數(shù)據(jù)，提取其時域和頻域特征值，分析其控制效果。

(2) 加裝阻尼器對桿塔整體振動抑制效果十分明顯，加速度的峰值和均方根減振率分別可達(dá)到54%～79%和 31%～58%；順線向的頻域幅值減振率可達(dá)50%～70%，橫線向頻域幅值減振率在30%～55%的范圍內(nèi)，合成加速度減振率在30%～55%的范圍內(nèi)。

(3) 當(dāng)風(fēng)速較高時，阻尼器的減振效果較明顯。同時，單純考察順線向和橫線向的時域特征值減振率不能真實反映阻尼器的減振效果，將順線向和橫線向振動加速度矢量合成得到的合成加速度，其特征值才能真實反映阻尼器的時域減振效果。

(4) 將桿塔振動順線向和橫線向加速度幅值分別作為復(fù)數(shù)的實部和虛部，對該復(fù)數(shù)列求取功率譜，得到合成加速度的功率譜和頻域幅值減振率，可真實反映阻尼器的頻域減振效果。

(5) 桿塔振動加速度橫線向頻域幅值減振率較明顯，而時域特征值減振率不明顯。

(6) 驗證了目前基于阻尼耗能機理的輸電塔風(fēng)振控制研究的有效性。

[1] 張勇. 輸電線路風(fēng)災(zāi)防御的現(xiàn)狀與對策[J]. 華東電力, 2006,34(3): 28?29.ZHANG Yong. Status guo of wind hazard prevention for transmission lines and countermeasures[J]. East China Electric Power, 2006, 34(3): 28?30.

[2] 鐘寅亥, 李黎, 江宜城. 黏彈性阻尼器在控制輸電塔風(fēng)振反應(yīng)中的應(yīng)用[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報: 城市科學(xué)版, 2003, 20(2):69?71.ZHONG Yinhai, LI Li, JIANG Yicheng. Application of viscoelastic damper to control vibration response of transmission tower under wind[J]. HUST: Urban Science Edition, 2003, 20(2):69?71.

[3] 葛曉明, 肖忠來. 黏彈性阻尼器在控制高層鋼結(jié)構(gòu)建筑風(fēng)振反應(yīng)中的應(yīng)用[J]. 蘇州大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2001, 17(4):68?73.GE Xiaoming, XIAO Zhonglai. Application of viscoelastic dampers on the wind resistant of steel tall buildings[J]. Journal of Suzhou University: Natural Science, 2001, 17(4): 68?73.

[4] 鄧洪洲, 朱松嘩, 陳亦, 等. 大跨越輸電塔線體系風(fēng)振控制研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 2003, 24(4): 60?64.DENG Hongzhou, ZHU Songhua, CHEN Yi, et al. Study on wind-induced vibration control of long span transmission line system[J]. Journal of Building Structures, 2003, 24(4): 60?64.

[5] 鄧洪洲, 朱松嘩, 蘇速, 等. 大跨越輸電塔線體系風(fēng)振控制風(fēng)洞試驗[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報, 2003, 31(9): 1009?1013.DENG Hongzhou, ZHU Songhua, SU Su, et al. Wind-induced vibration suppression and wind tunnel tests of long span transmission line system[J]. Journal of Tongji University, 2003,31(9): 1009?1013.

[6] 楊靖波, 韓軍科, 華旭剛, 等. 1 000 kV淮南—上海輸變電工程同塔雙回鋼管塔風(fēng)振控制[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2010.YANG Jingbo, HAN Junke, HUA Xugang, et al. Wind-induced vibration suppression of tubular towers for 1 000 kV double-circuit transmission lines on the same tower from Huainan to Shanghai[J]. Proceedings of the CSEE, 2010.

[7] 梁峰. 輸電塔的風(fēng)振控制研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院, 2006: 1?20.LIANG Feng. Wind induced vibration control for transmission towers[D]. Wuhan: Huazhong University, School of Civil Engineering & Mechanics, 2006: 1?20.

[8] 尹鵬. 大跨越輸電塔?線體系動力學(xué)特性和風(fēng)振控制研究[D].武漢: 華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院, 2009: 1?10.YIN Peng. The research of dynamic characteristics and wind induced vibration control for long span transmission tower-line system[D]. Wuhan: Huazhong University. School of Civil Engineering & Mechanics, 2009: 1?10.

[9] Shehata A Y, Damatty A A. EI, Savory E. Finite element modeling of transmission line under downburst wind loading[J].Finite Elements in Analysis and Design, 2008, 45(1): 1?12.

[10] Yasui H. Analytical study on wind-induced vibration of power transmission tower[J]. Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1999, 83(2): 150?155.

[11] Park J H, Moon B W, Min K W, et al. Cyclic loading test of friction-type reinforcing members upgrading wind-resistant performance of transmission towers[J]. Engineering Structures,2007, 29(13): 3185?3196.

[12] 鐘萬里, 吳灌倫, 王偉, 等. 基于阻尼耗能原理的高壓輸電塔風(fēng)振抑制方法[J]. 中南大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2013, 44(1):397?402.ZHONG Wanli, WU Guanlun, WANG Wei, et al. Wind-Induced vibration reduction technology of high-voltage transmission tower based on polymer damper[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2013, 44(1): 397?402.