變電構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析與減振優(yōu)化研究

摘 要：針對(duì)煙臺(tái)某變電站構(gòu)架避雷針在風(fēng)場(chǎng)作用下產(chǎn)生的渦激振動(dòng)等異常振動(dòng)問題，該研究通過數(shù)值模擬進(jìn)行避雷針結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)分析，并探討相應(yīng)的減振優(yōu)化方案。首先，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取變電構(gòu)架避雷針的基本動(dòng)力特性，并根據(jù)目標(biāo)譜擬合方法模擬脈動(dòng)風(fēng)的荷載時(shí)程，為后續(xù)動(dòng)力響應(yīng)分析提供基礎(chǔ)。其次，基于這些數(shù)據(jù)，建立精細(xì)化的有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析。針對(duì)避雷針結(jié)構(gòu)的特性和調(diào)諧質(zhì)量阻尼器在避雷針結(jié)構(gòu)中的不同安裝位置，提出3種不同的減振控制策略。通過在脈動(dòng)風(fēng)下進(jìn)行時(shí)程反應(yīng)分析，檢驗(yàn)不同策略下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，并進(jìn)行參數(shù)化分析。結(jié)果顯示，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的精細(xì)化有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，隨著質(zhì)量比的增加，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的控制效果逐漸提高，但增長(zhǎng)率逐漸減小;在相同質(zhì)量比下，同時(shí)控制避雷針一階和二階結(jié)構(gòu)頻率的策略比僅控制單一頻率更為有效。通過該研究，對(duì)于變電構(gòu)架避雷針的風(fēng)振響應(yīng)與減振優(yōu)化提供全面深入的探討，并為類似問題的解決提供有益的參考與啟示。

關(guān)鍵詞：構(gòu)架避雷針;脈動(dòng)風(fēng);渦激振動(dòng);有限元模型;調(diào)諧質(zhì)量阻尼器;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）30-0064-04

Abstract： Aiming at the abnormal vibration problems such as vortex-induced vibration caused by a lightning rod frame in Yantai under the action of wind fields， this study analyzed the wind-vibration response of the lightning rod structure through numerical simulation， and discussed corresponding vibration reduction optimization schemes. First， the basic dynamic characteristics of the lightning rod of the substation frame are obtained using on-site measured data， and the load time history of the pulsating wind is simulated according to the target spectrum fitting method， providing a basis for subsequent dynamic response analysis. Subsequently， based on these data， a refined finite element model was established to analyze the dynamic characteristics of the structure. According to the characteristics of the lightning rod structure and the different installation positions of the tuned mass damper in the lightning rod structure， three different vibration reduction control strategies are proposed. By conducting time-history response analysis under fluctuating wind， the response of the structure under different strategies is tested and parametric analysis is carried out. The results show that the refined finite element model based on measured data can accurately simulate the dynamic characteristics of the structure; as the mass ratio increases， the control effect of the tuned mass damper gradually improves， but the growth rate gradually decreases; at the same mass ratio， the strategy of simultaneously controlling the first and second order structural frequencies of the lightning rod is more effective than controlling only a single frequency. Through this research， a comprehensive and in-depth discussion on the wind-vibration response and vibration reduction optimization of lightning rod for substation frames is provided， and useful reference and inspiration are provided for solving similar problems.

Keywords： frame lightning rod; pulsating wind; vortex-induced vibration; finite element model; tuned mass damper; optimal design

在變電站中，避雷針多采用圓截面鋼管結(jié)構(gòu)，容易在風(fēng)場(chǎng)作用下發(fā)生渦激振動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生異常振動(dòng)，甚至遭受風(fēng)致破壞[1]。對(duì)于避雷針結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制，通常采用氣動(dòng)控制措施[2]和附加減振裝置[3]。氣動(dòng)措施中常用的方法是增加擾流線，通過在結(jié)構(gòu)表面安裝特定形狀的凸起，影響流體流動(dòng)，從而避免或抑制渦激振動(dòng)的發(fā)生。這些擾流線的設(shè)計(jì)目的是控制渦旋的生成和脫落，從而減少對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響。附加減振裝置主要分為吸能減振裝置和耗能減振裝置。其中，吸能減振裝置[4]——調(diào)諧質(zhì)量阻尼器由于其簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)常被用于控制構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)。因此，本文以煙臺(tái)某變電站避雷針結(jié)構(gòu)的異常振動(dòng)為例，開展了構(gòu)架避雷針風(fēng)振響應(yīng)分析，并提出相應(yīng)的減振優(yōu)化方法。

1 工程背景

所選構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)位于煙臺(tái)某220 kV變電站，單構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)高度為35 m，詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。場(chǎng)地基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2。在2023年2—3月期間，變電站內(nèi)4根避雷針發(fā)生了振動(dòng)異常。經(jīng)過重點(diǎn)核查避雷針各部分連接螺栓，并對(duì)基礎(chǔ)施工情況和設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行勘察，未發(fā)現(xiàn)問題。設(shè)計(jì)單位分析認(rèn)為這種現(xiàn)象是由避雷針的渦激振動(dòng)引起的。因此，本文對(duì)現(xiàn)場(chǎng)避雷針結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，并進(jìn)行了脈動(dòng)風(fēng)的模擬，然后進(jìn)行了脈動(dòng)風(fēng)下的風(fēng)振響應(yīng)分析，最終提出了減振優(yōu)化措施。

通過對(duì)避雷針進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到了避雷針的加速度數(shù)據(jù)，如圖1（a）所示。圖1（a）中顯示，避雷針的最大加速度達(dá)到了800 mm/s2。采用快速傅里葉變換方法處理結(jié)構(gòu)加速度時(shí)程，得到加速度功率譜，如圖1（b）所示。從圖1（b）可以確定避雷針結(jié)構(gòu)的一階頻率為0.80 Hz。

為了進(jìn)行后續(xù)的變電構(gòu)架避雷針風(fēng)振響應(yīng)分析和相應(yīng)的減振研究，本文通過與目標(biāo)譜的擬合進(jìn)行了脈動(dòng)風(fēng)的時(shí)程模擬，圖2和3分別展示了脈動(dòng)風(fēng)的模擬譜和荷載時(shí)程圖。

2 有限元模型及動(dòng)力特性分析

本研究采用ABAQUS建立了避雷針的有限元分析模型，如圖4所示。在模型中，避雷針采用殼單元（S4R）進(jìn)行建模。圖紙質(zhì)量為2 501.76 kg，ABAQUS模型質(zhì)量為2 477.67 kg。兩者相差0.96%，在誤差允許范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.01 m。結(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量分別為380 106和379 788?；谒⒌谋芾揍樣邢拊Ｐ?，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，得到了避雷針的前五階振動(dòng)頻率，見表2。

3 減振優(yōu)化研究

本文采用ABAQUS中的Steady-state dynamic方法對(duì)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的控制效果進(jìn)行了分析。施加荷載為幅值是200 N的簡(jiǎn)諧激勵(lì)，分析頻率范圍為0～4 Hz，數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為200。圖5給出了避雷針的TMD安裝示意圖和荷載施加位置。表3給出了避雷針的TMD控制策略。

根據(jù)經(jīng)典調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的設(shè)計(jì)參數(shù)[5]，得到了給定質(zhì)量比下TMD的優(yōu)化參數(shù)。表4給出了不同質(zhì)量比下的設(shè)計(jì)參數(shù)。以TMD質(zhì)量比為10%為例，圖6展示了不同TMD控制策略的減振效果。從圖6中可以看出，安裝TMD 1只能降低結(jié)構(gòu)的一階響應(yīng)，對(duì)二階響應(yīng)影響較小;安裝TMD 2僅能降低結(jié)構(gòu)的二階響應(yīng)，對(duì)一階響應(yīng)沒有減振效果;同時(shí)安裝TMD 1和TMD 2可以有效地降低結(jié)構(gòu)的一階和二階響應(yīng)，相比之下更為有效。表5展示了不同質(zhì)量比對(duì)TMD控制效果的影響。其中，質(zhì)量比為1%、2%、5%、10%和15%，控制策略選擇同時(shí)安裝TMD 1和TMD 2。由此可見，TMD的控制效果隨著質(zhì)量比的增加而增加，但增長(zhǎng)率逐漸降低。綜合考慮，TMD的質(zhì)量比可以優(yōu)選為10%。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證TMD的控制效果，對(duì)脈動(dòng)風(fēng)激勵(lì)下TMD的控制效果進(jìn)行了研究。圖7展示了不同TMD策略的控制效果。從圖7可以看出，同時(shí)安裝TMD 1和TMD 2對(duì)于抑制脈動(dòng)風(fēng)作用下避雷針的結(jié)構(gòu)響應(yīng)效果最好，其次是僅安裝TMD 1。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，僅安裝TMD 2對(duì)于抑制脈動(dòng)風(fēng)作用下避雷針的結(jié)構(gòu)響應(yīng)沒有效果，這是因?yàn)槊}動(dòng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)主要由結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)控制。

4 結(jié)論

通過本研究對(duì)變電構(gòu)架避雷針的風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行了深入分析，并提出了一系列調(diào)諧減振措施，旨在有效抑制脈動(dòng)風(fēng)下避雷針結(jié)構(gòu)的異常振動(dòng)。以下是本研究的主要結(jié)果和結(jié)論。

1）本文基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的精細(xì)化有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)力特性，為后續(xù)分析提供了可靠的數(shù)值模擬基礎(chǔ)。

2）隨著質(zhì)量比的增加，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器對(duì)避雷針結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)的控制效果逐漸提高，但增長(zhǎng)率逐漸減小。在綜合考慮下，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器最優(yōu)的阻尼比為10%。

3）在相同質(zhì)量比下，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器同時(shí)控制避雷針一階和二階結(jié)構(gòu)頻率的策略比僅控制單一頻率更為有效，可顯著降低結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。

4）通過在脈動(dòng)風(fēng)激勵(lì)下的時(shí)程反應(yīng)分析，驗(yàn)證了調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的控制效果，進(jìn)一步證實(shí)了其在抑制避雷針結(jié)構(gòu)振動(dòng)中的有效性。

在選擇調(diào)諧質(zhì)量阻尼器減振方案時(shí)，除了考慮控制效果外，還應(yīng)評(píng)估其實(shí)用性和可行性。例如對(duì)于TMD 2擺長(zhǎng)較短的情況，建議使用防震錘裝置進(jìn)行替代，以確保方案的可行性和實(shí)用性。值得注意的是，本研究為變電構(gòu)架避雷針的風(fēng)振響應(yīng)與減振優(yōu)化提供了重要參考，但仍有許多方面值得進(jìn)一步探索。未來(lái)的研究可以結(jié)合更多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證減振方案的有效性，并探索更加智能化和精準(zhǔn)化的減振技術(shù)。

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第一作者簡(jiǎn)介：侯永?。?992-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)樽冸娡两üこ碳夹g(shù)。