下击暴流作用下输电铁塔荷载取值及承载性能分析
风冰荷载作用下输电塔-线体系参数敏感性分析
风冰荷载作用下输电塔-线体系参数敏感性分析在电力系统的脉络中，输电塔与线路构成了生命线般的存在。
它们如同巨人的血脉和神经，承载着能量的输送与信息的传递。
然而，在这看似坚不可摧的结构背后，隐藏着对自然力量敏感的脆弱性。
风冰荷载，这一自然界的猛兽，时常以其狂野的力量考验着输电塔-线体系的稳固性。
本文旨在深入探讨风冰荷载作用下，输电塔-线体系参数的敏感性，以及如何通过科学的分析和合理的设计来增强其抵御自然灾害的能力。
首先，我们必须认识到输电塔-线体系在风冰荷载作用下的敏感性并非空穴来风。
正如一艘航船在狂风巨浪中摇摆不定，输电塔在猛烈的风力冲击下也会出现位移和变形。
这种位移和变形，如果不加以控制，将可能导致灾难性的后果。
因此，对输电塔-线体系的参数进行敏感性分析，就像是对航船的稳定性进行评估一样重要。
在进行敏感性分析时，我们首先要关注的是输电塔的材料属性。
不同的材料有着不同的弹性模量和屈服强度，这些参数直接影响到输电塔在风冰荷载作用下的响应。
例如，采用高强度钢材的输电塔，其抵抗变形的能力更强，就像一座用坚固岩石砌成的堡垒，能够更好地抵御风力的侵袭。
接下来，我们要审视的是输电塔的几何尺寸。
塔的高度、宽度和壁厚等参数，决定了其在风力作用下的稳定性。
一个过高或者过窄的输电塔，就如同一个高脚酒杯在风暴中摇摇欲坠，极易发生倾覆。
因此，在设计时必须考虑到这些因素，确保输电塔既有良好的力学性能，又不失美观。
此外，线路的张力也是影响输电塔-线体系敏感性的重要因素。
张力过大或过小都会影响体系的平衡状态。
过大的张力会使输电塔承受巨大的拉力，就像一根绷紧的琴弦随时可能断裂；而张力不足则会导致线路松弛，增加了在风力作用下产生共振的风险。
因此，合理设置线路张力是保障输电塔-线体系稳定的关键。
在分析了上述参数后，我们还需要关注风冰荷载本身的特性。
风速、风向以及冰层的厚度和分布情况都是决定输电塔-线体系受力状况的重要因素。
这些因素的变化无常，就像是战场上变幻莫测的战术，要求我们的设计必须具备足够的灵活性和适应性。
关于高速铁路穿越架空输电线路增设防护棚洞的技术探讨
关于高速铁路穿越架空输电线路增设防护棚洞的技术探讨摘要：研究目的：新建高速铁路穿越架空输电线路时，为减少迁改规模而增设防护棚洞，是一种新型的交叉跨越方式。
对于防护棚洞的建设，目前尚未有明确的技术规定和标准。
为合理确定防护棚洞的长度、与上方导线的最小垂直距离及结构形式等，本文讨论了输电线路在多种事故下对防护棚洞的要求并给出了计算方法，为防护棚洞的设计提供一种思路。
研究结论：（1）防护棚洞的设置长度应满足倒塔和断线事故发生时不影响铁路安全运行，分别给出了倒塔和断线条件下的计算方法；（2）防护棚洞与上方导线的最小垂直距离可采用架空线路在交通困难地区的对地最小距离；（3）防护棚洞的结构强度应满足倒塔和断线对其的冲击，内部的净空尺寸满足铁路建筑限界和接触网带电体的净空距离要求。
关键词：防护棚洞；设置长度；最小垂直距离；结构设计0 引言铁路交通网与电力能源网都具有点多、线长、面广的特点，因此两者相互交叉的现象非常普遍。
通常的作法是提高交叉处架空线路的跨越标准进行迁改，以最大限度减少发生倒塔侵限、断线触网等影响铁路运营安全的事故。
架空线路电压等级越高，其承担的电能输送任务越重，尤其是超、特高压线路，外部协调环境复杂、停电计划批复困难，造成电力迁改实施难度大、工期长。
当工点条件特殊时，甚至可能对输电线路迁改的可行性造成颠覆性制约，严重影响铁路建设的推进。
在铁路轨道上设置防护棚洞，与铁路土建结构有机结合，利于有效控制施工进度，避免繁重复杂的迁改任务，同时其对电力系统影响最小，对于路电双方都是有利的措施。
但棚洞防护范围和建设标准如何确定，目前尚无相关规定，处于探索阶段。
1 防护棚洞的设置长度输电线路架空跨越高速铁路时通过提高建设标准到达降低发生倒塔断线等事故的概率并保证发生倒塔事故时铁搭不应侵入铁路安全限界内的目标。
按照与此目标一致的原则，防护棚洞应保证电力杆塔倾覆时不侵入铁路安全限界内为必要条件，架空线路发生断线时不搭落在接触网上为可选条件（因为架空跨越时一旦发生断线并没有防护设施，棚洞对断线的防护是其自然产生的）。
大风作用下输电铁塔受力计算及模态分析
大风作用下输电铁塔受力计算及模态分析摘要:本文在已知工况的情况下，自主进行特高压输电杆塔整体建模以及详细计算外部荷载，并在建立模型的基础上，通过赋材、施加外部荷载和约束等操作对输电杆塔进行静力求解、模态分析与地震谱分析。
在静力求解中，着重对杆塔中的地线支架以及其他部位的危险杆件进行强度校核；在模态分析中，通过读取各阶频率对应的振型，简单剖析杆塔的振型规律，以发现在杆塔建模中存在的问题并加以改进；在地震谱分析中，在合并模态的前提下，主要提取杆塔的前几阶有效频率，并简单分析其振型。
另外，通过利用两种不同的设计规范对同一杆件的不同材料分别进行强度校核，简单分析材料的选取对杆件强度的影响。
关键词：特高压输电杆塔静力求解模态分析1 引言输电塔是一种柔度较大的高耸结构，一般为较高的格构式钢析架塔，作为重要生命线工程的电力设施，输电塔的破坏会导致供电系统的瘫痪，造成严重的后果。
然而输电塔受风载破坏发生倒塔等事故屡有发生。
因此,确保风荷载、振动荷载作用下输电线路的正常工作,己成为电力工程与输电工程一个重要的研究课题。
本文对铁塔在平均风载荷下的受力情况进行分析计算，通过分析计算输电塔在平均风荷载下的位移和受力以及形变情况，对输电塔受风力作用的承载能力进行一定的分析和了解。
2 研究对象及对应荷载计算2.1 研究对象及对应工况本文对5C-ZJ1铁塔进行载荷计算，建模，使用 ansys 软件进行内力分析，模态分析以及动载分析。
该类型杆塔的设计条件、使用条件及杆塔单线图可以通过铁塔设计手册查询。
2.2 荷载计算计算设计工况下的输电塔受力荷载，除了考虑塔身角钢所受的风荷载，还需要考虑导地线、金具自重以及所受风荷载对塔身所施加的力。
计算出各部分受力后，将其加载到仿真模型的各个节点上。
其中，按着计算风荷载公式计算各节点受力情况。
（2-1）3 杆塔仿真模型的建立3.1 有限元建模思想本文采用桁梁混合模型对500KV超高压输电角钢塔500ZJ1进行有限元建模。
下击暴流作用下不同深宽比的高层建筑风荷载
Ｗｉｎｄ ｌｏａｄｓ ｏｆ ｈｉｇｈ￣ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｗｉｔｈ ｖａｒｉｏｕｓ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏｓ ｉｎ ｄｏｗｎｂｕｒｓｔ ｗｉｎｄ
Ｆａｎｇ Ｚｈｉｙｕａｎ１ Ｌｉ Ｚｈｅｎｇｌｉａｎｇ１ꎬ２ Ｗａｎｇ Ｚｈｉｓｏｎｇ１ꎬ２
( １ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４５ꎬ Ｃｈｉｎａ) ( ２ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｉｔｉｅｓ ｉｎ Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｒｅａ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎꎬ
第 ４９ 卷第 ３ 期 ２０１９ 年 ５ 月
东南大学学报Байду номын сангаас 自然科学版)
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＵＴＨＥＡＳＴ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ( Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ)
ＤＯＩ:１０. ３９６９ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００１ － ０５０５. ２０１９. ０３. ０１２
Ｖｏｌ. ４９ Ｎｏ. ３ Ｍａｙ ２０１９
Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４５ꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｌｏａｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｉｇｈ￣ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｉｎ ｄｏｗｎｂｕｒｓｔ ｗｉｎｄꎬ ａｎ ｉｍｐｉｎ￣ ｇｉｎｇ ｊｅｔ ｄｅｖｉｃｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｅｓｔｓ ｏｎ ５ ｈｉｇｈ￣ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｍｏｄｅｌｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｐｔｈ￣ｔｏ￣ｗｉｄｔｈ ｒａｔｉｏｓ. Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｄｉａｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ａｎｄ ｏｖｅｒａｌｌ ｗｉｎｄ ｌｏａｄｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｙｅｒ ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｒｅ ｌａｒｇｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｐａｒｔ ａｎｄ ｓｍａｌｌｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｍｏｄｅｌｓ. Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｙｅｒ ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｃｃｕｒｓ ａｔ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ａｂｏｕｔ ０. ２５Ｈ( Ｈ ｉｓ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ) ꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｌｉｆｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｙｅｒｓ ｃｈａｎｇｅ ｓｍｏｏｔｈｌｙ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ. Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｐｔｈ￣ｔｏ￣ｗｉｄｔｈ ｒａｔｉｏꎬ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｙｅｒ ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ ｌｉｆｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙꎻ ａｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｍｏｄｅｌꎬ ｔｈｅ ｍｅａｎ ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｌｏｎｇ￣ｗｉｎｄ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｓｌｉｇｈｔｌｙꎬ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｌｉｆｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ￣ｗｉｎｄ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ. Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｄｉａｌ ｄｉｓｔａｎｃｅꎬ ｔｈｅ ｍｅａｎ ｌａｙｅｒ ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｄｅｃｒｅａ￣ ｓｅｓ ｒａｐｉｄｌｙꎻ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｉｆｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｆｉｒｓｔ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅ￣ ｃｒｅａｓｅꎻ ａｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｍｏｄｅｌꎬ ｔｈｅ ｍｅａｎ ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｄｅ￣ ｃｒｅａｓｅ ｒａｐｉｄｌｙꎬ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｄｒａｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｉｆｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｆｉｒｓｔ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: ｄｏｗｎｂｕｒｓｔ ｗｉｎｄꎻ ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ ｊｅｔꎻ ｈｉｇｈ￣ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇꎻ ｗｉｎｄ ｌｏａｄｓ
下击暴流条件下风力机尾流及载荷特性研究
下击暴流条件下风力机尾流及载荷特性研究下击暴流条件下风力机尾流及载荷特性研究一、引言风力发电作为一种清洁能源，已经在全球范围内得到广泛应用。
然而，风力机在复杂的气象条件下工作时，面临着诸多挑战，其中之一是下击暴流的影响。
下击暴流是一种具有瞬时性和非均匀性的风速变化，对风力机的性能和工作安全性带来了一定的影响。
二、风力机尾流特性研究风力机在罗夫(Löffler)函数的驱动下，产生尾流。
尾流是指风力机转子后方的气流运动，其速度和方向通常与气流与转子面的夹角有关。
在下击暴流条件下，尾流特性可能发生一系列变化。
1. 尾流速度分布下击暴流会导致尾流速度的突然变化。
当暴流向下通过风力机时，风力机背风面受到较大的风力冲击，因此产生的尾流速度较高。
而在暴流通过之前和通过之后，尾流速度则会较低。
2. 尾流方向变化下击暴流的非均匀性会导致尾流方向的变化。
当暴流通过风力机时，风向的变化会导致尾流方向偏离原有的水平方向。
尤其是在暴流通过过程中，风向变化最为明显。
3. 尾流扰动下击暴流还会引起尾流的扰动。
暴流通过风力机时，其速度变化率较大，会给尾流带来各种涡旋和扰动，进而影响风力机的性能和振动特性。
三、载荷特性研究下击暴流引起的尾流特性变化，进而对风力机的载荷特性产生影响。
1. 功率特性下击暴流条件下，风力机的切片功率曲线可能会发生变化。
当暴流通过风力机时，尾流扰动会导致风力机转子面积受到影响，从而使风力机的切片功率产生波动。
2. 转矩特性下击暴流时，尾流扰动会导致风力机的转矩特性发生变化。
由于尾流速度和方向的突然变化，风力机受到的扭矩也会有所变化。
3. 振动特性暴流引起的尾流扰动会对风力机的振动特性产生影响。
尤其是在暴流通过的瞬间，风力机可能受到较大的振动力，进而加剧风力机的振动。
四、结论下击暴流条件下，风力机尾流及载荷特性会发生一系列变化。
尾流的速度分布、方向变化和扰动，会对风力机的切片功率、转矩和振动特性产生影响。
输电线路杆塔结构风荷载分析
输电线路杆塔结构风荷载分析摘要：随着我国高压电网建设的迅速发展，新的输电技术如同塔双回线路、紧凑线路、大截面导线等，都使输电线路杆塔结构产生大负荷的趋势日益突出。
输电线路杆塔是线路的重要组成部分，是线路安全、可靠的重要组成部分。
风荷是输电线路杆塔所要承担的最大载荷，但其影响范围较大。
因此，在输电线路杆塔的设计中，对其进行风载荷的计算和分析就显得尤为重要。
关键词：高压电网；输电技术；杆塔结构；风荷载引言：架空传输线杆塔是一种柱状或塔状结构，它支撑着架空传输线的导线和地线，并使两者与地面保持一定的间距，其安全可靠度对整个输电系统的安全运行有着重要的影响。
在架空输电线路中，杆塔造价占总投资的30%或更多，它直接影响到线路的经济效益。
随着我国特高压电网的不断发展，同塔多回线路、紧凑线路、大截面导线等新技术的普及，线路杆塔大荷载、大型化的发展趋势日益显现。
随着我国建设“节约型、环境友好型”社会，电网安全稳定，气候变化复杂，对杆塔的安全可靠性、经济性和环保性能的要求越来越高。
文章就国内输电线路杆塔结构的受力取值、结构优化及新材料应用等方面的最新研究成果进行了综述，并结合国内外的实际情况，指出了今后的发展方向。
1.风荷载对输电线路杆塔的影响1.1风的速度会产生结构位移对于某一特定高度以下的高层建筑，可以采用标准的方法进行计算，采用适当增加的风荷载来度量其动态影响，而风荷载仍以静力形式计算其自身的内力和位移。
但在高层建筑中，由于建筑物的高度越高，受风影响越大，由于位移太快所产生的动态影响就越小。
在考虑了动力作用的情况下，必须采用经验公式对顶点速度的影响进行估计。
因为铁塔所支持的导线和上部结构的高度都很高，而且导线的自重和拉力都很大，所以必须进行风洞实验来判断风向和风荷的影响，以弥补规范的缺陷。
1.2风作用下输电线路杆塔的刚度影响在输电线路杆塔结构的设计中，应该考虑到在普通暴风雨影响下，杆塔也能正常工作。
这就是在结构的弹性和小位移条件下，风力可以发生不同的角度，例如-10到+10度。
采空区输电线铁塔承载力分析建模及性能评估
采空区输电线铁塔承载力分析建模及性能评估姜辉;谢佳益;张博;彭飞翔;郭磊【摘要】随着电网的智能化发展，对输电铁塔不同工况下的承载力性能要求越来越高，煤矿采空区输电线路铁塔基础变形后及扶正过程中的要求更不能忽视。
建立了采空区输电线铁塔的ANSYS有限元模型，设计了不同组合荷载工况承载力性能评估的方法，对基础变形后及扶正过程中铁塔的承载力性能进行了分析评估。
基于500 kV徐辽线53号变形铁塔说明了该方法，对53号塔基础沉降、大板基础倾斜及设置拉线后3种情况进行了承载力性能分析评估，涉及到不同风速、风向的风力荷载及覆冰荷载的多种组合工况。
结果表明：该性能评估方法在采空区输电线铁塔主材应力超限、主材轴力变化及沉降量临界值的评估方面有一定优势，这对采空区输电线路铁塔的承载力及稳定性设计有一定参考价值。
%With the development of smart power grids,the requirement for the bearing capacity of the transmission tower in different cases is increasingly stringent,and the requirements in the process of the deformation and the correction thereof of the foundation of power transmission steel towers in the coal goaf area can not be ignored at all. In this paper,the ANSYS finite element model of transmission towers in the goaf area is built, the assessment method of bearing capacity performance is desi-gned for different combined load conditions,and the bearing capacity of transmission towers in the process of the foundation deformation or the correction thereof is analyzed and evaluated. The method is expounded with the 53# deformation tower of the 500 kV Xuliao line as an example. Considering the foundation settlement,assumed big board foundationinclination and insta-lled braced wires,the paper conducts evaluation of the bearing capacity of the deformation tower,involving many combination cases of different wind speeds,wind directions and icing loads. The result shous that for this method of performance evaluation, there are certain advantages in evaluating whether main mem-ber stress overruns, the changing of main member axial force and the settlement critical value, it provides a reference for the design of bearing capacity and stability of transmission towers of mine goaf.【期刊名称】《电网与清洁能源》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】9页(P7-15)【关键词】煤矿采空区;输电线铁塔;承载力;基础沉降;基础变形【作者】姜辉;谢佳益;张博;彭飞翔;郭磊【作者单位】国网辽宁省电力有限公司检修分公司，辽宁沈阳 110003;国网辽宁省电力有限公司检修分公司，辽宁沈阳 110003;国网辽宁省电力有限公司检修分公司，辽宁沈阳 110003;陕西博天科技实业有限责任公司，陕西西安 710062;国网陕西省电力公司经济技术研究院，陕西西安 710065【正文语种】中文【中图分类】TM752输电线路经过地震地质变形区、地下水位下降区、煤矿采空区等环境时，输电线路铁塔基础将发生沉降、倾斜、水平滑移等破坏[1-2]，进而使铁塔的根开和塔腿高差发生变化，塔体结构产生较大的附加应力，造成塔体局部破坏或整体发生倒塌，直接威胁铁塔安全及线路的稳定运行[3-4]。
土木工程下击暴流风速数值模拟的研究
电塔 在下 击 暴 流 之 类 高 强 度 风 速 场 作 用 下 的破 坏 情
况 。 由于 Ｈ ｌ ｅ ｏｍ ｓ的经 验 模 型 没 有 考 虑 风 速 场 的 随机 波动 成分 ， 能会 低 估 了下 击 暴 流 风荷 载作 用 下 结 构 可
风速场 。在随机脉动成分 的数值模拟过程 中 ， 引入了三次样 条函数插值技术 ， 以减少 Ｃ ｏ ｓｙ分解的次数 ， ｈｌ ｋ ｅ 进一步提高 了 数值模拟雷暴天气下击暴 流风速的效率 。 关键词 ：下击暴流 ； 时变平均风速 ； 数值模拟 ； 三次样条 函数插值技术 ； 谐波叠加法
中图 分 类 号 ：Ｔ １ Ｕ３１ 文 献 标 识 码 ：Ａ
下 击暴 流 往往 伴 随着 雷 暴 天 气 而 出 现 ， 常 会 产 经
的平均 风速 。这种 模型 将下 击 暴 流 的平 移速 度 与下 击 暴流 产 生 的 径 向风 速 进 行 了 矢 量 合 成。然 而 ， 在 Ｈｏ ｅ 的经 验 模 型 中 没 有 考 虑 风 速 场 的竖 向分 布 。 ｌ ｓ ｍ Ｏ ｅｕｒ Ｂ ｗｅｌ提 出 了一 个 能够 满 足 流 体质 量 连 ｓｇｅａ和 ｏｌｓ５
布模 型 。Ｓｖｒ 等 运用 Ｈ ｌ ｅ 的经验模 型研 究 了输 ａｏｙ ｏｍ ｓ
流使得潮 湿 的空 气 上 升 并 形 成 上升 气 流 ， 后 当 潮 湿 随 的空 气开始 浓 缩 和冷 却 时 ， 升 过 程 就 停 止 了。 冷却 上 后 密度变 大的空 气开 始加 速 向地 表 运动 并 形成 下 降气 流， 当强度较 大 的下 降 气 流 剧 烈地 与 地 面碰 撞 并 向 四
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关键词：下击暴流；风速剖面；输电铁塔；荷载；破坏模式
0 引言
输电铁塔属于高柔的风敏感性结构，其风振响 应和风灾防治方面的研究一直广受重视[1-2]。下击暴 流(downburst)为雷暴天气中强下沉气流冲击地面后 向四周扩散引起的冲击性近地面强风。下击暴流瞬 时风速往往能够达到 50 m/s(F2 级)以上[3]，对位于空 旷原野中的输电铁塔容易造成较大的破坏。
ASCE 荷载导则中将龙卷风和下击暴流称为高 强度风(high intensity wind，HIW)，规定了高强度风 作用下输电线路风荷载取值。尽管龙卷风、下击暴 流会对输电线路局部造成严重破坏，但由于其发生 位置的不确定性且风速较大，出于经济性和安全性 的综合考虑，美国电力部门并没有按照完全能够抵 御这类高强度风进行输电线路设计。龙卷风、下击 暴流(发生频次较多的为 F2 级，3 s 瞬时风速为 50.5~70.2 m/s)的风场构成和移动路径均较为复杂， 目前还没有针对输电线路设计的工程风场模型。 ASCE 荷载导则中规定了一种可用于与中等龙卷风 (F1 和 F2 级)对应的风荷载计算方法，即只在输电铁 塔结构任意方向上施加风荷载，且不考虑风速沿高 度的变化。一方面由于龙卷风(F2 级)的路径宽度较
析中采用 Vicroy 模型，表达式为
(−0.15 z )
(−3.217 5 z )
v(z) = 1.22 × [e − e zmax
zmax ] × vmax (2)
式中：vmax 为下击暴流的最大水平风速，一般取 80 m/s；zmax 为最大水平风速的所在高度，一般取 70 m。
常规风选用 Davenport 建议的城市郊区参数，
U (z,t) = v(z) × f (t)
(1)
式中：v(z)为沿径向水平风速最大时，随高度变化 的竖直风速剖面；f(t)为时间因子，描述竖直风速剖 面随时间的变化，受雷暴移动速度、轨迹和径向风
速剖面等因素的影响。 关 于 竖 直 风 速 剖 面 ， Oseguera&Bowles[23] 、
Wood&Kwok[24]和 Vicroy 通过试验和 CFD 数值模拟 各自提出了下击暴流的竖直风速剖面模型。本文分
1 下击暴流风场模型
用于描述下击暴流流场特性的模型分为涡环
模型和壁面射流模型。壁面射流模型与实测风具有
更好的一致性，目前在研究中被广泛采用。Chen & Letchford[21]对 Holmes&Oliver 模型[22]无法考虑下击 暴流脉动特性的缺点进行修正，提出了混合随机模
型。下击暴流平均水平风速 U(z,t)可视为竖直风速 剖面和时间因子的乘积，如下所示：
KEY WORDS: downburst; wind speed profile; transmission tower; load; destroyed mode
摘要：下击暴流会给输电线路造成巨大危害，已引发生多起 倒塔事故。基于 ASCE 关于高强度风区域输电线路设计的 相关规定，综合考虑下击暴流尺度特征和输电线路经济性设 计原则，提出了下击暴流作用下输电线路的设计荷载取值建 议。采用 Vicroy 风速剖面模型，计算得到了内陆和沿海地 区典型输电铁塔在下击暴流作用下的风荷载。建立了输电铁 塔空间有限元分析模型，通过结构受力分析，确定了输电铁
近年来，国内外学者针对下击暴流作用下输电 铁塔(构架)的荷载特性和受力特征进行了研究[12-19]。 Eric Savory 等[4]建立了龙卷风和下雷击暴流风荷载 模型，确定了不同类型风荷载作用下自立式铁塔的 破坏模式。A.Y. Shehata 等[16]对比分析了下雷击暴 流风荷载和常规风荷载作用下输电线路的动力响 应。王昕等[17]分析了下击暴流风荷载对输电铁塔的 作用特性，获得了下击暴流作用过程中输电铁塔构 件内力时程，并与设计中采用的常规风风荷载作用 进行比较。王锦文等[18]在假定结构基底弯矩相等并 达到极限状态的条件下，确定了下击暴流作用下输 电铁塔的破坏特征。瞿伟廉、吉柏峰[19]在国内首次 系统研究了下击暴流的风场特征、风荷载模拟方法 及其对输电线路的灾害作用。上述研究为开展下击 暴流作用下输电铁塔的受力特征分析提供了理论 方法和重要借鉴，但尚未给出下击暴流作用下输电 线路风荷载取值建议和抗风设计方法，还不能直接 指导输电线路设计。
本文基于 ASCE 关于高强度风区域输电线路设 计的相关规定，提出下击暴流作用下输电线路的设 计荷载取值建议。采用 Vicroy 风速剖面模型[20]，计 算得到内陆和沿海地区典型输电铁塔在下击暴流 作用下的风荷载，通过建立输电铁塔空间有限元分 析模型，进行结构受力分析，研究输电铁塔在下击 暴流作用下的受力特征和破坏模式。
下击暴流作用下输电铁塔荷载取值及承载性能分析
杨风利 1，张宏杰 1，杨靖波 1，党会学 1，刘建军 2
(1．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192； 2．江苏省电力公司电力科学研究院，江苏省 南京市 211103)
Bearing Capacity Analysis and Load Values of Transmission Towers Under Thunderstorm Downburst
40
60
80
v(z)/(m/s)
图 1 竖直风速剖面对比 Fig. 1 Comparison of the vertical wind profile
2 下击暴流风荷载取值
2.1 ASCE 荷载导则 ASCE 和 AS/NZS 的输电线路设计规范已经开
始要求考虑下击暴流影响，并就铁塔塔身风荷载和 导、地线风荷载的计算做出了相应的规定。
塔在下击暴流作用下的受力特征和破坏模式。结果表明：下 击暴流作用下，输电铁塔杆件应力主要由 45°大风控制。对 于设计风速较低的内陆地区，尽管铁塔结构高度不在下击暴 流最高风速区域，下击暴流风荷载明显高于常规风，塔腿横 隔面以上主材会首先发生破坏；对于设计风速较高的沿海地 区，下击暴流风荷载低于常规风，下击暴流在铁塔设计中不 起控制作用。
第 34 卷 第 24 期 2014 年 8 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.34 No.24 Aug.25, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 4179
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.24.023 文章编号：0258-8013 (2014) 24-4179-08 中图分类号：TM 752
2. Jiangsu Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, Jiangsu Provience, China)
ABSTRACT: Downbursts can cause great harm to the transmission lines and even many destroyed accidents of the towers. Based on the design regulations on the transmission lines in high intensity wind areas by ASCE, by considering the scale features of downbursts and the economic design principle of transmission lines, the design load values under downbursts for transmission lines were proposed. The wind velocity profile model by Vicroy was applied, and the wind loads of two typical transmission towers in inland areas and littoral areas were calculated separately. Spatial finite element models of the transmission towers were established and the structural analysis was completed. The bearing characteristics and the destroyed modes of the transmission towers under downburst were determined. It shows that stresses of the tower members are mainly controlled by 45° wind load. For the inland areas with low deign wind velocity, though the structural height is not in the highest wind velocity zone of downburst, the wind load under downburst is much higher than under regular wind. The main members above the transverse separator of the legs will be firstly destroyed. For the littoral areas with high deign wind velocity, the wind load under downburst is lower than under regular wind. Transmission towers are not controlled by the wind loads from downbursts in design process.