典型输电铁塔风振系数研究

管明文

[摘 要]：风振系数反映了脉动风对结构动力作用效应，目前国内输电铁塔设计主要依据《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》和《建筑结构荷载规范》中的相关规定，两者差异性较大。本文结合有限元计算和理论分析，对两种规范计算的风振系数值进行比较分析，并给出风振系数的取值建议。

[关键词]： 风振系数，有限元计算，模态分析

1、序言

风荷载是输电铁塔设计的重要荷载，风振系数对风荷载大小起着关键性的作用，风振系数反映了脉动风对结构动力作用效应，然而，风振系数合理取值一直是输电铁塔设计中一个复杂的问题。

目前，国内输电铁塔风荷载设计主要依据《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》和《建筑荷载规范》的相关规定，两者取值有较大的差异性。本文结合有限元计算和理论分析，对两种规范计算的风振系数值进行比较分析。

2、输电铁塔风振系数

2.1风振系数

风振系数反映脉动风对结构动力作用大小，与结构的自振特性有关。《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2012）（下文简称《杆塔规定》）中规定：当杆塔全高不超过60m时，对全高采用一个系数;当杆塔全高超过60m时，应按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）（下文简称《荷載规范》）采用由下到上逐段增大的数值，对于自立式杆塔，加权平均值不应小于1.6。

2.2杆塔结构的风振系数计算方法

《杆塔规定》中规定：对杆塔本身，当全高不超过60m时，全高采用一个系数;当杆塔全高超过60m时，应按现行国家规范《荷载规范》采用由下到上逐段增大的数值。由于输电铁塔结构截面沿高度并非连续变化，因此计算时，将杆塔划分为n段，那么每一段的风振系数可表示为：

对于迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线变化或接近直线变化，而质量沿高度连续规律变化的高耸结构，计算Bz时应乘以修正系数Qb和Qv。Qb可按下式计算：

那么，全塔的风振系数可表示为《杆塔规定》中并未对全高大于60m的塔风振系数做出明确规定，需参照《荷载规范》中的相关规定。因此，有必要对杆塔结构的风振系数进行专门分析，结合理论分析和有限的模拟，得到适合于架空铁塔的计算方法。

2.3自振周期的有限元分析

取某一直线塔，采用ANSYS进行模态分析，得到铁塔的前三阶模态的自振频率和自振周期。

采用《荷载规范》附录F.1.1的计算方法，计算第一阶振型的自振周期的公式如下：

H—塔的全高，对于杆塔结构可取上限，即系数取0.013。

由上表可知，采用《荷载规范》计算的自振周期比通过有限元分析的自振周期大。

3、算例分析

以某直线塔为例，全高60m，根开12m，塔头宽度2.4m，塔高与根开之比为5（满足高宽比4～6的要求）。按B类地形粗糙度考虑，按《杆塔规定》中要求：风振系数取1.6。以下按《荷载规范》中的规定进行计算：

取基本风压，地面粗糙度修正系数，结构阻尼比，计算处的风振系数：则脉动风荷载的共振分量因子为根据《荷载规范》中的规定，计算水平系数和竖直系数分别为：

30m米处的第一阶振型系数为按B类地形，系数和分别取0.91和0.218，30m处风压高度系数为1.39，则脉动风荷载的背景分量因子为：

所以，30m米处的风振系数为：由于杆塔质量近似沿高度连续变化，考虑修正系数Qb和Qv后，得到30米处风振系数的修正值为1.55。其它高度处的风振系数如下表：

由上表的计算结果可知，《杆塔规定》与《荷载规范》风振系数的计算结果差异较大。除塔高60m时两者取值较为接近，当塔高30m-50m时，《荷载规范》取值增大3.5%-15.7%.

4、结论

4.1 风振系数与结构的自振特性有关，通过有限元分析得到的自振周期比《荷载规范》计算值小，规范值更接近风的脉动周期，故按规范取值结构更合理。

4.2 在塔高60m以下的输电铁塔设计中，建议按《荷载规范》计算风振系数。

参  考  文  献

[1] GB50009-2012 建筑结构荷载规范[S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2012.

[2] DL/T5154-2012 架空送电线路杆塔结构技术规定[S].北京：中国计划出版社，2012.

[3] 张相庭. 结构风压和风振计算[M]. 上海：同济大学出版社，1985.

[4] 王力争. 输电铁塔顺风向风振系数计算方法的对比分析[J]. 电力建设，1996.