变电构架避雷针结构风振响应分析与减振优化研究

摘 要：针对烟台某变电站构架避雷针在风场作用下产生的涡激振动等异常振动问题，该研究通过数值模拟进行避雷针结构的风振响应分析，并探讨相应的减振优化方案。首先，利用现场实测数据获取变电构架避雷针的基本动力特性，并根据目标谱拟合方法模拟脉动风的荷载时程，为后续动力响应分析提供基础。其次，基于这些数据，建立精细化的有限元模型，对结构的动力特性进行分析。针对避雷针结构的特性和调谐质量阻尼器在避雷针结构中的不同安装位置，提出3种不同的减振控制策略。通过在脉动风下进行时程反应分析，检验不同策略下结构的响应，并进行参数化分析。结果显示，基于实测数据的精细化有限元模型能够准确模拟结构的动力特性，随着质量比的增加，调谐质量阻尼器的控制效果逐渐提高，但增长率逐渐减小;在相同质量比下，同时控制避雷针一阶和二阶结构频率的策略比仅控制单一频率更为有效。通过该研究，对于变电构架避雷针的风振响应与减振优化提供全面深入的探讨，并为类似问题的解决提供有益的参考与启示。

关键词：构架避雷针;脉动风;涡激振动;有限元模型;调谐质量阻尼器;优化设计

中图分类号：TM862 文献标志码：A 文章编号：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

在变电站中，避雷针多采用圆截面钢管结构，容易在风场作用下发生涡激振动，导致结构发生异常振动，甚至遭受风致破坏[1]。对于避雷针结构的振动控制，通常采用气动控制措施[2]和附加减振装置[3]。气动措施中常用的方法是增加扰流线，通过在结构表面安装特定形状的凸起，影响流体流动，从而避免或抑制涡激振动的发生。这些扰流线的设计目的是控制涡旋的生成和脱落，从而减少对结构的振动影响。附加减振装置主要分为吸能减振装置和耗能减振装置。其中，吸能减振装置[4]——调谐质量阻尼器由于其简单易用的特点常被用于控制构架避雷针结构的风致振动。因此，本文以烟台某变电站避雷针结构的异常振动为例，开展了构架避雷针风振响应分析，并提出相应的减振优化方法。

1 工程背景

所选构架避雷针结构位于烟台某220 kV变电站，单构架避雷针结构高度为35 m，详细设计参数见表1。场地基本风压为0.55 kN/m2。在2023年2—3月期间，变电站内4根避雷针发生了振动异常。经过重点核查避雷针各部分连接螺栓，并对基础施工情况和设计图纸进行勘察，未发现问题。设计单位分析认为这种现象是由避雷针的涡激振动引起的。因此，本文对现场避雷针结构进行了实测，并进行了脉动风的模拟，然后进行了脉动风下的风振响应分析，最终提出了减振优化措施。

通过对避雷针进行现场实测，得到了避雷针的加速度数据，如图1（a）所示。图1（a）中显示，避雷针的最大加速度达到了800 mm/s2。采用快速傅里叶变换方法处理结构加速度时程，得到加速度功率谱，如图1（b）所示。从图1（b）可以确定避雷针结构的一阶频率为0.80 Hz。

为了进行后续的变电构架避雷针风振响应分析和相应的减振研究，本文通过与目标谱的拟合进行了脉动风的时程模拟，图2和3分别展示了脉动风的模拟谱和荷载时程图。

2 有限元模型及动力特性分析

本研究采用ABAQUS建立了避雷针的有限元分析模型，如图4所示。在模型中，避雷针采用壳单元（S4R）进行建模。图纸质量为2 501.76 kg，ABAQUS模型质量为2 477.67 kg。两者相差0.96%，在误差允许范围内。结构网格尺寸设置为0.01 m。结点和单元数量分别为380 106和379 788。基于所建立的避雷针有限元模型，进行了结构动力特性分析，得到了避雷针的前五阶振动频率，见表2。

3 减振优化研究

本文采用ABAQUS中的Steady-state dynamic方法对调谐质量阻尼器的控制效果进行了分析。施加荷载为幅值是200 N的简谐激励，分析频率范围为0～4 Hz，数据点数为200。图5给出了避雷针的TMD安装示意图和荷载施加位置。表3给出了避雷针的TMD控制策略。

根据经典调谐质量阻尼器的设计参数[5]，得到了给定质量比下TMD的优化参数。表4给出了不同质量比下的设计参数。以TMD质量比为10%为例，图6展示了不同TMD控制策略的减振效果。从图6中可以看出，安装TMD 1只能降低结构的一阶响应，对二阶响应影响较小;安装TMD 2仅能降低结构的二阶响应，对一阶响应没有减振效果;同时安装TMD 1和TMD 2可以有效地降低结构的一阶和二阶响应，相比之下更为有效。表5展示了不同质量比对TMD控制效果的影响。其中，质量比为1%、2%、5%、10%和15%，控制策略选择同时安装TMD 1和TMD 2。由此可见，TMD的控制效果随着质量比的增加而增加，但增长率逐渐降低。综合考虑，TMD的质量比可以优选为10%。

为了进一步验证TMD的控制效果，对脉动风激励下TMD的控制效果进行了研究。图7展示了不同TMD策略的控制效果。从图7可以看出，同时安装TMD 1和TMD 2对于抑制脉动风作用下避雷针的结构响应效果最好，其次是仅安装TMD 1。同时发现，仅安装TMD 2对于抑制脉动风作用下避雷针的结构响应没有效果，这是因为脉动风作用下结构的振动响应主要由结构的一阶模态控制。

4 结论

通过本研究对变电构架避雷针的风振响应进行了深入分析，并提出了一系列调谐减振措施，旨在有效抑制脉动风下避雷针结构的异常振动。以下是本研究的主要结果和结论。

1）本文基于现场实测数据建立的精细化有限元模型能够准确模拟构架避雷针结构的基本动力特性，为后续分析提供了可靠的数值模拟基础。

2）随着质量比的增加，调谐质量阻尼器对避雷针结构的风振响应的控制效果逐渐提高，但增长率逐渐减小。在综合考虑下，调谐质量阻尼器最优的阻尼比为10%。

3）在相同质量比下，调谐质量阻尼器同时控制避雷针一阶和二阶结构频率的策略比仅控制单一频率更为有效，可显著降低结构的振动响应。

4）通过在脉动风激励下的时程反应分析，验证了调谐质量阻尼器的控制效果，进一步证实了其在抑制避雷针结构振动中的有效性。

在选择调谐质量阻尼器减振方案时，除了考虑控制效果外，还应评估其实用性和可行性。例如对于TMD 2摆长较短的情况，建议使用防震锤装置进行替代，以确保方案的可行性和实用性。值得注意的是，本研究为变电构架避雷针的风振响应与减振优化提供了重要参考，但仍有许多方面值得进一步探索。未来的研究可以结合更多实测数据和现场试验，进一步验证减振方案的有效性，并探索更加智能化和精准化的减振技术。

参考文献：

[1] 黄秉权，邹彬.220 kV变电所避雷针倒下事故分析[J].华东电力，1992（8）：30.

[2] 邵波，罗烈，张光平，等.基于CDF的750 kV变电构架单钢管避雷针结构绕流分析[J].特种结构，2019，36（5）：88-96.

[3] 陈涛，摇铖，王衔，等.单钢管避雷针减振设计技术研究[J].建筑结构，2018，48（13）：20-25.

[4] 华坤，彭益成，陈轩，等.独立式避雷针风振响应分析及结构优化[J].建筑结构，2021，51（S1）：1789-1793.

[5] RANA R， SOONG T T， 陈士平.调谐质量阻尼器的参数研究与简化设计[J].世界地震工程，1998（4）：91-107.

第一作者简介：侯永俊（1992-），男，硕士，工程师。研究方向为变电土建工程技术。