[发明专利]基于单自由度模型的单柱拉线塔扭振频率估算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种拉线塔扭振频率的估算方法，属于拉线塔技术领域，尤其是一种利用单自由度扭振模型对特高压单柱拉线塔中扭振频率进行估算的方法。

背景技术

发展特高压输电可满足大规模、跨区域、远距离传输电力的需求。特高压拉线塔具有结构简单、受力性能好、经济指标优越、施工方便等优势，具有良好的应用前景，我国特高压线路宜采用拉线塔。单柱拉线塔相比双柱悬索拉线塔、门型拉线塔等其它直流特高压拉线塔塔型，具有占地面积相对较小、结构简单、受力清晰等优点。单柱拉线塔是适合直流特高压输电的塔型。

某特高压工程推荐使用的单柱拉线塔的结构如图1所示，该单柱拉线塔由塔头、主柱和拉线三部分组成。塔头和主柱需要靠拉线的张力作用保持直立，拉线由于弧垂的存在具有大变形特性，因此在风荷载等横向荷载作用下，主柱会产生较大的绕主柱底端铰接点的转动；对于特高压单柱拉线塔来说其荷载增大、横担尺寸增大、高度增加，在横向荷载作用下主柱也会有较大的变形。因此，特高压单柱拉线塔的整体和主柱均具有高柔性，对动荷载的作用也更加敏感，其动力特性值得关注。目前针对单柱拉线塔的动力特性研究，主要是单柱拉线塔在各种风荷载下的动力响应，单柱拉线塔自振特性及机理的研究未见相关报道。

本课题组对单柱拉线塔的静力特性进行研究的基础上，针对其动力特性进行了一系列研究：建立了特高压拉线塔的有限元模型，通过模态分析，分析了特高压单柱拉线塔的固有频率和振型等动力特性；搭建了单柱拉线塔试验模型，并基于环境激励对其进行了模态分析；采用线性滤波法模拟塔线体系风荷载时程，采用Newmark法对单柱拉线塔塔线体系的风振响应进行计算，分析了单柱拉线塔风振响应的时程规律。

上述研究结果表明：特高压单柱拉线塔的第一阶振型与自立式输电塔有着显著不同。自立式输电塔的第一阶振型一般多为弯曲振动，但单柱拉线塔由于拉线的支撑刚度较小，且塔头的转动惯量较大，其第一阶振型为扭转振动；特高压单柱拉线塔的扭振频率较低且位于风功率谱值较大的频段，在垂直于线路方向的90°大风作用下，主柱发生了明显的绕轴线的扭转振动。因此，相比于自立式输电塔，扭转振动特性是特高压单柱拉线塔典型的动力学特性之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于单自由度模型的单柱拉线塔扭振频率估算方法，该方法采用单自由度扭振模型计算得到特高压单柱拉线塔的扭振频率，计算结果满足工程要求，计算过程简单，精度高，可用于特高压单柱拉线塔扭振频率的估算。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：基于单自由度模型的单柱拉线塔扭振频率估算方法，所述的单柱拉线塔包括主柱和横担，所述的主柱的中上部设有与地面连接的八组拉线，八组拉线组成拉线系统，主柱的底端与基础平面之间通过球形结构铰接；其特征在于：特高压单柱拉线塔主柱的抗扭刚度远大于其拉线系统的抗扭刚度，忽略主柱的扭转变形，利用单自由度模型来计算拉线塔的扭振频率，具体步骤如下：

(1)计算拉线系统的扭转刚度k_g

其中：T为拉线系统所产生的扭矩，θ为主柱发生的扭转角；

(2)拉线塔整体的转动惯量J

J＝J_m+J_g(2)

其中：J_m为拉线塔主柱及塔头的转动惯量，J_g为拉线系统的转动惯量；

式中n为拉线塔角钢的总数目，M_i为第i根角钢的质量，l_i为第i根角钢的长度，为第i根角钢与主柱中心轴心的夹角，d_i为第i根角钢中点到主柱中心轴心的距离；

l_s为拉线挂点到主柱中心线的距离，m为单根拉线的质量；

(3)计算拉线塔的扭振频率ω

由机械系统动力学可知，忽略系统的阻尼，则拉线塔的扭振频率可表示为

式中k_g为拉线系统的抗扭刚度，J为拉线塔整体的转动惯量。

所述的步骤1中，八组拉线的扭转刚度为

式中，l₀为拉线的弦向长度，l_a为拉线锚地点到主柱中心线的距离，E_eq为弦向变形的等效切线弹性模量，A为拉线的截面积，b为主柱的宽度；

其中，弦向变形的等效切线弹性模量E_eq表达为：