[发明专利]一种钢管杆件涡振力的计算方法及系统

说明书

本发明公开了一种钢管杆件涡振力的计算方法及系统，包括：基于为被测钢管杆件构建的空间有限元分析模型进行模态分析确定所述被测钢管杆件的自振频率和振型函数；基于所述被测钢管杆件的自振频率和所述被测钢管杆件的外径确定所述被测钢管杆件的升力系数；根据所述被测钢管杆件的振型函数和所述升力系数按照随机振动理论得到所述被测钢管杆件的涡振力。本发明与传统的钢管杆件涡振力计算方法相比，有效解决了未考虑钢管杆件实际端部约束、雷诺数对钢管升力系数影响的问题，提高了涡振力计算的精度，适用范围更广。

技术领域

本发明涉及输变电工程钢管领域，具体涉及一种钢管杆件涡振力的计算方法及系统。

背景技术

输电线路钢管塔和变电站钢管避雷针等钢管结构被广泛应用于输变电工程中，此类钢管结构主要基于顺风向等效静力风荷载理论对其进行设计和验算，现行设计规范中缺少对横风向涡振的考虑，导致输变电工程钢管结构抗风能力不足，长时间、大幅度涡激振动会导致钢管杆件连接部位发生疲劳断裂破坏。钢管杆件横向涡振力计算方法是准确计算输变电工程钢管结构横向风荷载并进行结构疲劳寿命评估及设计的关键，对于保障持续稳定风区电网安全运行具有重要意义。

钢管塔或钢管避雷针的涡激风振，是其部分圆截面杆件在较低风速时发生的由卡门涡街引发的横向振动。漩涡脱落产生的脱落风力，会使柱体产生横向振动。当漩涡脱落主导频率与柱体的某阶频率比较接近时，发生涡激共振。涡激振动具有频率锁定的特性，增加了共振发生的几率。易发生涡激风振的钢管杆件长细比较大，一般可视为柔性简支梁或悬臂梁来研究其微风共振。钢管杆件起振临界风速、升力系数和振型函数是其涡振力计算的三个关键参数，现有钢管杆件涡振力计算方法中关于三个参数的取值或规定还存在不足或改善空间。

(1)钢管杆件涡振临界起振风速按照简化模型采用半理论、半经验方法取值，在西北等持续稳定风区未能完全控制涡激振动灾害的发生。为了避免或减弱涡激振动，DL/T5154-2002《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》要求钢管结构设计时应根据等直径钢管起振临界风速V_cr曲线(第一振型)，控制杆件的一阶临界起振风速V_cr不小于15m/s；综合工程安全性和经济性，DL/T 5254-2010《架空输电线路钢管塔设计技术规定》将起振临界风速由15m/s降低为8m/s，这样做有利于节约资源、减轻塔重、保护环境，但增大了某些杆件的共振几率，有可能会直接造成杆件或连接节点破坏。

(2)钢管杆件升力系数C_L与雷诺数R_e有关，亚临界区域内升力系数随雷诺数的增大而呈非线性减小趋势，取值范围大致在0.2～0.6之间，而现有涡振力计算方法中升力系数C_L取固定值0.25，杆件涡振力与升力系数成正比，亚临界区域钢管杆件的涡振力很可能被低估，从而增大了钢管杆件发生涡激疲劳破坏的概率。

(3)钢管输电塔中长细比较大的斜材或辅助材钢管杆件一般采用插接方式与主材连接，其连接型式为半刚性连接，而现有涡振力计算方法中均简化为两端铰接来计算自振频率和振型函数，涡振力计算值与实际情况存在一定差异，这一差异在以往设计实践中均没有考虑。非独立式钢管避雷针架立于人字形桁架之上，其端部连接介于刚接和铰接之间，按照端部刚接的悬臂梁计算自振频率和振型不能准确反映实际情况。

综上，钢管杆件起振临界风速、升力系数和振型函数是其涡振力计算的三个关键参数，现有钢管杆件涡振力计算方法中关于三个参数的取值或规定还存在不足或改善空间。因此，发明人提出一种有效考虑上述三个因素影响的钢管杆件涡振力计算方法和系统，为更为准确的计算钢管杆件涡振力提供参考和依据。

发明内容

本发明针对目前输电塔和避雷针钢管杆件涡振力计算方法中存在的三个问题，提供了一种钢管杆件涡振力的计算方法，包括：

基于为被测钢管杆件构建的空间有限元分析模型进行模态分析确定所述被测钢管杆件的自振频率和振型函数；