專利名稱：一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，
特別是一種用于測(cè)定輸電鋼管塔的風(fēng)致振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)而準(zhǔn)確獲得輸電鋼管塔的風(fēng)荷載參數(shù) 的大跨越輸電鋼管塔氣動(dòng)彈性模型。
背景技術(shù)：
在電力輸電線路工程中，跨越江河、山谷等自然屏障的線路，往往要采用高甕跨越 鋼管塔來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以大跨越輸電鋼管塔往往處于極其重要的地位。 大跨越輸電鋼管塔是一種風(fēng)敏感的柔性結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是輸電鋼管塔設(shè)計(jì)的主要控 制荷載，輸電鋼管塔風(fēng)荷載的一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)是風(fēng)振系數(shù)。目前我國(guó)規(guī)范只給出高層和高聳 結(jié)構(gòu)相應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算公式，在使用上較為簡(jiǎn)便粗略，這就使得設(shè)計(jì)人員在輸電高塔風(fēng) 振系數(shù)的取值上往往存在相當(dāng)大的經(jīng)驗(yàn)性和盲目性。為了保證結(jié)構(gòu)的安全，設(shè)計(jì)時(shí)往往將 風(fēng)振系數(shù)的取值選取得較大，這就導(dǎo)致了大跨越輸電鋼管塔的重量增大，造成成本的增加 和不必要的浪費(fèi)。由于風(fēng)荷載的隨機(jī)性，以及風(fēng)流經(jīng)高聳鈍體時(shí)產(chǎn)生復(fù)雜的氣流分離等因 素，超高輸電鐵塔的風(fēng)效應(yīng)十分復(fù)雜，涉及到氣動(dòng)彈性穩(wěn)定和氣動(dòng)彈性動(dòng)力響應(yīng)兩個(gè)問題， 此外對(duì)于圓形截面的鋼管而言，卡門渦流的作用可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)的渦激共振。因此此類結(jié) 構(gòu)無(wú)法在理論上完整地解決上述的問題，往往通過風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)穩(wěn)定性，并 測(cè)定在模擬風(fēng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)和氣動(dòng)參數(shù)。進(jìn)行氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)，其模型的設(shè)計(jì) 與制作是否正確直接關(guān)系到試驗(yàn)的成敗。為表述方便，氣動(dòng)彈性模型可簡(jiǎn)稱為氣彈模型。 目前，氣彈模型設(shè)計(jì)目前存在的主要技術(shù)問題是1、如何保持模型與原型在質(zhì)量 分布、剛度分布上的相似；2、如何使氣彈模型各桿件既做到剛度相似又做到幾何相似；3、 如何將各層次桿件、節(jié)點(diǎn)板、爬梯及傳感器的質(zhì)量合理分配到各個(gè)節(jié)點(diǎn)；4、節(jié)點(diǎn)板和中間爬 梯的受風(fēng)面如何按幾何相似關(guān)系集中到塔架各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬；5、如何對(duì)輸電線的模擬作簡(jiǎn) 化，使得輸電線的模擬盡量與與塔架的相似系數(shù)一致。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)上述存在的問題，提供一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，該 氣彈模型各部位的幾何相似與剛度相似相統(tǒng)一，同時(shí)做到輸電塔剛度、幾何、質(zhì)量、阻尼、頻 率等一系列參數(shù)的相似，能真實(shí)地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)性態(tài)，為大跨越輸電工程的安全提 供可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)，并可以兼作測(cè)力和測(cè)振兩種試驗(yàn)。 本實(shí)用新型通過下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，包 括與實(shí)際原型等比例縮小的塔頭、塔身和塔底，所述的塔身由塔柱、縱向斜撐、塔底斜撐、水 平斜撐和橫隔構(gòu)成，其特征在于，所述的塔柱、縱向斜撐和塔底斜撐采用拉壓剛度EA和受 風(fēng)面積均與原型等比例縮小的桿件一，水平斜撐和橫隔采用受風(fēng)面積與原型等比例縮小的 桿件二，在塔身內(nèi)設(shè)有為平衡質(zhì)量分布的配重塊。 本大跨越輸電鋼管氣彈模型是對(duì)大跨越輸電鋼管塔的原型進(jìn)行模擬，使氣彈模型的幾何形狀、質(zhì)量分布、剛度分布與原型相似，真實(shí)的模擬原型的氣動(dòng)性態(tài)。 在上述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型中，所述的桿件一包括芯棒和包覆
在芯棒外的泡沫紙，在泡沫紙外再包有透明膠帶紙。 在上述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型中，所述的塔柱的芯棒采用薄壁銅 管；所述的縱向斜撐、塔底斜撐的芯棒采用第一不銹鋼毛細(xì)管。 在上述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型中，所述的桿件二包括第二不銹鋼 毛細(xì)管和包覆在第二不銹鋼毛細(xì)管外的泡沫紙，在泡沫紙外再包有透明膠帶紙，桿件二的 截面與原型的水平斜撐和橫隔的截面形狀相似。 在上述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型中，所述的塔頭由桿件三焊接而 成，與原型塔頭具有相同的密度比。慣性參數(shù)Ps/Pf(密度比)相似客觀上要求模型的密 度與原型的密度一致。 在上述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型中，所述的桿件三包括第三不銹鋼
毛細(xì)管和包覆在第三不銹鋼毛細(xì)管外的泡沫紙，在泡沫紙外再包有透明膠帶紙。 在氣彈模型材料選擇上首先控制截面積的相似性，而并不要求壁厚和外徑同時(shí)滿
足。這樣可以選擇一些外徑較小而壁厚在0. 20左右的薄壁銅管和壁厚在0. 15左右的不銹
鋼毛細(xì)管作為模型桿件以擬合各桿件的拉壓剛度，為了保證受風(fēng)面積的相似要求，模型桿
件外徑不足部分首先采用無(wú)剛度的泡沫紙外包再用膠帶紙封裹。 在上述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型中，所述的塔身各節(jié)點(diǎn)分別包覆有
銅皮。原型中的節(jié)點(diǎn)板和中間爬梯對(duì)塔身的剛度沒有貢獻(xiàn)，但其質(zhì)量對(duì)塔身的質(zhì)量分布影
響很大，而且其受風(fēng)面直接影響到塔身受到的風(fēng)荷載大小。因此節(jié)點(diǎn)板和中間爬梯的質(zhì)量
在配重時(shí)給予考慮，其受風(fēng)面按幾何相似關(guān)系集中到塔架各節(jié)點(diǎn)用銅皮進(jìn)行模擬。 在上述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型中，所述的塔身由若干空間衍架
體，每層空間衍架體包括塔柱、縱向斜撐、塔底斜撐、水平斜撐和橫隔，在每層空間衍架體上
均設(shè)有配重塊。 在上述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型中，所述的塔底包括固定鋼板，在
固定鋼板上設(shè)有塔底塔柱和塔底斜撐，所述的塔底塔柱通過螺栓固定在固定鋼板上。 在上述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型中，所述的塔頭上設(shè)有質(zhì)量和受風(fēng)
面積均與原型等比例縮小的模擬輸電線，所述的模擬輸電線包括柔性的塑料管和設(shè)置在塑
料管內(nèi)的焊錫絲。輸電線的自振頻率主要由線的垂度控制，通過調(diào)整輸電線的垂度，使其頻
率比與塔架的頻率相似系數(shù)一致。在模擬單塔時(shí)，對(duì)于重力的作用予以忽略，但輸電線的重
力作用對(duì)其動(dòng)力特性有較大影響，因而在輸電線模型制作時(shí)應(yīng)滿足弗勞德數(shù)。考慮到我們
的研究對(duì)象是塔架而不是輸電線本身，而模擬輸電線的目的是為了獲得導(dǎo)線傳遞給塔架的
風(fēng)力和導(dǎo)線對(duì)塔架風(fēng)振的影響?；谶@一目的，對(duì)輸電線的模擬作了簡(jiǎn)化，即忽略了幾何相
似性，而迎風(fēng)面積、質(zhì)量嚴(yán)格滿足相似要求，做到與塔架的相似系數(shù)一致。最后選擇了柔性
的塑料管與焊錫絲兩種材料來(lái)模擬輸電線。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型具有以下的優(yōu)點(diǎn)用"等代離 散剛度法"設(shè)計(jì)制作輸電塔的氣動(dòng)彈性模型，將模型各部位的幾何相似與剛度相似相統(tǒng)一， 同時(shí)做到了輸電塔剛度、幾何、質(zhì)量、阻尼、頻率等一系列參數(shù)的相似，真實(shí)地模擬了實(shí)際輸 電高塔的氣動(dòng)特性，并可兼作測(cè)力和測(cè)振兩種試驗(yàn)。利用氣彈模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的成果給
4設(shè)計(jì)提供了可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)，準(zhǔn)確得到了該輸電高塔的風(fēng)荷載特性，合理降低了風(fēng)振系數(shù) 的取值，節(jié)省了項(xiàng)目投資，在一定程度上體現(xiàn)出較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)橫隔桿件、水平斜 撐以及塔頭桿件則直接按滿足幾何外形要求選取，不考慮其剛度的模擬，這樣既減少了模 型制作工序，又保證了模型制作質(zhì)量。

圖1是本新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型中一段塔身的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型中桿件一截面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是本新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型中模擬輸電線的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，塔頭1 ;塔身2 ;空間衍架體21 ;塔柱22 ;縱向斜撐23 ;塔底斜撐24 ;水平斜
撐25 ;橫隔26 ;塔底3 ;固定鋼板31 ;芯棒4 ;泡沫紙5 ;透明膠帶紙6 ;配重塊7 ;銅皮8 ;模
擬輸電線9 ;塑料管91 ;焊錫絲92 ;螺栓93。
具體實(shí)施方式以下是本實(shí)用新型的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步 的描述，但本實(shí)用新型并不限于這些實(shí)施例。 如圖1所示，本新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，包括與實(shí)際原型等比例縮小的 塔頭1、塔身2和塔底3。 結(jié)合圖1，如圖2所示，塔身2包括塔柱22、縱向斜撐23、塔底斜撐24、水平斜撐25 和橫隔26，由這些桿件構(gòu)成若干空間衍架體21而形成塔身2，塔底斜撐24以及每層空間衍 架體21中的塔柱22和縱向斜撐23采用拉壓剛度EA和受風(fēng)面積均與原型等比例縮小的桿 件一，如圖3所示，桿件一包括芯棒4和包覆在芯棒4外的泡沫紙5，在泡沫紙5外再包有 透明膠帶紙6 ;塔柱22的芯棒4采用薄壁銅管，縱向斜撐23的芯棒4采用第一不銹鋼毛細(xì) 管。水平斜撐25和橫隔26采用受風(fēng)面積與原型等比例縮小的桿件二，桿件二包括第二不 銹鋼毛細(xì)管和包覆在第二不銹鋼毛細(xì)管外的泡沫紙5，在泡沫紙5外再包有透明膠帶紙6， 桿件二的截面與原型的水平斜撐25和橫隔26的截面形狀相似。在每層空間衍架體21上 均設(shè)有為平衡質(zhì)量分布配重塊7，配重塊7架設(shè)在每層空間衍架體21的兩根相交橫隔26靠 近塔身2節(jié)點(diǎn)處，在塔身2各節(jié)點(diǎn)分別包覆有銅皮8。 氣彈模型剛度的模擬只要做到拉壓剛度EA相似。輸電塔主要研究的是其水平向 振動(dòng)，因而只要做到氣彈模型的側(cè)向剛度和原型相似，則風(fēng)振特性不會(huì)改變。對(duì)所有桿件進(jìn) 行軸向內(nèi)力試驗(yàn)，得出塔柱22各桿件、縱向斜撐23以及塔底斜撐24需要進(jìn)行精確模擬，在 本模型中這些桿件采用桿件一 4來(lái)模擬；而其余橫隔26桿件、水平斜撐25以及塔頭1其余 桿件的內(nèi)力幾乎為零。因此對(duì)橫隔26桿件、水平斜撐25以及塔頭1桿件則直接按滿足幾 何外形要求選取，不考慮其剛度的模擬，這樣既減少了模型制作工序，又保證了模型制作質(zhì) 塔頭1由桿件三焊接而成，與原型塔頭1具有相同的密度比。桿件三包括第三不 銹鋼毛細(xì)管和包覆在第三不銹鋼毛細(xì)管外的泡沫紙5，在泡沫紙5外再包有透明膠帶紙6。 如圖1所示，塔頭1上設(shè)有質(zhì)量和受風(fēng)面積均與原型等比例縮小的模擬輸電線9，模擬輸電
5線9包括柔性的塑料管91和設(shè)置在塑料管91內(nèi)的焊錫絲92，如圖4所示。該模型的塔頭 1由于桿件多而截面小，在滿足幾何相似條件后，但仍有部分桿件截面比期望值大，再加上 傳感器，最后塔頭1可能會(huì)超重，為保持整個(gè)模型質(zhì)量分布的一致性，在塔身2上設(shè)有配重 塊7，這樣模型密度大于原型密度，這一密度的不相似將通過修正風(fēng)速比加以彌補(bǔ)。 塔底3包括固定鋼板31，在固定鋼板31上設(shè)有塔底塔柱22和塔底斜撐24，塔底 塔柱22通過螺栓93固定在固定鋼板31上。 在模型設(shè)計(jì)前，先根據(jù)Buckingham' s Ji定理，通過量綱分析或直接從質(zhì)量、動(dòng)量 和能量守恒方程，以及流體的狀態(tài)方程，推導(dǎo)出進(jìn)行氣彈模型的風(fēng)洞試驗(yàn)所要滿足的相似 準(zhǔn)則。除了與該相似準(zhǔn)則有關(guān)的參數(shù)外，還要確定其它的一些無(wú)量綱參數(shù)，以滿足原型和氣 彈模型參數(shù)的一致性。從相似準(zhǔn)則和無(wú)量綱參數(shù)中選取等比例縮小的參數(shù)，使氣彈模型的 幾何形狀根據(jù)原型的幾何形狀等比例縮小。從相似準(zhǔn)則和無(wú)量綱參數(shù)中確定主要參數(shù)，次 要參數(shù)通過修正的方式加以考慮。將該模型放置在風(fēng)洞空間中進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)定 理和準(zhǔn)則以及對(duì)數(shù)據(jù)的處理，最終確定較為精確的風(fēng)振系數(shù)的取值，保證輸電鋼管塔的安 全、可靠和經(jīng)濟(jì)。
權(quán)利要求一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，包括與實(shí)際原型等比例縮小的塔頭(1)、塔身(2)和塔底(3)，所述的塔身(2)由塔柱(22)、縱向斜撐(23)、塔底(3)斜撐(24)、水平斜撐(25)和橫隔(26)構(gòu)成，其特征在于，所述的塔柱(22)、縱向斜撐(23)和塔底(3)斜撐(24)采用拉壓剛度EA和受風(fēng)面積均與原型等比例縮小的桿件一，水平斜撐(25)和橫隔(26)采用受風(fēng)面積與原型等比例縮小的桿件二，在塔身(2)內(nèi)設(shè)有為平衡質(zhì)量分布的配重塊(7)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，其特征在于，所述的 桿件一包括芯棒(4)和包覆在芯棒(4)外的泡沫紙(5)，在泡沫紙(5)外再包有透明膠帶紙 (6)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，其特征在于，所述的 塔柱(22)的芯棒(4)采用薄壁銅管；所述的縱向斜撐(23)、塔底(3)斜撐(24)的芯棒(4) 采用第一不銹鋼毛細(xì)管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，其特征在于， 所述的桿件二包括第二不銹鋼毛細(xì)管和包覆在第二不銹鋼毛細(xì)管外的泡沫紙(5)，在泡沫 紙(5)外再包有透明膠帶紙(6)，桿件二的截面與原型的水平斜撐(25)和橫隔(26)的截面 形狀相似。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，其特征在于，所述的 塔頭(1)由桿件三焊接而成，與原型塔頭(1)具有相同的密度比。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，其特征在于，所述的 桿件三包括第三不銹鋼毛細(xì)管和包覆在第三不銹鋼毛細(xì)管外的泡沫紙(5)，在泡沫紙(5) 外再包有透明膠帶紙(6)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，其特征在于，所述的 塔身(2)各節(jié)點(diǎn)分別包覆有銅皮(8)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，其特征在于，所述的 塔身(2)由若干空間衍架體(21)，每層空間衍架體(21)包括塔柱(22)、縱向斜撐(23)、塔 底(3)斜撐(24)、水平斜撐(25)和橫隔(26)，在每層空間衍架體(21)上均設(shè)有配重塊(7)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，其特征在于，所述的 塔底(3)包括固定鋼板(31)，在固定鋼板(31)上設(shè)有塔底(3)塔柱(22)和塔底(3)斜撐 (24)，所述的塔底(3)塔柱(22)通過螺栓(93)固定在固定鋼板(31)上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，其特征在 于，所述的塔頭(1)上設(shè)有質(zhì)量和受風(fēng)面積均與原型等比例縮小的模擬輸電線(9)，所述的 模擬輸電線(9)包括柔性的塑料管(91)和設(shè)置在塑料管(91)內(nèi)的焊錫絲(92)。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，屬于輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。它解決現(xiàn)有的氣彈模型無(wú)法精確模擬原型的問題。本實(shí)用新型大跨越輸電鋼管塔氣彈模型，包括與實(shí)際原型等比例縮小的塔頭、塔身和塔底，塔身由塔柱、縱向斜撐、塔底斜撐、水平斜撐和橫隔構(gòu)成，塔柱、縱向斜撐和塔底斜撐采用拉壓剛度EA和受風(fēng)面積均與原型等比例縮小的桿件一，水平斜撐和橫隔采用受風(fēng)面積與原型等比例縮小的桿件二，在塔身內(nèi)設(shè)有為平衡質(zhì)量分布的配重塊。本氣彈模型各部位的幾何相似與剛度相似相統(tǒng)一，同時(shí)做到了輸電塔剛度、幾何、質(zhì)量、阻尼、頻率等一系列參數(shù)的相似，真實(shí)地模擬了實(shí)際輸電高塔的氣動(dòng)特性；能夠準(zhǔn)確得到了該輸電高塔的風(fēng)荷載特性。
文檔編號(hào)G01M9/08GK201527334SQ20092019937
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2009年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月29日
發(fā)明者傅劍鳴, 葉尹, 孫永軍, 孫炳楠, 楊建明, 毛建偉, 潘峰, 程光明, 鄭海, 郭云鵬, 黃田青 申請(qǐng)人:浙江省電力公司超高壓建設(shè)分公司;浙江省電力設(shè)計(jì)院