【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及輸電線路鐵塔，特別涉及一種輸電線路鋼管塔的微風振動分析方法。
技術介紹
1、傳統的輸電塔多為格構式角鋼塔，但隨著輸送容量和電氣性能要求的提高，具有承受荷載大、結構風荷載小、造型輕盈美觀、超載能力強、綜合造價低等優勢的鋼管塔逐漸取代角鋼塔，更好地增強極端賦存環境下的輸電塔抗災能力。在技術和經濟上具有雙重優勢的特高壓鋼管塔備受關注，符合電氣發展的圓截面高鋼管塔近年得到廣泛應用。
2、然而，呈現圓柱形型式的鋼管塔構件在微風場中更易微風振動，近年頻繁出現的渦激振動問題凸顯，也制約了鋼管塔的廣泛應用。鋼管塔構件在自然風作用于桿件表面時產生振動時，一旦風振頻率與桿件固有頻率一致則導致渦激共振。實際鋼管輸電塔的運維過程中，由于高鋼管塔結構形式的改變，其某些特定部位出現微風振動，如塔腿正面、v面斜材、塔腿隔面水平橫材、隔面以上塔身斜材等易振動。且實際鋼管塔的節點板焊縫存在殘余應力，當桿件長期處于持續的渦激振動過程時，若鋼管長細比過大且安裝存在誤差，節點處極易出現初始裂縫，最終導致節點板的疲勞破壞，進而影響整塔的安全性。
3、在實際賦存環境中，微風頻繁，鋼管塔微風振動響應不容忽視：水平或接近水平構件的高頻振動對維護作業人員帶來身體不適；斜材和橫材的渦激振動則誘導線路故障，嚴重時將影響整條線路的運行安全，造成不可估量的經濟損失和人員傷亡。目前仍缺乏鋼管塔渦激振動理論和試驗研究的支撐，國內規范對渦激振動問題的規定較為模糊，如《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》要求鋼管塔設計時要保證桿件的一階起振風速不能低于15m
技術實現思路
1、本專利技術的目的就是提供一種輸電線路鋼管塔的微風振動分析方法。用于解決現有輸電線路鋼管塔在微風環境中渦激振動導致鋼管塔疲勞破壞影響其使用壽命的技術問題。
2、一種輸電線路鋼管塔的微風振動分析方法，具體步驟為：
3、s1獲取輸電線路鋼管塔的運行監測數據，以及鋼管塔所在區域的歷史風速氣象資料，以及采集鋼管塔的特征參數，并計算桿塔的質量；
4、s2對可能影響桿塔振幅的若干不同參數進行敏感性分析，明確導致鋼管塔構件的渦激振動響應的主要參數；
5、s3以精細化三維有限元模型模擬典型鋼管輸電塔構件模型，分析構件自振頻率、振型曲線、臨界風速及最大振幅，研究含兩根支撐桿及包含輸電塔r段b腿全部桿件模型的一階、二階振型、起振風速及渦激共振最大振幅；
6、s4建立單一鋼管、相鄰鋼管的渦激振動模型，基于嵌套網格技術實現微風振動過程中的動網格效應，開發渦激振動過程中的流固耦合計算udf程序，嵌入到fluent軟件中再現復雜工況的渦激振動響應過程。
7、可選的，步驟s1中所述輸電線路鋼管塔的運行監測數據包括鋼管塔在微風振動過程中的破壞特征參數，以及結合現場賦存環境分析鋼管構件破壞原因參數；
8、所述鋼管塔所在區域的歷史風速氣象資料包括歷史每小時的風速以及風向，并根據現場報告的風力等級以及國標標準設定風速范圍，并根據風速范圍選定若干風速參數。
9、可選的，步驟s1中鋼管塔的特征參數包括桿塔的長度尺寸、直徑尺寸、壁厚尺寸、桿塔材料、材料密度、質量比和阻尼比。
10、可選的，步驟s2中通過分析法獲得導致鋼管塔構件的渦激振動響應的主要參數為風速、風向和湍流度。
11、可選的，步驟s3中精細化三維有限元模型，包括與實際構件幾何參數一致的結構模型，表征桿件節點約束的各類連接型式。
12、可選的，步驟s3中計算件自振頻率、臨界風速及最大振幅的具體步驟為：
13、s3.1鋼管構件振動的各階固有頻率為：
14、
15、鋼管構件的振型函數為：
16、φ(x)＝acoshβx+bsinhβx+ccosβx+dsinβx
17、式中，待定常量a、b、c、d由梁兩端的邊界條件確定，鋼管構件的自由振動響應為各階振型響應的疊加，則：
18、
19、s3.2通過桿塔頻率和圓形截面的斯托哈爾數計算桿塔的起振風速：
20、
21、式中，ucr為渦振起振風速，st為斯托哈爾數，f0為桿塔頻率，d為圓形截面。
22、s3.3根據結構動力學將結構質量和振動頻率可得最大振幅表達式：
23、
24、式中，μmax為動力放大系數最大值，m為單位長度的結構質量，ξ為結構阻尼比，ωn為結構自振圓頻率，ωs為漩渦脫落頻率，φ為初始相位，d為桿件特征尺寸，對圓桿取截面直徑，ρa為空氣密度，u為來流風速，cl為結構動態升力系數幅值。
25、可選的，步驟s4中開發渦激振動過程中的流固耦合計算udf程序的具體步驟為：
26、s4.1嵌套網格建立：基于workbench平臺的嵌套網格，可在非結構網格類型中嵌套局部高質量的結構化網格，克服了動網格容易出現負體積的問題，運動過程中保持好的網格質量。根據風振區域，建立背景網格、鋼管網格，確定風振影響的區域，鋼管外形成部件網格，導入到fluent軟件中形成網格模型，并在超限邊界條件模塊中設置嵌套邊界；
27、s4.2開發渦激振動程序udf，并結合龍格庫塔法得到不同時刻對應的速度及位移：結合fluent軟件的用戶自定義函數udf的功能編寫程序，通過udf導入fluent軟件中，由此控制流場中鋼管塔桿件的運動，從而實現流固耦合。
28、可選的，步驟s4中嵌入到fluent軟件中再現復雜工況的渦激振動響應過程的具體步驟為：
29、s4.3根據現場報告的風力等級以及國標標準設定風速范圍，并根據風速范圍選定若干風速參數；結合微風場及鋼管特征參數，計算鋼管渦激振動響應于上述主控因素的關聯性；
30、建立位移時程曲線、升力時程曲線、阻力時程曲線、升力系數時程曲線、阻力系數時程曲線，并基于快速傅里葉fft變換獲得最大渦激振動特征值對應的頻率；
31、微風場及鋼管特征參數包含風速、湍流度、質量比、阻尼比、質量阻尼比sg和風向角組合工況；
32、s4.4建立相鄰鋼管渦激振動模型，分析風場環境中相鄰鋼管的渦激振動干擾效應，為抑振方案優化提供建議。
33、可選的，步驟s4.2中渦激振動計算的具體步驟為：
34、s4.2.1整個計算以鋼管塔桿件靜止于平衡位置為起點，確定首次迭代的初始條件；
35、s4.2.2以上一個時間步所得的鋼管塔桿件橫風向位移、速度及風場對桿件的升力作為當前時間步求解的初始條件；
36、s4.2.3利用初始條件，通過四階龍格-庫塔法式求解鋼管塔桿件的運動方程，得到當前時間步上鋼管塔桿件的位移和速度；
37、s4.2.4將所求的鋼管塔桿件運動速度通過udf本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種輸電線路鋼管塔的微風振動分析方法，其特征在于，具體步驟為：
2.根據權利要求1所述的一種輸電線路鋼管塔的微風振動分析方法，其特征在于，步驟S1中所述輸電線路鋼管塔的運行監測數據包括鋼管塔在微風振動過程中的破壞特征參數，以及結合現場賦存環境分析鋼管構件破壞原因參數；
3.根據權利要求1所述的一種輸電線路鋼管塔的微風振動分析方法，其特征在于，步驟S1中鋼管塔的特征參數包括桿塔的長度尺寸、直徑尺寸、壁厚尺寸、桿塔材料、材料密度、質量比和阻尼比。
4.根據權利要求2所述的一種輸電線路鋼管塔的微風振動分析方法，其特征在于，步驟S2中通過分析法獲得導致鋼管塔構件的渦激振動響應的主要參數為風速、風向和湍流度。
5.根據權利要求1所述的一種輸電線路鋼管塔的微風振動分析方法，其特征在于，步驟S3中精細化三維有限元模型，包括與實際構件幾何參數一致的結構模型，表征桿件節點約束的各類連接型式。
6.根據權利要求1所述的一種輸電線路鋼管塔的微風振動分析方法，其特征在于，步驟S3中計算件自振頻率、臨界風速及最大振幅的具體步驟為：
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