朱曉虎，胡 晨，周方圓，王靜峰，胡培芳，劉 用

(1.國(guó)網(wǎng)安徽眾興電力設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 230031； 2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230031；3.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009； 4.先進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，人們對(duì)電力能源的需求量大幅度增長(zhǎng)。為滿足用電需求、完善電網(wǎng)配置，近年來大量建設(shè)了超高壓輸電塔-線體系。輸電塔體系作為近地面柔性結(jié)構(gòu)的典型代表對(duì)極端強(qiáng)風(fēng)非常敏感，在極端強(qiáng)風(fēng)作用下輸電塔結(jié)構(gòu)容易發(fā)生桿件局部破壞、塔頭損壞甚至塔體倒塌破壞等，導(dǎo)致線路故障且修復(fù)困難。

下?lián)舯┝髯鳛闃O端強(qiáng)風(fēng)的一種，是由強(qiáng)下沉氣流猛烈沖擊地面形成的近地面短時(shí)破壞性強(qiáng)風(fēng)[1],具有突發(fā)性強(qiáng)、范圍小、生命周期短、出流強(qiáng)度大等特點(diǎn)。下?lián)舯┝鳂O端強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害，可導(dǎo)致房屋破壞、輸電塔及通信塔倒塌等(圖1)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)生活。其中，輸電塔結(jié)構(gòu)由于具有結(jié)構(gòu)高、柔性強(qiáng)和阻尼小等特點(diǎn)，在下?lián)舯┝髯饔孟嘛L(fēng)振響應(yīng)顯著，風(fēng)致災(zāi)害尤為嚴(yán)重。

為此，本文從下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)特性的角度出發(fā)，介紹了其風(fēng)速特征及理論與數(shù)值分析方法，概括總結(jié)了在下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝w系的風(fēng)振響應(yīng)，分析了輸電塔優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)手段,旨在為下?lián)舯┝鲝?qiáng)風(fēng)作用下輸電塔性能研究提供參考依據(jù)。

圖1 下?lián)舯┝黠L(fēng)災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)

1 下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)特性

隨著下?lián)舯┝髟斐傻膹?qiáng)風(fēng)災(zāi)害逐漸被人們重視，一系列關(guān)于下?lián)舯┝鞯膶?shí)測(cè)研究、物理試驗(yàn)、數(shù)值模擬及解析模型紛紛開展起來，全方位地探究下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)場(chǎng)特征，為建筑結(jié)構(gòu)[2]、輸電塔體系[3]和橋梁結(jié)構(gòu)[4]等工程結(jié)構(gòu)的抗下?lián)舯┝鞣治龅於嘶A(chǔ)。

伊利諾伊州北部強(qiáng)降水氣象研究[5](Northern Illinois Meteorological Research on Downbursts,NIMROD)是國(guó)際上第一個(gè)觀測(cè)下?lián)舯┝鞯默F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)科研項(xiàng)目。該項(xiàng)目雖未成功獲得尺度小、生命周期短的微下?lián)舯┝鞯膭?dòng)力特征，但證實(shí)了下?lián)舯┝鞯念l發(fā)性。[6]聯(lián)合機(jī)場(chǎng)天氣研究(Joint Airport Weather Studies,JAWS)項(xiàng)目通過分析180多個(gè)下?lián)舯┝靼咐?，發(fā)現(xiàn)了其持時(shí)短的時(shí)間特征，以及其風(fēng)速隨高度增加先增大后減小等速度特征。Hjelmfelt[7]通過總結(jié)JAWS項(xiàng)目下?lián)舯┝鲗?shí)測(cè)數(shù)據(jù),繪制了一個(gè)典型的下?lián)舯┝黠L(fēng)速剖面,如圖2所示。FAA-LINCOLN 實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)志愿者研究(FAA-Lincoln Laboratory Operational Weather Studies，F(xiàn)LOWS)[8]項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)了下?lián)舯┝髁鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱或近似對(duì)稱的特征。李宏海等[9]統(tǒng)計(jì)分析了1971—2000年的中國(guó)707座氣象基站資料，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)全國(guó)各地區(qū)每年平均發(fā)生下?lián)舯┝?0.7天，證明了下?lián)舯┝髟谖覈?guó)具有較高的頻發(fā)性，結(jié)合我國(guó)下?lián)舯┝鲿r(shí)空分布特征和下?lián)舯┝骼勰昶骄鞌?shù)，將我國(guó)下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載劃分為低發(fā)區(qū)、高發(fā)區(qū)和頻發(fā)區(qū)三個(gè)區(qū)域。

圖2 下?lián)舯┝黠L(fēng)速剖面(Hjelmfelt繪制)

目前，實(shí)現(xiàn)下?lián)舯┝魑锢碓囼?yàn)?zāi)M的方式主要有兩種，分別是重力流模擬和沖擊射流模擬。在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域，學(xué)者們側(cè)重于研究下?lián)舯┝鳑_擊地面后擴(kuò)展階段的風(fēng)場(chǎng)特征，探究下?lián)舯┝骶植繌?qiáng)風(fēng)荷載對(duì)工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)致效應(yīng)，往往多采用空氣沖擊射流模型模擬下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)。多項(xiàng)下?lián)舯┝魑锢碓囼?yàn)結(jié)果表明，沖擊風(fēng)的風(fēng)速、直徑、射流高度、入射傾角，以及地形地勢(shì)、地面傾斜度與粗糙度等對(duì)下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)有重要的影響[10-13]。

在下?lián)舯┝鞯难芯恐?，?shù)值模擬是一種經(jīng)濟(jì)且便利的研究手段，用來探究下?lián)舯┝魑⒂^的流場(chǎng)特征。早期，Selvam等[14]、Nicholls等[15]和Wood等[16]分別采用了2D軸對(duì)稱的k-epsilon湍流模型、2D軸對(duì)稱的大渦模擬方法和DRS(Differential Reynolds Stress)湍流模型對(duì)比分析不同模擬方法的優(yōu)缺點(diǎn)。2D軸對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模型有著嚴(yán)苛的適用性，大多數(shù)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)難以滿足二維空間風(fēng)場(chǎng)的簡(jiǎn)化條件，限制了下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)特征的研究。近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，大力推動(dòng)了3D空間下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)模擬分析的發(fā)展。Anabor等[17]通過大渦模擬方法開展了下?lián)舯┝魅S風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬，跟蹤了下?lián)舯┝餮葑冞^程，能夠較好地模擬還原出下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)中的脈動(dòng)特性及渦旋狀態(tài)。瞿偉廉等[18-20]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent探究了下?lián)舯┝鲾U(kuò)散的細(xì)部微觀風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，分析了瞬時(shí)風(fēng)速分布及風(fēng)場(chǎng)初始條件的影響。鐘永力等[21]對(duì)比分析了靜止型與移動(dòng)型的下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)特性，結(jié)果表明由于下?lián)舯┝黠L(fēng)暴中心的移動(dòng)導(dǎo)致渦旋衰減較慢、局部風(fēng)速較大。

最早，Oseguera及Bowles等[22]提出了一個(gè)下?lián)舯┝髌骄L(fēng)速的軸對(duì)稱理論模型，簡(jiǎn)稱OB模型。Vicroy等[23]改進(jìn)了OB模型的形狀函數(shù)，定義了一個(gè)與實(shí)際風(fēng)速剖面更符合的OBV理論模型。但OB和OBV理論模型尚未考慮雷暴中心移動(dòng)對(duì)下?lián)舯┝黠L(fēng)速的影響。為此，Holmes等[24]認(rèn)為下?lián)舯┝黠L(fēng)速為其徑向平均風(fēng)速與雷暴中心移動(dòng)速度矢量和，忽略了脈動(dòng)風(fēng)速的影響。Chen等[25-28]采用幅值調(diào)幅函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)高斯分布過程計(jì)算下?lián)舯┝鞯牧憔得}動(dòng)風(fēng)時(shí)程，提出了下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)速時(shí)程U(z,t)計(jì)算方法，表達(dá)式如下：

(1)

u(z,t)=α(z,t)·k(z,t)

(2)

2 下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝w系的風(fēng)振響應(yīng)

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)絕大部分地區(qū)均會(huì)受到下?lián)舯┝鲝?qiáng)對(duì)流天氣的影響，尤其在西南部地區(qū)最為頻繁，平均每周1次以上。下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)速剖面區(qū)別于大氣邊界層近地風(fēng)風(fēng)，時(shí)變平均風(fēng)速差異大，如圖3所示，脈動(dòng)性較強(qiáng)，對(duì)工程結(jié)構(gòu)具有極大的破壞性，尤其是對(duì)于高聳、輕柔的輸電塔體系而言。然而，目前尚無下?lián)舯┝鳂O端強(qiáng)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范，大量建設(shè)的輸電塔結(jié)構(gòu)仍采用大氣邊界層平穩(wěn)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)方法[29，30]，無法保證輸電塔體系對(duì)抗下?lián)舯┝鞯陌踩浴榇?，研究者們開展了下?lián)舯┝鳂O端強(qiáng)風(fēng)下輸電塔體系的風(fēng)振響應(yīng)研究。

圖3 下?lián)舯┝髋c近地風(fēng)平均風(fēng)剖面對(duì)比

樓文娟等[31，32]以輸電塔體系為研究對(duì)象，對(duì)比分析了時(shí)域與頻域風(fēng)振響應(yīng)分析方法，結(jié)果表明時(shí)域分析法更適合輸電塔線體系的動(dòng)力風(fēng)振響應(yīng)研究。

吉柏鋒等[33]對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了下?lián)舯┝鳂O端強(qiáng)風(fēng)荷載作用下的彈塑性分析，分析發(fā)現(xiàn)塔身中上部的斜腹桿和主桿失穩(wěn)破壞是導(dǎo)致輸電塔結(jié)構(gòu)倒塌破壞的主要原因。

何典等[34]采用擬靜力方法分析了下?lián)舯┝髯饔孟缕降?、山坡、山體不同地形輸電塔體系的破壞過程，以及風(fēng)向角、檔距對(duì)輸電塔線承載能力的影響。

洪飛等[35]基于諧波合成法研究了下?lián)舯┝髅}動(dòng)風(fēng)速對(duì)塔線體系的影響，對(duì)比分析了下?lián)舯┝髋c大氣邊界層良態(tài)風(fēng)對(duì)塔線體系風(fēng)振響應(yīng)的差異。

郭勇等[36，37]將輸電塔的風(fēng)振響應(yīng)分解為共振分量和背景風(fēng)量，采用理論計(jì)算和試驗(yàn)研究方法，分析了在下?lián)舯┝鳂O端強(qiáng)風(fēng)荷載作用下輸電線對(duì)這兩部分分量的影響，并提出了一種塔線體系的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

謝強(qiáng)等[38，39]研究了單塔和塔線體系在均勻流場(chǎng)和紊流場(chǎng)的風(fēng)致響應(yīng),通過分析不同風(fēng)攻角、流場(chǎng)及風(fēng)速工況下塔線體系動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù),總結(jié)出了導(dǎo)線、絕緣子和輸電塔風(fēng)致振動(dòng)規(guī)律，通過功率譜密度分析，揭示了輸電塔線耦聯(lián)體系的風(fēng)荷載傳遞機(jī)制。

魏文暉等[40]基于能量法開展了下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝€體系的倒塌全過程分析，通過特征能量函數(shù)的動(dòng)力穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則可準(zhǔn)確迅速預(yù)測(cè)輸電塔線體系整體倒塌的時(shí)間。

王唯等[41]基于有限質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行了輸電塔線體系抗下?lián)舯┝鲃?dòng)力響應(yīng)分析，模擬了單塔和塔線耦合體現(xiàn)的倒塌全過程。

3 輸電塔體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

輸電塔體系在下?lián)舯┝鳂O端強(qiáng)風(fēng)作用下具有顯著的響應(yīng)特性，桿材會(huì)發(fā)生不同程度的破壞。有必要在滿足安全使用要求的前提下，進(jìn)行輸電塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低結(jié)構(gòu)用鋼量，預(yù)防結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌等破壞，推動(dòng)電力工業(yè)向著安全、綠色、環(huán)保的目標(biāo)進(jìn)一步發(fā)展。

輸電塔結(jié)構(gòu)作為一種特殊的工程結(jié)構(gòu)，其優(yōu)化設(shè)計(jì)包括對(duì)塔身截面、形狀、拓?fù)鋬?yōu)化和減振控制。

樊社新等[42]以鋼材重量為目標(biāo)函數(shù)，采用滿應(yīng)力準(zhǔn)則和動(dòng)態(tài)規(guī)劃法相結(jié)合的方法對(duì)輸電塔截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，我國(guó)有關(guān)設(shè)計(jì)軟件主要是以滿應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化策略較為單一。

祝曉燕等[43]基于非線性規(guī)劃法采取分層優(yōu)化交替進(jìn)行，給出了多種工況下的輸電塔形狀優(yōu)化。后來，隨著各種啟發(fā)式算法的推廣應(yīng)用，各種算法用來對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行優(yōu)化。

文獻(xiàn)[44]中以桿件截面尺寸和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量，以塔身重量為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行輸電塔結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化。

張卓群等[45]基于蟻群算法提出了一種可同時(shí)進(jìn)行截面、形狀、拓?fù)?、布局?yōu)化的輸電塔結(jié)構(gòu)局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法。在蟻群算法的基礎(chǔ)上，林又新等[46]結(jié)合經(jīng)典的旅行商問題建立了一種離散系統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化方法，通過算例驗(yàn)算證實(shí)了該拓?fù)浞椒▽?duì)平面和空間的輸電塔結(jié)構(gòu)具有良好的優(yōu)化效果。

輸電塔結(jié)構(gòu)常布置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)、黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器等耗能設(shè)備消耗一部分振動(dòng)能量，減小主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。TMD易于安裝、設(shè)計(jì)方便、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點(diǎn)，但僅對(duì)有限振型的減振效果良好。胡松等[47]采用多個(gè)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(MTMD)進(jìn)行大跨越輸電塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制分析。陳亦等[48]分析了MTMD和黏彈性阻尼器對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制的聯(lián)合效果?？翟返萚49]對(duì)比了5種黏滯阻尼器的布置方式，評(píng)估其對(duì)山區(qū)轉(zhuǎn)角塔的風(fēng)振控制效果，得出黏滯阻尼器的最優(yōu)布置方案。雷旭等[50]為減輕輸電塔斷電線的沖擊效應(yīng)和較大的風(fēng)致振動(dòng)問題，設(shè)計(jì)了一種彈簧板式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，通過數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)方法對(duì)比分析了有無該阻尼器對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的影響。

4 研究展望

本文從下?lián)舯┝鲝?qiáng)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性、輸電塔風(fēng)振響應(yīng)及優(yōu)化設(shè)計(jì)三個(gè)方面總結(jié)了下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝w系的研究成果，但結(jié)合相關(guān)工程實(shí)際案例發(fā)現(xiàn)仍有一些問題亟須解決。為此，提出了如下研究展望：

(1) 我國(guó)常受到下?lián)舯┝鳛?zāi)害侵襲，但目前有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中尚無下?lián)舯┝鲝?qiáng)風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，需提出一種方便設(shè)計(jì)使用的下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載計(jì)算方法。

(2) 目前，大多數(shù)輸電塔結(jié)構(gòu)采用良態(tài)風(fēng)進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)，其對(duì)抗下?lián)舯┝鲝?qiáng)脈動(dòng)風(fēng)的安全性能需要全面評(píng)估，如何建立一種安全、可靠、方便的輸電塔結(jié)構(gòu)抗下?lián)舯┝髂芰Φ脑u(píng)估方法。

(3) 輸電塔體系復(fù)雜，其抗風(fēng)性能影響因素眾多，如何考慮結(jié)構(gòu)已有部分缺陷，諸如連接節(jié)點(diǎn)螺栓松動(dòng)、滑移，對(duì)輸電塔體系抗下?lián)舯┝鞯撵o力性能和動(dòng)力響應(yīng)的影響。