大跨越输电塔双平臂抱杆的风洞试验研究_夏顺俊.pdf

Industrial Construction Vol.53,No.4,2023工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期1 大跨越输电塔双平臂抱杆的风洞试验研究夏顺俊赵俊马龙张仁强戴如章李锡民(江苏省送变电有限公司,南京210028)摘要:国家大跨越输电线路建设方兴未艾,这些新建的长距离电力输送通道档距大且铁塔高,同时面临恶劣环境的严峻挑战。在大跨越超高输电铁塔的施工中,双平臂抱杆是最重要的吊装施工装备。在施工期内高空作业的双平臂抱杆面临复杂的风环境,高长细比的柔性结构特征也对其抗风安全提出了更高的要求。针对组立江阴长江大跨越 385 m 高塔的双平臂抱杆,开展了高频天平测力风洞试验研究。在多个来流风向角下,针对各个抱杆构件的多种工作姿态完成了高频天平测力试验。由风洞试验可知:抱杆标准节整体体型系数在各风向角下的变化存在线性规律;抱杆整体结构体型系数的规范取值会偏于风险,应在抱杆结构抗风验算中予以重视。同时,还提出了基于构件总计法的抱杆标准节风荷载精细化计算方法。关键词:抱杆结构;超高输电铁塔;风洞试验;体型系数;构件总计法 DOI:10.13204/j.gyjzG21100918Wind Tunnel Test Study on Crane Structure with Double-Flat-Arm Derrick forLong-Span Transmission TowersXIA ShunjunZHAO JunMA LongZHANG RenqiangDAI RuzhangLI Ximin(Jiangsu Electric Power Transmission&Transformation Corporation,Nanjing 210028,China)Abstract:The construction of long-span power transmission lines in China is booming.These transmission lines run through large distances with high-rise towers,and are facing severe challenges from harsh environments.For construction of long-span and ultra high-rise transmission towers,the crane structure with double-flat-arm derrick has become the most important lifting equipment.During the construction process,the crane operates has to face the complex and extreme wind environment.The crane structure with a large slenderness ratio is quite wind-sensitive.Wind tunnel tests were carried out for the double-flat-arm derrick for erecting the 385 m high tower crossing the Yangtze River in Jiangyin.High-frequency force-balance wind tunnel tests were conducted for different working positions of flat arms under various incoming wind angles.The obtained shape coefficients of the standard tower body segment exihibited a linear relation with the incoming wind angles.It was also found that the overall shape coefficients of the crane structure obtained by the code might be risky,and should be paid more attention to the wind resistance calculation of the derrick structure.A refined wind loading calculation formula was proposed based on the member assembly method.Keywords:crane structure;ultra high-rise tower;wind tunnel test;shape coefficient;member assembly method 国网江苏省电力有限公司 500 千伏凤城梅里长江大跨越工程超大型组塔双平臂抱 杆 系 统 研 制 及 应 用 科 技 项 目(SGJSJSOOXMJS 2000254)。第一作者:夏顺俊,男,1976 年出生,高级工程师。通信作者:赵俊,男,1987 年出生,工程师,zhaojun04 。收稿日期:2021-10-090引言我国东南沿海经济发达地区是电力需求最旺盛的区域,但当地电力资源往往不足,因此国家大力推进开展“西电东送”“北电南送”等长距离电力输送工程。这些新建的高电压、大容量、长距离的大跨越电力通道,面临着我国高山、大江和海峡等复杂地形地貌的阻隔和挑战,具有电压等级高、档距大和铁塔高等特征,属于技术难度高的超级电网工程。大跨越输电工程高塔施工过程中所采用的特殊吊装设备 抱杆,是组立输电高塔的关键起重机械,具有很好的适用性,已成功应用于舟山西堠门大跨越380 m 高输电铁塔等超级输电工程1-4。针对此类抱杆结构,已经开展了相应的现场试验和有限元分析研究工作。周焕林等采用有限元软件建立了舟山大跨越抱杆静力分析模型,并开展了现场试 验 以 分 析 腰 环、塔 身 等 各 构 件 的 最 大 应2 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期力5。徐城城等建立了双平臂抱杆非线性有限元模型,分析得到了稳定性不利工况6。吴凡等针对抱杆与铁塔的耦合模型进行力学性能分析,发现耦合结构抱杆最大位移增大,腰环拉线拉力减小7。叶何凯对不同施工阶段的舟山大跨越抱杆及其与钢管塔的耦合体系进行风振响应时程分析,得到了风振系数和等效静力风荷载8。抱杆结构在设计研制时,其风荷载计算可以参考 GB 500092012建筑结构荷载规范9(简称规范)、GB 501352019高耸结构设计标准10(简称标准)及 DL/T 51542012架空送电线路杆塔结构设计技术规定11等。但由于现行规范中不存在与抱杆各组成部件完全一一对应的风荷载取值规定,在实际设计中对抱杆构件体型系数的取值处理较为简化12。另外,规范中也没有严格考虑不同部件之间风效应的干扰特性,根据相关规范所确定的抱杆风荷载很可能与实际抱杆所受风力不符。本文通过风洞试验深入研究了抱杆结构的气动力特性和风效应干扰特性,为抱杆结构抗风设计及安全施工提供重要依据。目前在建的凤城梅里 500 kV 线路长江大跨越工程跨越塔高 385 m,建成后将再一次刷新输电塔高的世界纪录。应用于该工程的双平臂抱杆在起重重量、作业幅度、起吊高度等指标上也均为世界同类型装备之最。针对该工程的双平臂抱杆开展了多姿态下的风洞试验,获取抱杆标准节、上部结构及整体结构的整体体型系数;同时采用构件总计法,计算得到了抱杆标准节的立体风力干涉系数,为实现抱杆体型系数的快速精细化计算提供参考。1工程概况凤城梅里 500 kV 线路长江大跨越工程的江阴长江大跨越工程基本为南北走向,如图 1a 所示,北岸跨越点位于靖江市新桥镇财神圩附近,南岸跨越点位于江阴市利港镇黄丹村同兴圩附近,两岸跨越塔及锚塔均位于堤内农田中,地形平坦开阔。大跨越耐张段全长 4 055 m,跨越档距 2 550 m。T2T1500 双平臂抱杆结构如图 1b 所示,是为组立江阴长江大跨越 385 m 高塔设计制作的专业起重机械。该抱杆结构主要由标准节、过渡段、下支座、上支座、回转塔身、塔顶、平臂、平臂拉杆等部件组成,结构形式复杂。图 2a e 给出了抱杆整体结构及其各组 成 部 分 及 其 尺 寸。抱 杆 标 准 节 立 柱 为HW400400 型钢,立柱主材截面及腹杆尺寸如图 2f所示。a 江阴长江大跨越位置;b铁塔与抱杆(2021 年 7 月)。图 1江阴长江大跨越输电工程Fig.1Long-span transmission project crossing theYangtze Rivers in Jiangyin2风洞试验2.1试验设备抱杆风洞试验在浙江大学的 ZD-1 边界层风洞中进行。ZD-1 边界层风洞是一座单回流闭口立式边界层风洞。风洞集速压控制系统、转盘系统、三维移测架系统和安全监控系统于一体。风洞试验段尺寸为 4 m(宽)3 m(高)18 m(长),空风洞试验段风速范围为 355 m/s,控制精度达到 1.0%以上。试验中使用了高频底座测力天平,用于测量风洞模型所承受的总风力,包括 6 个分量(Fx、Fy、Fz、Mx、My和 Mz),最大量程 Fx=Fy=20 N,Fz=40 N,Mx=My=Mz=4 Nm,全量程测量精度为 0.3%,采样频率最高可达 1 kHz。依据 GB 5000920129中的规定,T2T1500 双平臂抱杆所在的地区为 A 类地貌,地面粗糙度系数为 0.12,大气边界层梯度高度为 300 m。T2T1500 双平臂抱杆主要由标准节、过渡段、下支座、上支座、回转塔身、塔顶、平臂、平臂拉杆等组成,可以通过调整标准节的数目来调整抱杆整体的高度。考虑到最不利工作状态下,抱杆整体处于离地超过 300 m 的高空,位于大气边界层之上,此时风速不随高度发生变化。故本次风洞试验选用均匀流场作为试验风场。相较于高湍流度风速,格构式圆大跨越输电塔双平臂抱杆的风洞试验研究 夏顺俊,等3 a抱杆整体;b平臂结构;c塔顶结构;d中段回转结构;e单节标准节;f标准节构件截面尺寸图 2抱杆整体及各组分结构mmFig.2Overall and component structures of the crane钢塔在低湍流度下测得的高频天平基底反力均值会略微偏大13,因此在均匀流实验条件下最终计算得到的体型系数也偏向保守。2.2抱杆测力模型T2T1500 双平臂抱杆风洞试验模型按几何相似要求,采用 ABS 工程塑料制作而成。风洞试验模型共有两种,第一种为抱杆标准节节段模型,缩尺比为1 20,风洞试验模型外观及布置如图 3 所示;第二种为含有 16 节标准节的抱杆整体模型,缩尺比为1 100,如图 4 所示。两种模型在风洞中阻塞比均小于 5%,满足风洞试验要求,因此试验所得的无量纲风力系数可直接应用于原型结构的抗风设计。图 3抱杆标准节模型Fig.3Standard segment model of the crane图 4抱杆整体模型Fig.4Overall model of the crane2.3抱杆标准节整体体型系数抱杆标准节风荷载体型系数可计算如下8:sx=F-xv2rAx/2(1a)sy=F-yv2rAy/2(1b)式中:sx,sy分别为抱杆标准节 x 向和 y 向的体型系数;F-x,F-y分别为风洞试验测力天平获取的抱杆标准节 x 向和 y 向底部风力分量的平均值,参考坐标系如图 5 所示;vr为参考点风速;为空气密度;Ax,Ay分别为抱杆标准节 x 向和 y 向迎风面净投影面积。图 5抱杆标准节风力分量坐标系Fig.5Wind component coordinate syst