钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法技术

本发明专利技术涉及钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法，它包括步骤(1)：确定钢管塔的微风振动杆件；步骤(2)：计算微风振动杆件的共振力；步骤(3)：确定微风振动杆件的弯曲应力和焊接部位应力；步骤(4)：确定微风振动杆件的非焊接部位疲劳应力幅和焊接部位疲劳应力幅；和步骤(5)：确定微风振动杆件的疲劳寿命。本发明专利技术所述方法可靠合理，计算结果精确，并能对其进行安全性评估，可确保输电线路安全、经济、合理。

Calculation method for fatigue life of steel tube tower members under mild wind vibration

The invention relates to a method for calculating the fatigue life of a steel pipe tower member subjected to breeze vibration, which comprises steps (1): determining the breeze vibration member of a steel pipe tower; steps (2): calculating the resonance force of the breeze vibration member; steps (3): determining the bending stress and the welding stress of the breeze vibration member; steps (4): determining the breeze vibration member. Fatigue stress amplitude of non-welded part and welded part; and step (5): Determine the fatigue life of breeze vibration bar. The method described in the invention is reliable and reasonable, the calculation result is accurate, and the safety evaluation of the method can be carried out, so as to ensure the safety, economy and rationality of the transmission line.

【技术实现步骤摘要】
钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法
本专利技术涉及输电铁塔
，特别是涉及钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法。
技术介绍
特高压输电线路的建设以及同塔多回和大跨越线路的增多，使得杆塔承受大荷载，结构大型化。这种情况下杆塔采用角钢结构需要使用组合构件，塔重增加较多，塔身风荷载加大，结构承载力的提高受到限制，因而近年来不断采用以圆截面钢管为主要构件的格构式钢管塔来代替角钢塔。圆截面钢管构件的空气动力性能好，风压体型系数仅为角钢的1/2左右；截面中心对称，受力各向同性；材料均匀分布在周边，截面抗弯刚度大。输电杆塔采用钢管构件，不但可以减小塔身风载荷，提升承载力，还能充分均衡地发挥材料的性能，减小杆件长度，提高结构的稳定性，特别是对于结构几何尺寸较大、杆件较长的大型杆塔，这种优越性更为明显。但钢管塔某些长细比较大的特别是趋于水平布置的构件在较低风速下容易发生垂直于风向的振动，即所谓的微风振动。微风振动的主要机理如下：圆柱体的横向扰流会在主体后产生漩涡，漩涡的运动特性由圆柱体在风流中的雷诺数决定。当杆件的雷诺数40<Re<3x105时，杆件处于亚临界范围内，尾流中上面的气流向下挤，形成下窝，下面的气流向上挤，形成上窝，二者交替出现，又交替从柱体上脱落，以略低于周围流体的速度向下移动。在柱体后面形成两列交替错开、旋向相反、间距保持不变、周期性脱落的漩涡，学术上称为卡门窝街，漩涡脱落产生的脱落风力，会使得柱体产生横向风运动。当漩涡脱落的主导频率与圆柱体的某阶固有频率比较接近时，就会发生涡激共振。由于线路长期处于风速较低的环境，这种持续反复的振动可能造成杆塔连接螺栓松动和构件疲劳破坏。目前，国内外学者在钢管塔杆件微风振动研究方面取得了一定成果，但关于其疲劳寿命预测的研究开展较少，尤其是钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法还未曾涉及。在目前的钢管塔杆件微风振动研究中，研究者在雷诺数的取值上通常选取的是其亚临界范围上限值(3×105)，由此展开的计算和安全评估都是不够精确的，在工程的实际应用中偏于不安全。
技术实现思路
本专利技术的目的就是克服上述现有技术的不足，提供一种钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法，该计算方法具有重要的理论和实际应用价值，采用该计算方法可以精确预测钢管塔杆件微风振动疲劳寿命，并能对其进行安全性评估，可确保输电线路安全、经济、合理。为实现上述目的，本专利技术所述的钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法包括以下步骤，步骤(1)：确定钢管塔的微风振动杆件；步骤(2)：计算微风振动杆件的共振力；步骤(3)：确定微风振动杆件的弯曲应力和焊接部位应力；步骤(4)：确定微风振动杆件的非焊接部位疲劳应力幅和焊接部位疲劳应力幅；步骤(5)：确定微风振动杆件的疲劳寿命。进一步地，所述微风振动杆件为长细比大于等于100且小于等于160的杆件。进一步地，当微风振动杆件的振动阶次为一阶且其连接方式为两端固接时，则共振力根据公式(2a)计算得到Pd1＝5×1011d2λ-3CLs公式(2a)；当微风振动杆件的振动阶次为一阶且其连接方式为两端铰接时，则共振力根据公式(2b)计算得到Pd1＝1.16×1011d2λ-3CLs公式(2b)；当微风振动杆件的振动阶次为一阶且其连接方式为两端铰接时，则共振力根据公式(2c)计算得到Pd1＝1.11×1010d2λ-3CLs公式(2c)；其中，d表示外径，λ表示长细比，CLs表示升力系数。进一步地，所述升力系数根据微风振动杆件的实际雷诺数得到。进一步地，所述计算方法还包括对微风振动杆件在设计使用寿命内的安全性进行评估。本专利技术的有益效果：1、本专利技术可为输电铁塔设计提供参考，为今后输电线路工程特别是钢管塔设计提供理论依据和技术指导。2、现有技术中，输电线路工程钢管塔的寿命设计一般只考虑强度影响，然而在某些微风振动疲劳破坏较为明显的工程中，设计人员必须充分考虑钢管塔杆件微风振动疲劳寿命。由于现有技术中还未涉及到相关计算，因此本专利技术能很好的补充输电线路钢管塔的寿命设计。3、本专利技术方法简便易行，并能同时考虑不同使用寿命期限和不同地区的情况，具有广泛推广价值。4、本专利技术根据杆件实际起振时的雷诺数计算疲劳应力幅值，可以预测不同使用寿命期的疲劳破坏情况，弥补了之前研究的不足，为易微风振动地区输电线路的安全、经济、设计合理性提供了保障。附图说明图1为本专利技术的流程示意图；图2为实施例1中钢管塔微风振动杆件的正视图；图3为图2中的1-1剖面图；图4为图2中的2-2剖面图；图5为实施例1中C型插板C2005H7的连接结构图；图6为图5中的1-1剖面图。具体实施方式以下结合附图详细说明本专利技术的实施情况，但它们不构成对本专利技术的限定，仅作举例而已。同时通过和具体实施对本专利技术作进一步的详细描述。同时通过说明，本专利技术的优点将变得更加清楚和容易理解。在进行钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算时，需要先收集工程地的气象资料，包括历年最大风速统计，逐时整点风速统计，各区段风速发生比例等等。图1为本专利技术所述钢管塔杆件微风振动疲劳寿命计算方法的流程图，具体过程如下：步骤(1)：确定钢管塔的微风振动杆件。不同钢管塔杆件的长细比不一，微风振动临界起振风速也不一样，长细比越大，临界起振风速越小。通过公式(1)计算不同杆件的临界起振风速，可以确定发生微风振动的杆件的范围，公式(1)中：λ表示钢管杆件的长细比，λj表示自振频率参数。λj根据钢管杆件的振动阶次与杆端的约束条件而定，一般考虑为一阶振动，在一阶振动中，当杆件的两端固接时取4.73，相应的起振临界风速可按照公式(1a)进行计算Vcr＝2.58×105λ-2公式(1a)；当杆件的两端铰接时取3.142，相应的起振临界风速可按照公式(1b)进行计算Vcr＝1.14×105λ-2公式(1b)；当杆件悬臂时取1.875，相应地，起振临界风速可按照公式(1c)进行计算Vcr＝4.05×104λ-2公式(1c)；当杆件的一端固接一端铰接时取3.927，相应的起振临界风速可按照公式(1d)进行计算Vcr＝1.78×105λ-2公式(1d)。步骤(2)：计算微风振动杆件的共振力。通常，易发生微风振动的钢管构件长细比较大，可视为柔性梁来研究其微风共振。雷诺数亚临界范围旋涡脱落引起的振动是确定性的周期振动。采用振型分解法，并假定阻尼线性，则第j阶振型的广义运动方程为：方程右端表示作用在钢管构件上的广义的旋涡脱落力。φj(x)为第j阶振型，qj、ξj和nj分别表示其广义坐标、阻尼比和振动频率，钢结构的阻尼比一般取为0.01；Vcr表示起振临界风速，CLs为升力系数；ωs＝2πfs为旋涡脱落的圆频率；ρa为空气密度，通常取为1.25kg/m3；d为微风振动杆件的外直径，L表示杆件长度。对于确定性振动的共振，方程的解为因而有第j阶微风共振的分布风振力对于一阶微风振动，有如下共振力的表达式两端固接、两端铰接和悬臂三种杆端约束对应的η1值，分别为1.32，1.27和1.57，相应地，对公式(2)沿管长积分得到共振力的合力，可表示为：两端固接：Pd1＝5×1011d2λ-3CLs公式(2a)两端铰接：Pd1＝1.16×1011d2λ-3CLs公式(2b)悬臂：Pd1＝1.11×101本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法，其特征在于：包括步骤(1)：确定钢管塔的微风振动杆件；步骤(2)：计算微风振动杆件的共振力；步骤(3)：确定微风振动杆件的弯曲应力和焊接部位应力；步骤(4)：确定微风振动杆件的非焊接部位疲劳应力幅和焊接部位疲劳应力幅；步骤(5)：确定微风振动杆件的疲劳寿命。

【技术特征摘要】
1.钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法，其特征在于：包括步骤(1)：确定钢管塔的微风振动杆件；步骤(2)：计算微风振动杆件的共振力；步骤(3)：确定微风振动杆件的弯曲应力和焊接部位应力；步骤(4)：确定微风振动杆件的非焊接部位疲劳应力幅和焊接部位疲劳应力幅；步骤(5)：确定微风振动杆件的疲劳寿命。2.根据权利要求1所述的钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法，其特征在于：所述微风振动杆件为长细比大于等于100且小于等于160的杆件。3.根据权利要求2所述的钢管塔杆件微风振动疲劳寿命的计算方法，其特征在于：当微风振动杆件的振动阶次为一阶且其连接方式为两端固接时，则共振力根据公式(2a)计算得到Pd1＝5×1011d2λ-...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏谦，吴海洋，郭念，冯衡，赵冲，柯嘉，黄佩，
申请(专利权)人：中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42