一种特高压单柱拉线塔扭振频率的两自由度计算方法技术

本发明专利技术公开了一种特高压单柱拉线塔扭振频率的两自由度计算方法，属于拉线塔技术领域，考虑主柱的扭转变形，将拉线塔的扭振问题简化为两自由度模型，通过计算拉线的扭转刚度，拉线的转动惯量以及主柱的扭转刚度，来计算拉线塔的第一阶扭振频率。本发明专利技术中的方法相对于单自由度模型来说，考虑了特高压拉线塔主柱长细比较大，计算结果与有限元数值模拟得到的结果比较吻合，验证了模型简化的合理性，可用于单柱拉线塔扭振频率的计算。

【技术实现步骤摘要】
一种特高压单柱拉线塔扭振频率的两自由度计算方法
本专利技术涉及一种拉线塔的扭振频率计算方法，属于拉线塔
，尤其是一种对特高压单柱拉线塔中扭振频率的计算方法。
技术介绍
发展特高压输电可满足大规模、跨区域、远距离传输电力的需求。特高压拉线塔具有结构简单、受力性能好、经济指标优越、施工方便等优势，具有良好的应用前景，我国特高压线路宜采用拉线塔。单柱拉线塔相比双柱悬索拉线塔、门型拉线塔等其它直流特高压拉线塔塔型，具有占地面积相对较小、结构简单、受力清晰等优点。单柱拉线塔是适合直流特高压输电的塔型。某特高压工程推荐使用的单柱拉线塔的结构如图1所示，该单柱拉线塔由塔头、主柱和拉线三部分组成。塔头和主柱需要靠拉线的张力作用保持直立，拉线由于弧垂的存在具有大变形特性，因此在风荷载等横向荷载作用下，主柱会产生较大的绕主柱底端铰接点的转动；对于特高压单柱拉线塔来说其荷载增大、横担尺寸增大、高度增加，在横向荷载作用下主柱也会有较大的变形。因此，特高压单柱拉线塔的整体和主柱均具有高柔性，对动荷载的作用也更加敏感，其动力特性值得关注。目前针对单柱拉线塔的动力特性研究，主要是单柱拉线塔在各种风荷载下的动力响应，单柱拉线塔自振特性及机理的研究未见相关报道。本课题组对单柱拉线塔的静力特性进行研究的基础上，针对其动力特性进行了一系列研究：建立了特高压拉线塔的有限元模型，通过模态分析，分析了特高压单柱拉线塔的固有频率和振型等动力特性；搭建了单柱拉线塔试验模型，并基于环境激励对其进行了模态分析；采用线性滤波法模拟塔线体系风荷载时程，采用Newmark法对单柱拉线塔塔线体系的风振响应进行计算，分析了单柱拉线塔风振响应的时程规律。上述研究结果表明：特高压单柱拉线塔的第一阶振型与自立式输电塔有着显著不同。自立式输电塔的第一阶振型一般多为弯曲振动，但单柱拉线塔由于拉线的支撑刚度较小，且塔头的转动惯量较大，其第一阶振型为扭转振动；特高压单柱拉线塔的扭振频率较低且位于风功率谱值较大的频段，在垂直于线路方向的90º大风作用下，主柱发生了明显的绕轴线的扭转振动。因此，相比于自立式输电塔，扭转振动特性是特高压单柱拉线塔典型的动力学特性之一。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种特高压单柱拉线塔扭振频率的两自由度计算方法，该方法采用两自由度扭振模型计算得到特高压单柱拉线塔的扭振频率，计算结果与精细化有限元模型得到的结果比较吻合，计算过程简单，精度高，可用于特高压单柱拉线塔扭振频率的计算。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种特高压单柱拉线塔扭振频率的两自由度计算方法，所述的单柱拉线塔包括主柱和横担，所述的主柱的中上部设有与地面连接的八组拉线，八组拉线组成拉线系统，主柱的底端与基础平面之间通过球形结构铰接，其特征在于包括如下计算步骤：（1）计算拉线系统的扭转刚度kg（1）其中：T为拉线系统所产生的扭矩，θ为主柱发生的扭转角；（2）当单柱拉线塔发生扭振时，主柱、塔头相对于主柱中心线的运动可近似看做刚体转动，拉线系统也会随之相应发生扭转变形，因此拉线塔的转动惯量分为两部分：拉线挂点以下主柱及拉线系统的转动惯量J1和拉线挂点以上主柱及塔头的转动惯量J2;a)拉线挂点以下主柱及拉线系统的转动惯量J1（2）其中，Jum为拉线挂点以下主柱的转动惯量，Jg为拉线系统的转动惯量；（3）式中n1为拉线挂点以下主柱角钢的总数目，Mi为第i根角钢的质量，li为第i根角钢的长度，φi为第i根角钢与主柱中心轴心的夹角，di为第i根角钢中点到主柱中心轴心的距离；（4）ls为拉线挂点到主柱中心线的距离，m为单根拉线的质量；b)拉线挂点以上主柱及塔头的转动惯量J2（5）式中n2为拉线挂点以上拉线塔角钢的总数目，Mj为第j根角钢的质量，lj为第j根角钢的长度，φj为第j根角钢与主柱中心轴心的夹角，dj为第j根角钢中点到主柱中心轴心的距离；（3）计算主柱的扭转刚度km主柱为桁架结构，运用将桁架模型转换为薄板结构的思想，主柱截面为正方形时主柱的等效扭转刚度为（6）其中：l为正方形主柱截面的节间总长，G为材料的剪切模量，Aplate为薄板的截面积，Aplate=bte，te为薄板的厚度，b为主柱的宽度；（4）计算拉线塔的扭振频率ω考虑主柱的扭转变形，将拉线塔的扭振问题简化两自由度模型,根据振动力学通用运动方程，并忽略阻尼矩阵可得该两自由度系统振动的频率方程为（7）联立以上4个公式，即可解得特高压单柱拉线塔的第一阶扭振频率表达式。对上述计算过程作进一步说明，所述的步骤1中，八组拉线的扭转刚度为（8）式中，l0为拉线的弦向长度，la为拉线锚地点到主柱中心线的距离，Eeq为弦向变形的等效切线弹性模量，A为拉线的截面积；其中，弦向变形的等效切线弹性模量Eeq表达为：（9）式中，Ek为拉线材料的弹性模量，ρ为拉线的密度，g为重力加速度，α为拉线与水平面夹角，σx为拉线弦向应力。对上述计算过程作进一步说明，所述的步骤3中，当桁架结构为交叉斜材首位连接的布置形式时，其中薄板的厚度te表达为：（10）式中，E为材料的拉伸模量；a为1个节间的长度，d为斜材长度；Ad为斜材截面积；AL为主材截面积。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术中拉线塔扭振频率的计算方法采用两自由度扭振模型计算得到，与单自由度的扭转模型相比，由于实际情况下拉线塔主柱由于长细比较大，对主柱轴线的转动惯量较大，分别考虑塔身和拉线的转动惯量和扭转刚度，其计算结果与精细化有限元模型得到的结果比较吻合，计算方法简单有效，可用于特高压单柱拉线塔扭振频率的计算。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是本专利技术中拉线塔的结构示意图；图2是图1中拉线塔主柱底端与基础平面的连接形式；图3是单柱拉线塔主柱横截面外轮廓及拉线在水平面上的俯视图，其中虚线为扭转变形前的位置，实线为在扭矩作用下变形后的位置；图4是拉线塔两自由度模型；图5是斜材布置示意图；图6是拉线塔整体第1阶振型图；其中：1、地线支架，2、塔头，3、绝缘子串，4、拉线，5、主柱，6、主柱底端，7、球形结构，8、基础平面，9、主柱截面。具体实施方式根据附图1和2可知，本专利技术为一种特高压单柱拉线塔两自由度扭振频率的计算方法，其中特高压单柱拉线塔主要由主柱5、塔头2、拉线4、地线支架1和绝缘子串3组成，其中主柱5为方形桁架结构，其中上部位的四个方向通过拉线4与基础平面8连接，主柱5的底部为主柱底端6，该主柱底端6与基础平面8之间通过球形结构7连接，主柱底端6直接放置在该球形结构7上。在拉线塔自重作用下，主柱底端与球形结构压紧，主柱只能产生绕球体圆心的转动。考虑到外荷载对球心的力臂远远大于主柱底端6与球形结构7之间摩擦力的力臂，当忽略摩擦力的影响时，主柱底端6与地面的连接方式可简化为光滑球铰约束，并且该约束与主柱中心轴线重合，其并不为拉线塔提供绕主柱5中心轴心的扭转约束。提供扭转约束的仅有拉线4的抗扭刚度。由于主柱5的抗扭刚度远大于拉线系统的抗扭刚度，塔头对于主柱轴线的转动惯量较大，振动时拉线挂点到塔头横担之间的主柱变形也可能会对结果产生一定影响。因此，考虑主柱的扭转变形，可将拉线塔的扭振问题简化为如附图4所示的两自由度模型。根据附图4的简化模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种特高压单柱拉线塔扭振频率的两自由度计算方法，所述的单柱拉线塔包括主柱和横担，所述的主柱的中上部设有与地面连接的八组拉线，八组拉线组成拉线系统，主柱的底端与基础平面之间通过球形结构铰接，其特征在于包括如下计算步骤：（1）计算拉线系统的扭转刚度kg（1）其中：T为拉线系统所产生的扭矩，θ为主柱发生的扭转角；（2）当单柱拉线塔发生扭振时，主柱、塔头相对于主柱中心线的运动可近似看做刚体转动，拉线系统也会随之相应发生扭转变形，因此拉线塔的转动惯量分为两部分：拉线挂点以下主柱及拉线系统的转动惯量J1和拉线挂点以上主柱及塔头的转动惯量J2;a)拉线挂点以下主柱及拉线系统的转动惯量J1（2）其中，Jum为拉线挂点以下主柱的转动惯量，Jg为拉线系统对主柱中心线的转动惯量；（3）式中n1为拉线挂点以下主柱角钢的总数目，Mi为第i根角钢的质量，li为第i根角钢的长度，φi为第i根角钢与主柱中心轴心的夹角，di为第i根角钢中点到主柱中心轴心的距离；（4）ls为拉线挂点到主柱中心线的距离，m为单根拉线的质量；b)拉线挂点以上主柱及塔头的转动惯量J2（5）式中n2为拉线挂点以上拉线塔角钢的总数目，Mj为第j根角钢的质量，lj为第j根角钢的长度，φj为第j根角钢与主柱中心轴心的夹角，dj为第j根角钢中点到主柱中心轴心的距离；（3）计算主柱的扭转刚度km主柱为桁架结构，运用将桁架模型转换为薄板结构的思想，主柱截面为正方形时主柱的等效扭转刚度为（6）其中：l为正方形主柱截面的节间总长，G为材料的剪切模量，Aplate为薄板的截面积，Aplate=bte，te为薄板的厚度，b为主柱的宽度；（4）计算拉线塔的扭振频率ω考虑主柱的扭转变形，将拉线塔的扭振问题简化两自由度模型,根据振动力学通用运动方程，并忽略阻尼矩阵可得该两自由度系统振动的频率方程为（7）联立以上4个公式，即可解得特高压单柱拉线塔的第一阶扭振频率的表达式。...

【技术特征摘要】
1.一种特高压单柱拉线塔扭振频率的两自由度计算方法，所述的单柱拉线塔包括主柱和横担，所述的主柱的中上部设有与地面连接的八组拉线，八组拉线组成拉线系统，主柱的底端与基础平面之间通过球形结构铰接，其特征在于包括如下计算步骤：（1）计算拉线系统的扭转刚度kg（1）其中：T为拉线系统所产生的扭矩，θ为主柱发生的扭转角；（2）拉线塔的转动惯量分为两部分：拉线挂点以下主柱及拉线系统的转动惯量J1和拉线挂点以上主柱及塔头的转动惯量J2;a)拉线挂点以下主柱及拉线系统的转动惯量J1（2）其中，Jum为拉线挂点以下主柱的转动惯量，Jg为拉线系统对主柱中心线的转动惯量；（3）式中n1为拉线挂点以下主柱角钢的总数目，Mi为第i根角钢的质量，li为第i根角钢的长度，φi为第i根角钢与主柱中心轴心的夹角，di为第i根角钢中点到主柱中心轴心的距离；（4）ls为拉线挂点到主柱中心线的距离，m为单根拉线的质量；b)拉线挂点以上主柱及塔头的转动惯量J2（5）式中n2为拉线挂点以上拉线塔角钢的总数目，Mj为第j根角钢的质量，lj为第j根角钢的长度，φj为第j根角钢与主柱中心轴心的夹角，dj为第j根角钢中点到主柱中心轴心的距离；（3）计算主柱的扭转刚度km主柱为桁架结构，运用将桁架模型转换为薄板结构的思想，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文刚，王璋奇，朱伯文，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13