朱德敦 李守录 孔凡功 夏叶飞 俞琪琦 潘海洋

(1.山东送变电工程公司，山东 济南 250022； 2.上海史狄尔建筑减震科技有限公司，上海 200092； 3.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061)



输电塔体型系数研究

朱德敦1李守录1孔凡功1夏叶飞1俞琪琦2潘海洋3*

(1.山东送变电工程公司，山东 济南 250022； 2.上海史狄尔建筑减震科技有限公司，上海 200092； 3.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061)

依据某工程的实际情况，建立了输电塔有限元模型，通过ANSYS中的CFD模块计算了输电塔在0°,45°和90°风向角下的体型系数，并与规范中的体型系数作了对比，结果表明：规范给出的体型系数值比数值模拟偏小，规范中钢管塔体型系数的计算方法有待改进。

输电塔，有限元模型，体型系数

0 引言

随着国民经济的飞速发展，我国对电力能源的需求持续增长，电力系统在国民经济建设中的地位越来越重要。输电塔作为电力输送的载体，是重要的生命线工程。近年来，输电塔—线体系正朝着高塔体，大跨度方向发展，结构变得越来越复杂，这使得其更易在风荷载的作用下遭受破坏。

目前输电塔—线体系的主要设计荷载为风荷载，在现行的DL/T 5254—2010架空输电线路钢管塔设计技术规定[1]以及GB 50009—2012建筑结构荷载规范[2]中，风荷载仍然作为一种静力荷载作用于输电塔。输电塔整体体型不规则，规范中对钢管塔体型系数的规定也比较简单，这与实际情况不符。因此，开展输电塔的体型系数研究具有重大的理论和工程实际意义。

1 输电塔介绍

本文以某220 kV大跨越输电塔为工程背景，大跨越输电塔—线体系示意如图1所示。输电塔主体结构的总高为122 m(呼称高度102 m)，基础为矩形(长25 m，宽23.6 m)，由主材、斜材和辅材等构件组成，其中主材采用Q345钢材，其他类型杆件主要采用Q235钢材。

2 体型系数

风载体型系数：建筑物表面受到的风压与大气中气流风压之比，描述的是建筑物表面的稳定风压作用下的静态压力的分布规律，主要与建筑物的“体形”和尺度有关，也跟周围的环境和地面粗糙度有关。本节结合研究现状以及输电塔的结构特性，通过ANSYS软件中的CFD模块模拟计算了输电塔的体型系数，并与规范计算的体型系数进行了对比分析。

由于输电塔结构形式的复杂性，本文对输电塔进行了分段处理，如图2所示。数值风洞模拟过程为：1)建模，根据输电塔的几何尺寸建立物理模型。文献[3]认为迎风面与风洞入口距离应大于4倍～5倍建筑物高度，背风面与风洞出口应大于9倍～10倍的建筑物高度，风洞宽度应为10倍～20倍的建筑物高度，建筑物顶面与风洞顶面的距离应大于4倍的建筑物高度。2)划分网格，选择合理的网格形式，并检查网格质量。3)选择所需湍流模型以及合理的计算方法。4)确定边界条件：进流面、出流面、流域顶部和两侧以及结构表面和地面。5)根据求解精度的需要，设置收敛标准，并进行求解计算。6)检查并保存结果，对结果进行后处理。

结合风洞试验研究现状，本文建立了刚性原型模型。风洞试验结果表明，体型系数与风速大小无明显关系[4]。文献[5]对多个紊流度下的输电塔架所受的平均风力进行了对比，结果表明，紊流度对平均风力的影响较小。因此，本文通过风速均取为30 m/s，湍流度均取为10%对进流面的参数做了设置。水力直径为与进流面等面积的圆截面直径。本文根据实际工程将出流面设置为完全发展出流。流域顶部及两侧采用对称边界条件，地面采用无滑移的壁面。本文主要采用标准k—ε湍流模型，采用SIMPLE算法计算压力—速度耦合，在离散选项中，均采用一阶离散格式。

经过计算，得到了各分段模型在3个风向角(0°,45°,90°)下承受的平均风荷载如表1所示。根据体型系数的定义，可通过下式计算体型系数：

(1)

其中，Cx和Cy分别为顺风向的体型系数和横风向的体型系数；ρ为空气密度，取1.225；v为风速；A为挡风面积；Fx和Fy分别为顺风向的平均风力和横风向的平均风力。

表1 不同风攻角下的平均风荷载 N

考虑到表1中输电塔受到横风向的平均风力远小于顺风向，故本文仅针对顺风向的体型系数进行了计算，并将计算的结果与现行规范进行了对比。根据现行规范和实际工程中输电塔的尺寸，最终确定圆钢塔架整体折减系数为0.75。表2和图3给出了3个风向角下的体型系数与0°和90°风向角下数值模拟值与规范值对比曲线。

表2 不同风向角下体型系数

由图3可以看出，除第5段以外，CFD计算结果都要比规范计算的结果大，其中根据《建筑结构荷载规范》[2]计算得到的体型系数最小。第1段和第2段的数据显示，CFD模拟得到的结果比规范计算得到的体型系数大得多；第3段,4段,6段,7段的数据显示，CFD模拟得到的结果比规范计算得到的体型系数偏大；第5段的数据显示，CFD模拟得到的结果与规范计算得到的体型系数接近，比规范计算得到的体型系数偏小。综上所述，规范中钢管塔体型系数的计算方法有待改进。

3 结语

本文依据实际工程，建立了输电塔三维有限元模型，通过ANSYS中的CFD模块模拟计算了体型系数，并与规范中的体型系数对比分析。研究结果表明：规范值比数值模拟值整体偏小，规范中钢管塔体型系数的计算方法需要进一步探究与修正。

[1] DL/T 5254—2010,架空输电线路钢管塔设计技术规定[S].

[2] GB 50009—2012,建筑结构荷载规范[S].

[3] 任月明.风雨激励下输电塔线体系的动力响应分析[D].大连:大连理工大学,2007.

[4] 郑本有.基于ANSYS的数值风洞模拟初探[D].北京:北京交通大学,2008.

[5] 郑远海.输电塔平均风荷载及响应分析[D].上海:同济大学,2008.

(1.ShandongPowerTransmissionandSubstationEngineeringCompany,Jinan250022,China;

2.ShanghaiShidierBuildingDampingTechnologyLimitedCompany,Shanghai200092,China;

3.CivilEngineeringandWaterConservationCollege,ShandongUniversity,Jinan250061,China)

Research on transmission tower shape coefficient

Zhu Dedun1Li Shoulu1Kong Fangong1Xia Yefei1Yu Qiqi2Pan Haiyang3*

According to the actual situation of an engineering, this paper established the transmission tower finite element model, through the CFD module in ANSYS calculated the shape coefficient of transmission tower in 0 degrees, 45 degree and 90 degree wind angle, and compared with the shape coefficient in standard, the results showed that: the shape coefficient of standard gave smaller than numerical simulation, the calculation method of steel tower shape coefficient in standard should be improved.

transmission tower, finite element model, shape coefficient

1009-6825(2017)11-0051-02

2017-02-10

朱德敦(1970- )，男

潘海洋(1992- )，男，在读硕士

TM754

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