本发明涉输电线路工程设计领域，具体是一种输电塔气弹模型设计的计算方法。
背景技术：
随着国民经济的发展、科学技术的进步，电力的需求量越来越大，输电塔的建设和维护也成为输电工程中的越来越重要的环节，成为安全和稳定供电的保障。输电塔是一种柔性结构，在风载荷的作用下会产生较大的响应，塔架结构风效应问题机理十分复杂，在理论上尚无法完整地解决，所以往往通过实验的方法来研究风振响应。由于输电塔结构和工作条件的特殊性，对其采用现场试验研究的方法不易实现，通过气弹模型风洞实验测定输电塔结构的气动特性和风振动力响应视为目前较为经济和有效的研究手段，然而合理有效的输电塔气弹模型是获得可靠研究数据的重要基础。因此，非常有必要提出一种输电塔气弹模型设计计算方法，方便设计人员设计制作出精确的输电塔气弹模型。
技术实现要素：
本发明所要解决的问题是，为输电塔气弹模型的设计计算提供一套可靠的理论方法，弥补以往输电塔气弹模型设计计算过程中的漏洞。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种输电塔气弹模型设计计算方法，包括制作气弹模型几何缩尺比、刚度相似系数、质量相似系数以及相关无量纲参数的计算方法，以及影响气弹模型风致振动响应的风雨载荷缩尺比的计算方法。
在上述的一种输电塔气弹模型设计计算方法中，所述几何缩尺比计算方法为：考虑到原型塔的高度，风洞试验段截面尺寸以及模拟紊流边界层尺寸等要求，几何缩尺比为：
Cl＝1:n
采用模型与原型间的无量纲数Jensen数h/z0(结构物高度与粗糙长度的比值)保持一致来确定几何比，也就是说(h/z0)m＝(h/z0)p。
在上述的一种输电塔气弹模型设计计算方法中，所述刚度相似系数的计算方法为：
CEA＝1/n2m2
式中CEA为刚度相似系数；n为几何缩尺比；m为风速比。
刚度相似系数不但与几何缩尺比n有关系，还与风速比m有关系，因此模型设计时要先选定一个风速比。实际模型与原型之间的风速比由模型动力标定试验最终确定。确定的原则是由实际模型的实测频率计算实际的频率比Cf,然后由Cf＝n/m反算出最终的风速比m＝n/Cf。
在上述的一种输电塔气弹模型设计计算方法中，所述质量相似系数的计算方法为：
Cm＝1/n3
质量相似系数与几何缩尺比相关。
在上述的一种输电塔气弹模型设计计算方法中，所述相关无量纲参数的计算方法为弹性参数E/ρv2，惯性参数ρs/ρf，重力参数gD/v2，粘性参数ρDv/μ，阻尼比δ，Strouhal数fL/v，纵向紊流度σu/U，竖向紊流度σv/U，侧向紊流度σw/U，无量纲顺风向脉动风谱nSu/U2，无量纲竖向脉动风谱nSv/U2，无量纲侧向脉动风谱nSw/U2，雷诺数U/hv，密度比ρs/ρa，弗劳德数U2/hg，柯西数ρU2/E，阻尼比ε。
在上述的一种输电塔气弹模型设计计算方法中，所述影响气弹模型风致振动响应的风雨载荷缩尺比的计算方法：
影响计算气弹模型风致振动响应的风雨载荷缩尺比主要为风载荷体型系数μs和阵风响应因子Gt，影响参数因子计算方法如下：
首先，体轴上Cx和Cy的力系数定义如下：
式中，i＝x或y，为体轴坐标系的两个主方向；Fi和Ci分别为i向气动力及其对应的气动力系数；U为参考的来流风速；ρ为空气密度；S为参考面积，取0°风向角时的模型迎风面积。在获得了体轴的风荷载力系数后，很容易按照三角投影方法确定来流方向的阻力系数CD，即为风载荷体型系数μs：
μs＝CD＝Cxcosβ-Cysinβ
式中，β为试验的风向角。
输电塔静力等效风载荷的阵风响应因子为Gt：
以上式中，g为峰值因子，一般取3.5～5.5；ε为折减系数，反映了输电塔与导线间随机风振响应的不完全相关性，或者说塔的响应与导线响应峰值并非同时达到极值，建议取0.75；为输电塔自身风振响应的背景响应因子；为输电塔自身风振响应的共振响应因子。
本发明的优点在于：
本发明提供了一种输电塔气弹模型设计的计算方法，为输电塔气弹模型设计制作提供了理论依据，完善了输电塔气弹模型设计步骤和过程，解决了以往输电塔气弹模型设计过程中基本缩尺率和相关参数计算不明的问题。
具体实施方式
下面通过结合实施例对本发明作进一步具体的说明。
本发明提供一种输电塔气弹模型设计计算方法，包括制作气弹模型几何缩尺比、刚度相似系数、质量相似系数以及相关无量纲参数的计算方法，以及影响气弹模型风致振动响应的风雨载荷缩尺比的计算方法。
步骤一：计算几何缩尺比：考虑到原型塔的高度，风洞试验段截面尺寸以及模拟紊流边界层尺寸等要求，几何缩尺比为：
Cl＝1:n
采用模型与原型间的无量纲数Jensen数h/z0(结构物高度与粗糙长度的比值)保持一致来确定几何比，也就是说(h/z0)m＝(h/z0)p。
步骤二：满足刚度相似比要求，刚度相似系数的计算方法为：
CEA＝1/n2m2
式中CEA为刚度相似系数；n为几何缩尺比；m为风速比。
刚度相似系数不但与几何缩尺比n有关系，还与风速比m有关系，因此模型设计时要先选定一个风速比。实际模型与原型之间的风速比由模型动力标定试验最终确定。确定的原则是由实际模型的实测频率计算实际的频率比Cf,然后由Cf＝n/m反算出最终的风速比m＝n/Cf。
步骤三：满足质量相似要求，质量相似系数Cm与几何缩尺比相关：
Cm＝1/n3
最后，考虑相关无量纲参数弹性参数E/ρv2，惯性参数ρs/ρf，重力参数gD/v2，粘性参数ρDv/μ，阻尼比δ，Strouhal数fL/v，纵向紊流度σu/U，竖向紊流度σv/U，侧向紊流度σw/U，无量纲顺风向脉动风谱nSu/U2，无量纲竖向脉动风谱nSv/U2，无量纲侧向脉动风谱nSw/U2，雷诺数U/hv，密度比ρs/ρa，弗劳德数U2/hg，柯西数ρU2/E，阻尼比ε。
步骤四：影响计算气弹模型风致振动响应的风雨载荷缩尺比主要为风载荷体型系数μs和阵风响应因子Gt，影响参数因子计算方法如下：
首先，体轴上Cx和Cy的力系数定义如下：
式中，i＝x或y，为体轴坐标系的两个主方向；Fi和Ci分别为i向气动力及其对应的气动力系数；U为参考的来流风速；ρ为空气密度；S为参考面积，取0°风向角时的模型迎风面积。在获得了体轴的风荷载力系数后，很容易按照三角投影方法确定来流方向的阻力系数CD，即为风载荷体型系数μs：
μs＝CD＝Cxcosβ-Cysinβ
式中，β为试验的风向角。
输电塔静力等效风载荷的阵风响应因子为Gt：
以上式中，g为峰值因子，一般取3.5～5.5；ε为折减系数，反映了输电塔与导线间随机风振响应的不完全相关性，或者说塔的响应与导线响应峰值并非同时达到极值，建议取0.75；为输电塔自身风振响应的背景响应因子；为输电塔自身风振响应的共振响应因子。
以上所述的具体实施例，对本发明的技术方案进行了进一步详细的说明，并不限制本发明，其他的任何在未脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。