一种运动雷暴风作用下输电塔线体系的风荷载测试装置及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于输电塔线体系的抗风设计领域，涉及一种可用于测试运动雷暴风作用 下输电塔线体系的风荷载装置及测试方法，具体涉及一种可用于变参数运动雷暴风模拟的 试验装置和相应的塔线体系风荷载测试装置的开发技术及相关的测试方法。
【背景技术】
[0002] 随着电网规模的不断扩大，从经济和社会效益出发，输电线路的电压等级和输电 距离逐渐提高，通过复杂地形及恶劣气候条件地区的概率随之增大。输电塔线体系的柔度 大、阻尼小，属于典型的风荷载敏感结构，近年来，强风导致的输电塔倒塌和线路风偏跳闸 事故的发生频率呈上升趋势。据统计，澳大利亚、美国和南非等国家发生的80%以上的风 致倒塔事故主要是由雷暴风作用产生的。而从事故现场的勘测资料以及事故期间的气象报 告来看，雷暴风极可能是部分倒塔事故和风偏闪络事故的诱因之一。因此，在进行雷暴多发 地区或风致事故高发区域的塔线设计时，有必要开展雷暴风作用下的塔线体系风致响应验 算。
[0003] 目前国内外关于雷暴风的研究多集中于静态雷暴风的风场结构、风场剖面模型以 及雷暴风作用下各类输电塔的风荷载分布特征、风致响应和破坏机理的研究，对于运动雷 暴风的风场模拟、运动雷暴风作用下塔线耦联体系的风致响应以及输电线路风偏响应的研 究则较少涉及。在这个计算过程中，运动雷暴风作用下各基输电塔和各跨导线的风荷载的 合理取值是主要的难点。现有的研究中，运动雷暴风荷载多从模拟瞬态风场出发，结合准定 常假设，根据风压的计算计算公式直接求得，其中体型系数多采用边界层风场下的取值，计 算结果对风场模型的依赖性较大，同时，体型系数的准确性也有待商榷。因此，本发明结合 可移动的射流装置，通过高频天平测力试验，可直接获取运动雷暴风作用下，各基输电塔和 各跨导线的瞬时平均风荷载。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种运动雷暴风作用下输电 塔线体系的风荷载测试装置及测试方法，它较好地解决了当前塔线设计规范中并未涉及包 括运动雷暴风风场在内的极端风作用下塔线风荷载取值方式的问题，提高了输电塔线体系 的安全性和供电可靠性。
[0005] 本发明所采用的技术方案通过以下步骤来实现，一种运动雷暴风作用下输电塔线 体系的风荷载测试装置，它包括一射流装置，所述的射流装置由风机段、扩散段、稳定段和 可改变出口口径的收缩段依次相接组成，所述的射流装置配置有一可调节射流高度的升降 机构和通过变频器进行电机转速远程控制的驱动机构，所述的驱动机构可将安置在滑轨上 射流装置以指定的速度沿滑轨移动，所述射流装置与升降机构和驱动机构一起构成了可调 节射流高度的非稳态雷暴风风场模拟装置，所述的非稳态雷暴风风场模拟装置与输电塔 刚性测压模型结合分别组成了塔身截断模型的单天平测力试验和塔线体系的多天平测力 试验。
[0006]作为优选：所述的升降机构包括一可将光滑钢板升至指定高度的油压千斤顶，所 述光滑钢板配置有在升至指定高度后塞入垫高的垫块；所述的驱动机构包括一在转轴上配 置有计数器的电机，一对电机转速进行远程控制的变频器，其中变频器配备了可实时显示 射流装置移动速度的液晶显示屏。
[0007]-种利用所述风荷载测试装置进行运动雷暴风作用下输电塔线体系的风荷载测 试方法，所述的测试方法包括如下步骤：
[0008] 步骤一：对射流装置进行改装，增加了升降装置以实现射流高度的快速调节，可用 于生成变参数的静态雷暴风风场；
[0009]步骤二：在改装后的射流装置上配备有主要由驱动电机、变频器和移动轨道构成 的驱动机构，可控制射流装置以指定的速度沿着滑轨移动，形成运动的雷暴风风场；
[0010] 步骤三：根据试验条件确定试验的缩尺比，设计并制作输电塔线体系的刚性测压 丰旲型；
[0011] 步骤四：采用多个高频天平对塔线体系模型同步进行测力试验，测得塔线体系承 受的整体雷暴风荷载时程，并通过塔身截断模型的单天平测力试验测定输电塔各个部位的 瞬时风荷载；
[0012] 步骤五：根据步骤四测得的风力时程，采用经验模态分解法，提取风荷载中的平均 分量，根据试验的缩尺比，进一步计算得出原型的各基输电塔沿高度方向的瞬时平均风荷 载的分布形式和各跨导线承受的瞬时平均风荷载。
[0013]作为优选：本发明所述的测试方法中：
[0014]步骤三的具体内容是：根据射流装置收缩段的射流直径与拟模拟的雷暴风的水平 尺度变化范围的比例，可确定试验的长度缩尺比PP其中拟模拟的雷暴风的射流直径Dj^ 宜根据实际的观测结果在适当范围内进行选取；随后，根据已经确定的长度缩尺比，完成塔 线体系刚性测压模型的设计和制作工作；同时，可由实际设计高度Zdf获取对应的射流风 洞内的高度Zdni，选取特定的射流风速V#和射流装置的移动速度V"，则试验的速度缩尺比
实际的设计风速；
[0015] 步骤四的具体内容是：根据雷暴风的风场空间分布特征，风场内某一点的风速大 小和该点与射流中心的距离r密切相关；运动雷暴风风场中，由于射流中心的运动，r处于 动态变化中，即r=r(t);对于输电线路而言，r(t)的形式直接由输电线路的走向和运动 路径的相对关系决定；因此，试验工况的确定除了与风场参数（包括Dm、V_和射流高度H) 相关以外，还直接受输电线路的走向和运动路径的相对关系所影响；
[0016]定义输电塔的横担方向和垂直横担方向分别为体轴的X向和y向，在进行塔线体 系多天平同步测力试验的过程中，确定塔线体系的走向与运动路径的相对关系时，只需设 定线路跨中的输电塔质心所在的位置与运动路径的垂距e和输电塔体轴X向与运动路径的 夹角P，则其余各塔和导线的位置坐标可由导线的跨度和杆塔的结构类型相应得到；
[0017]所述步骤五的具体内容是：经验模态分解法采用了自适应的广义基，在筛选信号 的过程中通过逐次提取高频项，依次分解出信号中的低频和较低频的信息，可实现不同频 段信号的有效分离；此处采用该方法可有效地提取测力天平试验数据的平均分量，分别记 为.户二〇,('）、和.，:具体为D.jet= 0? 6m，V.jet= 11. 7m/s，H= 2D.jet，e= 0，0 =O 时，从单个测力天平测得的单塔全塔模型Ml和截断模型M5的试验结果提取得到的瞬态平 均风荷载；根据一定的转换方法，可换算得到各基输电塔沿高度方向各部位的风荷载分布 和各跨导线承受的整体风荷载。
[0018] 作为优选：本发明所述的测试方法中：
[0019] 所述的步骤四中，合理设置试验工况，分别进行测力试验，将各个测力天平测得的 三分力分别投影到输电塔的体轴方向，分别记为拉-?切、CU⑴和匕,(〇，其中，上标n表 示试验工况，由〇_、￥_、11、6和P确定；下标i表示截断模型编号，截断模型的数量由铁塔 高度和铁塔构型所决定，若为全塔试验，则i= 〇 ;〇表示试验类型为测量单塔全塔或截断模 型的单天平测力试验，M为测量塔线体系的多天平测力试验；j为塔线体系中的铁塔编号；
[0020] 所述的步骤五中，以三塔为例将三塔分别记为Tl、T2和T3,两线分别记为Ll和 L2,按顺序分别进行塔线体系的多天平同步测力试验，各塔的单塔全塔测力试验和截断模 型测力试验，并提取平均分量，则第j基输电塔的全塔荷载为W和^，塔 身部位Sni在不同工况下的X向荷载大小可由下式获得，同理可得y向荷载和扭矩：
[0021] 、0〇 =巧广印(')-巧-〇,⑴，其中!L1=m-1，i2=m，m= 1，2, 3, 4
[0022] Fv-S)t、= Fx4-〇i{/、
[0023] 第k跨的导线承受的垂直导线方向的风荷载为：
[0028] 作为优选：本发明所述的测试方法中：
[0029] 所述的步骤四中，采用高频天平进行测力试验的过程中，通过搭建一道混凝土墙 和数个可移动的混凝土支座为高频测力天平提供了刚性支撑，以降低天平采样过程中的 信噪比；
[0030] 混凝土墙上设置了滑板和滑轨，使得高频天平可以沿墙体移动，同时通过改变可 移动的混凝土支座的位置和模型的摆放方向，可考虑输电线路的走向和射流装置移动路径 的相对关系；
[0031] 由于