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来源：吕洪坤，刘孟龙，池伟，等. 输电塔风致响应数值模拟研究进展[J]. 钢结构(中英文), 2020, 35(4):1-10.DOI:10.13206/j.gjgS20051202
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引 言
输电塔是输电线路中重要的承重设施，主要由钢构件搭建而成，相较于钢管杆等其他输电承重设施，其在经济性方面有着明显的优势。输电塔的结构安全性直接关系到国家电网和输电线路的正常运行。但输电塔轻质、高柔的特性，使得其在面对台风等超过设计标准的大风时，结构会发生较大的响应，部分构件出现比较大的变形甚至断裂，这是许多输电塔倒塌的直接诱因（图1）。
图1 输电塔倒塌事故
随着输电线路规模的日益扩大，对输电塔的要求逐渐向大跨越、高塔身、高电压等级的方向发展。因此，研究输电塔风致响应特征，对确保电网安全可靠运行具有重要的工程意义，也有助于提高输电铁塔的设计理论水平。目前针对输电塔风致响应主要通过现场实测、风洞试验和数值模拟等方法进行研究。数值模拟作为实测分析和风洞试验的重要补充和对照，在速度、便捷性、经济性方面有着明显的优势。针对输电塔风致响应特征的数值模拟分析取得了大量研究成果。建立输电塔的风荷载模型和结构模型，以有限元方法分析结构动力响应特征和研究对应的风振控制方法。因此从风荷载模型、结构模型、动力响应特征和风振控制研究等方面总结输电塔风致响应数值模拟研究进展。
风荷载模型
近地面风场的平均风和脉动风模型是构建结构风荷载的基础。目前输电塔风致响应数值模拟研究中，对近地面平均风主要采用指数型和对数型两种风速剖面模型。我国土木工程设计和计算中，一般采用简单的指数型平均风速剖面。
式中：v为计算高度处风速；v10为标准高度处的风速；z为计算高度；α为剖面指数。这些参数的取值主要通过当地的地貌情况进行确定。
输电塔风场的脉动风特征主要通过湍流强度和脉动风速功率谱进行描述。我国规范使用类似平均风剖面的指数分布模型，即：
式中：I为计算高度处湍流强度；I10为标准高度处湍流强度；z为计算高度；α为剖面指数。
除了根据湍流强度设定边界条件，更多的数值模拟研究工作，主要依靠脉动风速谱模拟脉动风速时程。目前脉动风模拟研究中常用的脉动风速功率谱有Davenport风谱、Kaimal风谱、Harris风谱、Von-Karman风谱、Simiu风谱等。Davenport风谱的湍流积分长度不随高度变化，具有简单易用的特点，因而在工程和研究中得到了最广泛的应用（图2）。
图2 利用Davenport风谱模拟脉动风
在不同极端气象条件下，风场表现出不同于良态风的风场特征，对应的平均风和脉动风模型需要进一步根据实际情况研究。构建输电塔结构风荷载不仅需要风场数据，也需要研究输电塔风荷载相关的结构参数，尤其需要考虑塔体结构整体挡风效应以及塔体构件之间的遮挡效应，可通过流场模拟进行分析研究。
结构模型
对输电塔塔体结构建立有限元模型时，通常可将之视为完全由杆铰接的桁架结构、完全由梁刚接的刚架结构以及桁梁混合结构，而利用桁架结构进行模拟的误差较大。近年来，基于向量力学与数值计算提出的向量式有限元方法开始应用于输电塔风致响应的分析，其模拟结果的可靠性得到了验证，而且输电塔向量式有限元模型相比传统有限元模型对输电塔倒塌问题的分析更加有利。
输电塔所承受的荷载除了风荷载等外部环境荷载外，还应考虑输电线对塔体结构作用带来的影响，已有实测研究表明输电导线和塔体的耦合作用会直接影响到塔体的风振频率，相关风洞试验结果也发现风致位移和加速度响应因塔线耦合效应而变化。因此需建立塔线耦合体系对实际输电线路中塔体结构特征进行模拟，塔线耦合体系模型见图3。在构建塔线体系有限元模型过程中，可结合悬链线理论和导线水平张力对导线进行建模和找形。
图3 塔线耦合体系模型
动力响应特征
基于风荷载模型和结构模型可进行塔体风致响应分析，结构动力特征会对风致响应产生重要的影响，其中导线对塔体的作用使得整体体系的结构动力特征更加复杂。对于不同来流风向条件下输电塔的风荷载，我国相关规范有对应的计算系数和分配系数，而在塔线耦合体系中，风向对塔体结构风致响应的影响更显著。
风致振动控制研究
根据是否需要外界能量输入，结构风振控制分为主动控制、被动控制和混合控制。迄今为止，被动控制中的调谐质量阻尼器仍然是输电塔风振控制的主要方法（图4），其中阻尼器的自振频率应与塔体自振频率保持一致，风振控制效果才能达到最佳。
图4 结构-TMD系统
Hartog提出了调谐质量阻尼器优化参数的公式，通过调整TMD的质量、阻尼和自振频率完成其风振控制效果的优化。
式中：u为阻尼器与输电塔结构的质量比；αopt为优化后阻尼器与输电塔结构自振频率比；ξopt为优化后阻尼器的阻尼比。
但是由于塔线耦合作用为整体结构带来的非线性特征，对塔线体系进行风振控制的优化研究需要考虑的因素更为复杂，对不同质量比、不同转角方向塔线系统风振控制的优化有待进一步研究，而对输电塔上控制器布置方案的优化也是另一个重要的研究方向。
结束语
输电塔风致响应的数值模拟研究工作，取得了重要的研究进展，得到了不少对实际工程有参考价值、对后续工作有指导意义的研究结论。但是当前的数值模拟大都简化了实际工程问题，仍需要开展进一步的研究工作。
1）在风荷载方面，目前相关研究使用的风荷载模型反映了平均风和脉动风特征，但是通常仅考虑风速竖直方向的空间相关性，而忽略了横向特征明显的结构，如长横担对风速水平向空间相关性的影响。在各种极端天气条件下，风荷载模型需要进行调整以适应实际情况，进一步研究特殊天气风场特征以及对应条件下风致倒塔机理对输电线路防风有着重要的意义。
2）在结构模型方面，输电塔线有限元模型直接影响风致响应分析的结果。需要对现有的有限元建模方法进行改进，建立能够反映实际输电塔线结构特征的有限元模型，将更多实际输电线路中的工程问题在有限元模型中进行考虑。
3）在动力响应特征方面，目前对于不同风向条件下风致响应研究仅针对特定的塔线体系，缺乏深入探究线路中导线档距、导线转角的影响，其研究结论对实际输电工程的参考价值有限。此外，在脉动风场作用下输电塔塔体的扭转向和沿线向动力响应特征，也有待进一步的深入研究。
4）在风致振动控制研究方面，目前对输电塔风致响应控制研究工作主要集中在被动控制方法，特别是对调谐质量阻尼器(TMD)的研究，而针对调谐质量阻尼器的设计参数和布置方法的优化研究较少，这是未来重要的研究方向。
全文下载链接
1.http://gjg.ic-mag.com/cn/article/2020/4（注册登录可免费获取）
2.https://navi.cnki.net/knavi/JournalDetail?pcode=CJFD&pykm=GJIG
3.http://cstm.cnki.net/stmt/TitleBrowse/KnowledgeNet/GJIG202004001?db=STMJTEMP
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融媒体编辑：慕婷婷
责任编编：刘春
关于期刊
中冶建筑研究总院有限公司和中国钢结构协会联合主办、《工业建筑》杂志社有限公司编辑出版的中文科技期刊《钢结构》（Steel Construction），于1986年创刊，2019年为促进国际学术交流，并兼顾对内传播，满足国内外读者需要，经国家新闻出版署批准，期刊文种变更为中英文双语出版，同时更名为《钢结构（中英文）》（Steel Construction）/ISSN 2096-6865/CN 10-1609/TF，自2020年1月全面改版发行。
期刊报道方向包括：高性能钢材，空间钢结构，高层钢结构，预应力钢结构，钢-混凝土组合结构，轻型钢结构，住宅钢结构，桥梁钢结构，特种钢结构及装配式钢结构建筑等。今后将持续关注国际学术热点，深入思考未来发展方向，报导具有高学术水平和应用价值的科研成果。
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