陈森1，芦佳敏1，翁兰溪2，陈伏彬1
1.长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙，410114
2.中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建 福州，350003
摘 要：本文基于台风实测结果采用谐波合成法模拟出高湍流台风流场，将模拟的节点风荷载施加于有限元模型并进行时域分析，获得了输电塔结构加速度响应与风振系数。计算结果表明：谐波合成法能较好的模拟出高湍流的台风风场；有限元分析结果与规范值吻合较好。
关键词： 谐波合成法；时域分析；台风风场；输电塔；风致响应
中图分类号：TU375.4 文献标识码：A
Wind-induced response analysis of transmission tower under typhoon condition based on wawe superposition method
CHEN Sen1, CHEN Fu-bin1, LU Jiamin1, WENG Lan-xi2
(1.School of Civil Engineering, Changsha University of Science &Technology, Changsha410114,China ;
2.Power China Fujian Electric Power Engineering Co., Ltd., Fuzhou 350003,China)
Abstract: the wave superposition method is used to simulate the high turbulence typhoon wind field, based on the measured results of typhoon. The simulated node wind load is added to the finite element model （FEM） and the time domain analysis is carried out to obtain the acceleration response and wind vibration coefficient of transmission tower structure. The results show that the wave superposition method can simulate the typhoon wind field with high turbulence; the finite element analysis results are in good agreement with the standard values.
Key words：wave superposition method; time domain analysis; typhoon wind field; transmission tower; wind-induced response
1引言
近年来，我国东南沿海一带经常遭受台风侵袭，输电塔属于柔性的高耸结构，风敏感性很强，在台风的影响下非常容易发生倒塌破坏。由于现行规范并没有明确给出输电塔在对抗台风方面的技术章程，因此研究台风作用下输电塔的风致响应具有重要的理论意义与工程应用价值。输电塔的抗风研究发展至今，已经积累了大量的实测数据和试验结果，随着计算机技术的不断进步，目前对输电塔风致响应的研究多集中于数值模拟方面。AN等人[1]利用已有风速谱对台风荷载进行数值模拟取得了较好的效果；钟维军等人[2]采用台风信息全路径模拟法，对台风风场作了还原式的模拟，得出与实际工程情况更为贴合的研究成果，为结构对抗台风设计再添点睛之笔。本文采用谐波合成法对高湍流的台风风场进行模拟，运用ANSYS对输电塔结构进行风致响应时域分析，并将时域分析结果与现行规范理论值进行对比和分析，为高压输电塔在实际的工程应用中提供依据和参考。
2 谐波合成法（WAWS）原理
谐波合成法的内涵是在三角级数之和的基础上，将离散随机过程逼近于目标随机的过程的方法。运用改种方法模拟出来的脉动风荷载精度较高且无条件稳定[26]。设均值为零高斯随过程谱密度矩阵为：
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式中，表示频率增量，表示0到内均匀分布的随机相位角，N表示采样点数目，可取为充分大；分别表示截止频率上限和下限。
3 工程算例
3.1台风风场模拟参数简介
本算例采用谐波合成法对台风风速时程进行数值模拟，模拟参数如下：地面粗糙度类别为B类，粗糙度系数k=0.003，参考高度取30m，参考风速取为37.8309m/s，采样时间间隔，采样时长为300s。为方便脉动风速时程的生成以及脉动风荷载的施加，结合本例输电塔的几何特征，以5米为间距，由下往上一共分成11段。
输电塔示意图如图1所示，并给出了30m高度处脉动风速时程模拟结果（见图2）。将模拟风速谱与Davenport目标谱进行对比可以看出吻合程度较高（见图3），说明脉动风速时程的模拟结果是合理的。
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通过谐波合成法理论有效地模拟出输电塔结构塔身各节点脉动风速时程，基于准定常假定，节点处的脉动风荷可通过（2.3）式计算：
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式中，表示脉动风荷载；为空气密度，取；A表示迎风面积；为体型系数。通过参考《DLT 5154-2012 架空输电线路杆塔结构设计技术规定》[3]，将输电塔的体型系数统一取为1.6。U(z)为脉动风速时程，参考点高度取为30m，台风风场分别取下列五组工况：19.6427m/s、25.6841m/s、32.1403m/s、37.8309m/s、44.1466m/s。为了能更准确模拟出高压输电塔在现实环境中受台风荷载的影响状况，将其沿高度方向进行分段，在每个区段内，节点脉动风荷载施加方式根据模拟脉动风荷载的高度与结点高度最近原则进行施加。
3.2数值计算加速度响应结果
选用ANSYS中的瞬态动力学模块对输电塔模型在五种风速工况下的加速度响应情况进行分析和计算，阻尼比取为2%。计算结果表明，加速度响应对风速较为敏感，当风速较低时，结构加速度较小，而当风速大于32m/s时随着风速的增加，加速度响应出现陡增的情况。
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由表1可以看出，风振系数的最大值为1.953。其中，《建筑结构荷载规范》[4]计算得到的风振系数结果偏大，而《高耸结构设计规范》[5]计算得到的振系数结果偏小。在输电塔结构的顶部，时域分析结果与建筑结构荷载规范的计算结果较为接近。在输电塔的中部和下部，规范求得的风振系数值随高度下降是呈现显著下降趋势的，相对时域分析而言是偏小的，这将导致结构风荷载的脉动作用被低估。
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4 结论：
本文采用谐波合成法对高湍流台风风场进行数值模拟，利用ANSYS瞬态动力学模块对输电塔结构计算了结构在不同风速下的加速度响应，并以此为基础计算其响应的风振系数。主要结论如下：
(1)利用谐波合成法对台风风场进行数值模拟，模拟的风速谱与Davenport谱吻合度良好。
(2)数值计算得到的风振系数在结构顶部取到最大值，为1.953，与规范值较为接近；在结构的中下部分，由规范计算得到的风振系数值均小于数值计算得到的风振系数值。
(3)台风作用提高输电塔风致效应，在抗台风设计时应充分考虑这种动力放大作用。
参考文献：
[1]Liqiang An,Jiong Wu,Zhiqiang Zhang,Ronglun Zhang. Failure analysis of a lattice transmission tower collapse due to the super typhoon Rammasun in July 2014 in Hainan Province, China[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics,2018,182.
[2]钟维军,徐海巍,楼文娟,马益平,郭高鹏.台风风场下近海高压输电结构的风振分析[J].空间结构,2020,26(04):91-96+90.
ZHONG Wei-jun, XU Hai-wei, LOU Wen-juan, MA Yi-ping, GUO Gao-peng. Wind-induced response estimation of offshore high voltage transmission structures under typhoon wind field[J]. Spatial Structures, 2020,26(04):91-96+90.
[3]DL/T 5154-2012, 架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S]. 北京：中国计划出版社，2012:18-21.
DL/T 5154-2012, Technical code for the design of tower and pole structures of overhead transmission line[S]. Beijing: China Planning Press,2012:18-21.
[4]GB 50009-2012 建筑结构荷载规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012:220-221.
GB 50009-2012 Load code for the design of building structures[S]. Beijing: China Architecture & Building Press,2012:220-221.
[5]GB 50135-2006，高耸结构设计及规范[S]，北京：中国计划出版社，2006:136-142.
GB 50135-2006，Code for design of high-rising structures[S]. Beijing: China Planning Press,2006:136-142.
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51778072）
通讯作者：陈伏彬（1981-），男，长沙理工大学副教授，主要从事大型建筑、高耸结构抗风方面的研究。E-mail: fbchen88@126.com