下擊暴流作用下輸電塔體系的風振響應與優化設計研究進展

朱曉虎，胡 晨，周方圓，王靜峰，胡培芳，劉 用

(1.國網安徽眾興電力設計有限公司，安徽 合肥 230031； 2.國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院，安徽 合肥 230031；3.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009； 4.先進鋼結構技術與產業化協同創新中心，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著中國經濟快速增長，人們對電力能源的需求量大幅度增長。為滿足用電需求、完善電網配置，近年來大量建設了超高壓輸電塔-線體系。輸電塔體系作為近地面柔性結構的典型代表對極端強風非常敏感，在極端強風作用下輸電塔結構容易發生桿件局部破壞、塔頭損壞甚至塔體倒塌破壞等，導致線路故障且修復困難。

下擊暴流作為極端強風的一種，是由強下沉氣流猛烈沖擊地面形成的近地面短時破壞性強風[1],具有突發性強、范圍小、生命周期短、出流強度大等特點。下擊暴流極端強風災害，可導致房屋破壞、輸電塔及通信塔倒塌等(圖1)，造成巨大的經濟損失，嚴重影響人們的生產生活。其中，輸電塔結構由于具有結構高、柔性強和阻尼小等特點，在下擊暴流作用下風振響應顯著，風致災害尤為嚴重。

為此，本文從下擊暴流風場特性的角度出發，介紹了其風速特征及理論與數值分析方法，概括總結了在下擊暴流作用下輸電塔體系的風振響應，分析了輸電塔優化設計的技術手段,旨在為下擊暴流強風作用下輸電塔性能研究提供參考依據。

圖1 下擊暴流風災現場

1 下擊暴流風場特性

隨著下擊暴流造成的強風災害逐漸被人們重視，一系列關于下擊暴流的實測研究、物理試驗、數值模擬及解析模型紛紛開展起來，全方位地探究下擊暴流的風場特征，為建筑結構[2]、輸電塔體系[3]和橋梁結構[4]等工程結構的抗下擊暴流分析奠定了基礎。

伊利諾伊州北部強降水氣象研究[5](Northern Illinois Meteorological Research on Downbursts,NIMROD)是國際上第一個觀測下擊暴流的現場實測科研項目。該項目雖未成功獲得尺度小、生命周期短的微下擊暴流的動力特征，但證實了下擊暴流的頻發性。[6]聯合機場天氣研究(Joint Airport Weather Studies,JAWS)項目通過分析180多個下擊暴流案例，發現了其持時短的時間特征，以及其風速隨高度增加先增大后減小等速度特征。Hjelmfelt[7]通過總結JAWS項目下擊暴流實測數據,繪制了一個典型的下擊暴流風速剖面,如圖2所示。FAA-LINCOLN 實驗室運營志愿者研究(FAA-Lincoln Laboratory Operational Weather Studies，FLOWS)[8]項目發現了下擊暴流流場結構具有對稱或近似對稱的特征。李宏海等[9]統計分析了1971—2000年的中國707座氣象基站資料，統計發現全國各地區每年平均發生下擊暴流40.7天，證明了下擊暴流在我國具有較高的頻發性，結合我國下擊暴流時空分布特征和下擊暴流累年平均天數，將我國下擊暴流風荷載劃分為低發區、高發區和頻發區三個區域。

圖2 下擊暴流風速剖面(Hjelmfelt繪制)

目前，實現下擊暴流物理試驗模擬的方式主要有兩種，分別是重力流模擬和沖擊射流模擬。在結構風工程領域，學者們側重于研究下擊暴流沖擊地面后擴展階段的風場特征，探究下擊暴流局部強風荷載對工程結構的風致效應，往往多采用空氣沖擊射流模型模擬下擊暴流風場。多項下擊暴流物理試驗結果表明，沖擊風的風速、直徑、射流高度、入射傾角，以及地形地勢、地面傾斜度與粗糙度等對下擊暴流風場有重要的影響[10-13]。

在下擊暴流的研究中，數值模擬是一種經濟且便利的研究手段，用來探究下擊暴流微觀的流場特征。早期，Selvam等[14]、Nicholls等[15]和Wood等[16]分別采用了2D軸對稱的k-epsilon湍流模型、2D軸對稱的大渦模擬方法和DRS(Differential Reynolds Stress)湍流模型對比分析不同模擬方法的優缺點。2D軸對稱風場數值模型有著嚴苛的適用性，大多數實際風場難以滿足二維空間風場的簡化條件，限制了下擊暴流風場特征的研究。近年來，計算機技術快速發展，大力推動了3D空間下擊暴流風場模擬分析的發展。Anabor等[17]通過大渦模擬方法開展了下擊暴流三維風場數值模擬，跟蹤了下擊暴流演變過程，能夠較好地模擬還原出下擊暴流風場中的脈動特性及渦旋狀態。瞿偉廉等[18-20]采用計算流體動力學軟件Fluent探究了下擊暴流擴散的細部微觀風場結構，分析了瞬時風速分布及風場初始條件的影響。鐘永力等[21]對比分析了靜止型與移動型的下擊暴流風場特性，結果表明由于下擊暴流風暴中心的移動導致渦旋衰減較慢、局部風速較大。

最早，Oseguera及Bowles等[22]提出了一個下擊暴流平均風速的軸對稱理論模型，簡稱OB模型。Vicroy等[23]改進了OB模型的形狀函數，定義了一個與實際風速剖面更符合的OBV理論模型。但OB和OBV理論模型尚未考慮雷暴中心移動對下擊暴流風速的影響。為此，Holmes等[24]認為下擊暴流風速為其徑向平均風速與雷暴中心移動速度矢量和，忽略了脈動風速的影響。Chen等[25-28]采用幅值調幅函數和標準高斯分布過程計算下擊暴流的零均值脈動風時程，提出了下擊暴流的風速時程U(z,t)計算方法，表達式如下：

(1)

u(z,t)=α(z,t)·k(z,t)

(2)

2 下擊暴流作用下輸電塔體系的風振響應

據相關統計，我國絕大部分地區均會受到下擊暴流強對流天氣的影響，尤其在西南部地區最為頻繁，平均每周1次以上。下擊暴流的風速剖面區別于大氣邊界層近地風風，時變平均風速差異大，如圖3所示，脈動性較強，對工程結構具有極大的破壞性，尤其是對于高聳、輕柔的輸電塔體系而言。然而，目前尚無下擊暴流極端強風荷載設計的相關規范，大量建設的輸電塔結構仍采用大氣邊界層平穩風荷載設計方法[29，30]，無法保證輸電塔體系對抗下擊暴流的安全性。為此，研究者們開展了下擊暴流極端強風下輸電塔體系的風振響應研究。

圖3 下擊暴流與近地風平均風剖面對比

樓文娟等[31，32]以輸電塔體系為研究對象，對比分析了時域與頻域風振響應分析方法，結果表明時域分析法更適合輸電塔線體系的動力風振響應研究。

吉柏鋒等[33]對輸電塔結構進行了下擊暴流極端強風荷載作用下的彈塑性分析，分析發現塔身中上部的斜腹桿和主桿失穩破壞是導致輸電塔結構倒塌破壞的主要原因。

何典等[34]采用擬靜力方法分析了下擊暴流作用下平地、山坡、山體不同地形輸電塔體系的破壞過程，以及風向角、檔距對輸電塔線承載能力的影響。

洪飛等[35]基于諧波合成法研究了下擊暴流脈動風速對塔線體系的影響，對比分析了下擊暴流與大氣邊界層良態風對塔線體系風振響應的差異。

郭勇等[36，37]將輸電塔的風振響應分解為共振分量和背景風量，采用理論計算和試驗研究方法，分析了在下擊暴流極端強風荷載作用下輸電線對這兩部分分量的影響，并提出了一種塔線體系的簡化計算方法。

謝強等[38，39]研究了單塔和塔線體系在均勻流場和紊流場的風致響應,通過分析不同風攻角、流場及風速工況下塔線體系動力響應數據,總結出了導線、絕緣子和輸電塔風致振動規律，通過功率譜密度分析，揭示了輸電塔線耦聯體系的風荷載傳遞機制。

魏文暉等[40]基于能量法開展了下擊暴流作用下輸電塔線體系的倒塌全過程分析，通過特征能量函數的動力穩定性判定準則可準確迅速預測輸電塔線體系整體倒塌的時間。

王唯等[41]基于有限質點進行了輸電塔線體系抗下擊暴流動力響應分析，模擬了單塔和塔線耦合體現的倒塌全過程。

3 輸電塔體系優化設計

輸電塔體系在下擊暴流極端強風作用下具有顯著的響應特性，桿材會發生不同程度的破壞。有必要在滿足安全使用要求的前提下，進行輸電塔結構的優化設計，降低結構用鋼量，預防結構發生倒塌等破壞，推動電力工業向著安全、綠色、環保的目標進一步發展。

輸電塔結構作為一種特殊的工程結構，其優化設計包括對塔身截面、形狀、拓撲優化和減振控制。

樊社新等[42]以鋼材重量為目標函數，采用滿應力準則和動態規劃法相結合的方法對輸電塔截面進行優化設計。目前，我國有關設計軟件主要是以滿應力準則進行優化設計，優化策略較為單一。

祝曉燕等[43]基于非線性規劃法采取分層優化交替進行，給出了多種工況下的輸電塔形狀優化。后來，隨著各種啟發式算法的推廣應用，各種算法用來對輸電塔結構形狀進行優化。

文獻[44]中以桿件截面尺寸和節點坐標為設計變量，以塔身重量為目標函數，進行輸電塔結構形狀優化。

張卓群等[45]基于蟻群算法提出了一種可同時進行截面、形狀、拓撲、布局優化的輸電塔結構局部優化設計方法。在蟻群算法的基礎上，林又新等[46]結合經典的旅行商問題建立了一種離散系統的拓撲優化方法，通過算例驗算證實了該拓撲方法對平面和空間的輸電塔結構具有良好的優化效果。

輸電塔結構常布置調諧質量阻尼器(TMD)、黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器等耗能設備消耗一部分振動能量，減小主體結構的振動。TMD易于安裝、設計方便、經濟高效等優點，但僅對有限振型的減振效果良好。胡松等[47]采用多個調諧質量阻尼器(MTMD)進行大跨越輸電塔結構的風振控制分析。陳亦等[48]分析了MTMD和黏彈性阻尼器對輸電塔結構風振控制的聯合效果?？翟返萚49]對比了5種黏滯阻尼器的布置方式，評估其對山區轉角塔的風振控制效果，得出黏滯阻尼器的最優布置方案。雷旭等[50]為減輕輸電塔斷電線的沖擊效應和較大的風致振動問題，設計了一種彈簧板式電渦流調諧質量阻尼器，通過數值模擬和風洞試驗方法對比分析了有無該阻尼器對輸電塔結構風致振動的影響。

4 研究展望

本文從下擊暴流強風風場特性、輸電塔風振響應及優化設計三個方面總結了下擊暴流作用下輸電塔體系的研究成果，但結合相關工程實際案例發現仍有一些問題亟須解決。為此，提出了如下研究展望：

(1) 我國常受到下擊暴流災害侵襲，但目前有關結構設計規范中尚無下擊暴流強風荷載的設計計算方法，需提出一種方便設計使用的下擊暴流風荷載計算方法。

(2) 目前，大多數輸電塔結構采用良態風進行抗風設計，其對抗下擊暴流強脈動風的安全性能需要全面評估，如何建立一種安全、可靠、方便的輸電塔結構抗下擊暴流能力的評估方法。

(3) 輸電塔體系復雜，其抗風性能影響因素眾多，如何考慮結構已有部分缺陷，諸如連接節點螺栓松動、滑移，對輸電塔體系抗下擊暴流的靜力性能和動力響應的影響。