超高层工业建筑中“机械-自然-城市-人”多尺度复合设计研究——以日立电梯试验塔“H1 TOWER”为例

工业建筑因其特殊的功能和尺度,相关研究往往以结构设备技术为重心。而在技术革新、城市发展的推动下,当代工业建筑设计进入了类型多样化、技术高度化、城市景观化、使用人性化的新发展阶段。本文以日立电梯“H1 TOWER”为例,针对高速电梯试验塔这一新工业建筑类型,从机械、自然、城市、人这四种尺度对试验塔的不同要求进行梳理,对平面构成、建筑轮廓、风穴与立面、外墙细部中对意匠与技术方案的整合进行具体考察,并结合同类建筑作进一步比较分析与总结,提出多尺度复合、多专业协同将是拓展工业建筑设计维度、工程技术与城市人文融合的关键。

A new framework for evaluating along-wind responses of a transmission tower

In this paper, an analytical framework to evaluate the along-wind-induced dynamic responses of a transmission tower is presented. Two analytical models and a new method are developed： （1） a higher mode generalized force spectrum （GFS） model of the transmission tower is deduced; （2） an analytical model that includes the contributions of the higher modes is further derived as a rational algebraic formula to estimate the structural displacement response; and （3） a new approach, applying load with displacement （ALD） instead of force, to solve the internal force of transmission tower is given. Unlike conventional methods, the ALD method can avoid calculating equivalent static wind loads （ESWLs）. Finally, a transmission tower structure is used as a numerical example to verify the feasibility and accuracy of the ALD method.

不同类风场雨滴冲击荷载对输变电塔线体系动力响应的影响研究

输变电塔体系遭受风雨耦合作用破坏时常将原因归于风荷载,忽略了雨荷载耦合激励的放大效应。针对某输电线路“一塔两线”体系模型,以数值方法模拟良态风雨场与湿下击暴流场的风雨时程荷载,分别对塔线体系进行动力响应分析,结果表明:降雨对输电塔线体系的响应,具有显著影响,随着雨强变大,塔线体系响应增大明显;在极值降雨条件下,湿下击暴流场塔顶位移增幅最大,在X向和Y向分别达到31.30%和33.93%;两种风雨场中塔顶位移及加速度功率谱密度均出现明显增幅,体系共振响应增强,塔身关键位置主材应力分别增大了11.64%、37.07%;在不同类风场中,强降雨时雨滴冲击对塔线体系产生的激励增大作用不可忽略。

广播电视发射塔桅杆段风致疲劳寿命研究

高耸结构主要承受变化的风荷载,发生疲劳破坏对结构性能的影响较大,而对于塔架结构来说,风荷载是否被定义为疲劳荷载一直存在争议。针对这一问题,本文以宁夏广播电视发射塔工程为例,对桅杆段进行风致疲劳损伤及疲劳寿命研究。工程设计时对整体结构及桅杆段分别进行了风洞试验,通过雨流计数法得到风荷载作用下桅杆段构件的应力幅值的概率密度分布,采用时域法分析其风致疲劳寿命。结果表明,桅杆段构件最大应力幅值均小于疲劳截止限,无需计算疲劳寿命;连接法兰螺栓的疲劳寿命在500年以上,满足钢结构设计标准的疲劳要求。

超高桥塔的气弹模型风洞试验及其等效静力风荷载

为研究超高桥塔的气弹模型风洞试验方法及其等效静力风荷载,根据某实际工程中的超高桥塔建立了有限元模型,进行了动力特性计算,进而设计了相应的气弹模型,并开展了风洞试验。在此基础上,开展了超高桥塔风致振动的非线性时程计算,并基于阵风荷载因子法,对比了以位移、内力和应力为单一目标的超高桥塔的等效静力风荷载。结果表明:斜风作用下的桥塔风致振动比较显著,其影响随着风速的增大而愈加明显;当风向角为75°~90°时,超高桥塔将在风速为35~50 m·s^(-1)的区间发生顺桥向的侧弯涡振,但幅值较小;基于应力的阵风荷载因子比基于位移或内力的阵风荷载因子更加稳定,这使得基于应力的等效静力风荷载要优于基于位移或内力的等效静力风荷载,比较适合于超高桥塔。

超高钢混风电塔筒液压导向系统研究

为了更加高效的利用高空风能,作为绿色清洁能源之一的风力发电,朝着风电机组单机容量越来越大、承载基础的塔筒建设高度越来越高的趋势发展。传统锥筒式全钢塔筒逐渐被预应力混凝土-钢组合塔筒所取代。预应力混凝土-钢组合塔筒兼具混凝土塔筒及钢塔筒两者的优势,具有承载力高、稳定性好、运输施工维护方便、建设成本低等特点,以适应较高高度风电场的需求,代表了未来风电塔筒结构发展的方向。由于高空风载荷大、风电机组的偏心载荷大等不利因素,导致提升过程中产生大弯矩和扭转的工况。因此,导向问题已成为预应力混凝土-钢组合塔筒建设中需要首先解决的技术难题。针对这一难题,创新研制了超高钢混风电塔筒导向液压系统,结合传感检测和智能控制算法,克服上述不利因素,依次将混凝土内塔筒和中塔筒提升到位,高质量地实现了国内陆上最高的国家电投鲁阳170 m高的风电钢混塔筒的安装。

服役输电线路风致响应及寿命预测分析

庞大的输电系统是国家最重要的基础设施之一,确保其在长期风荷载作用下的安全性和可靠性,是应该重视的关键问题。采用Abaqus建立了输电塔线体系的精细化有限元模型,对风荷载进行了模拟,考虑受压杆件失稳,通过动力计算方法分析了塔线体系响应并据此确定了其薄弱位置。进一步地,以薄弱杆件的应力时程为指标,基于Miner线性准则描述的损伤规律,采用雨流法预测了不同风速下塔线体系的寿命;随后研究了风荷载模拟关键参数对结构预测寿命的影响,对线路进行整体上的评估。结果表明:以构件失效作为塔线体系结构整体破坏的准则,可为塔线体系的寿命预测提供一定的参考;结构的预测寿命主要由薄弱构件(变坡处主材)控制;此外,风荷载模拟参数对预测寿命有较大影响,持时不同预测寿命差距较大,Kaimal谱模型预测寿命比随机Fourier谱更偏于保守;粗糙长度与预测寿命负相关。

输电铁塔在冰风耦合作用下失效概率分析

覆冰灾害严重威胁输电线路的安全运行。在冰灾过程中,往往伴随着风荷载的作用,为提高输电塔抵御覆冰灾害的能力,提出了一种基于Jones覆冰模型的输电铁塔失效概率评估框架。首先以湖南郴州、永州、邵阳3市气象站数据为基础建立了超级站,在此基础上利用Copula函数建立了考虑冰厚-风速、风速-风向相关性的联合概率分布,最后以一条实际输电线路为算例,计算了该线路铁塔在冰风荷载耦合作用下倒塌状态的失效概率。结果表明,提出的方法可以有效地评估输电塔在冰风耦合作用下的失效概率,考虑冰厚-风速、风向-风速相关性后,输电塔失效概率的计算更加科学合理。受风向概率的影响,输电塔失效概率的最大值出现的角度并不固定,该文章可为输电线路抗冰灾设计提供参考。

沿海地区超强台风作用下核电塔机抗风性能分析

基于GB/T 13752—2017《塔式起重机设计规范》确定了超强台风作用下QTP300(7526B)型核电塔机的风荷载及其荷载组合方式,并考虑风荷载的不同加载方式(立面加载和平面加载),对核电塔机非工作状态下的抗风性能进行了有限元静力分析。结果表明:与将风荷载分配到有限元模型的所有节点上相比,选取指定节点施加风荷载所得到的结果更大,表明在风荷载应加载到所有立面节点上;迎风面构件对背风面构件的挡风作用对塔机结构的应力分布及最大应力均无显著影响,而塔机结构的最大位移则随挡风作用的增强而增大,表明风荷载加载应考虑迎风面构件的挡风作用;塔机整机结构最大应力出现在底部主肢构件上,其大小均小于钢材的允许应力,该型号核电塔机可以承受17级超强台风作用。

±800kV与500kV混压大跨越钢管混凝土塔等效风荷载分析

大跨越钢管混凝土塔相比于普通钢管塔存在质量、刚度突变的特点。为探究钢管混凝土塔和钢管塔在风荷载作用下的响应规律及设计风荷载的取值,该文以实际工程为例,通过有限元模拟分析了两种塔型的动力特性和风振响应,并将等效静力风荷载与规范结果进行比较。结果表明:钢管混凝土塔的刚度明显高于钢管塔,且前几阶频率相对密集,振型间相互耦合明显;按规范等效风荷载的结构响应大于时程分析响应极值;按规范计算的钢管混凝土塔风振系数在灌入混凝土顶部附近存在突变;钢管混凝土塔顶部位移、加速度响应明显小于钢管塔,且钢管混凝土塔的脉动响应下降更为明显。

强风下输电塔破坏分析与加固研究

为了提高服役输电塔抵抗极端荷载的能力,保障线路的安全稳定运行,结合输电塔的失效模式和破坏特点,提出了一种无损加固措施,通过加载试验和数值模拟验证了该加固措施的可行性.以220 kV典型输电塔为研究对象,运用多尺度分析手段,建立了加固前后输电塔精细有限元模型,模拟分析了输电塔动力特性,以及风荷载下输电塔的非线性响应和连续性倒塌模式,进而评估了无损加固措施对输电塔抗风性能的提升效果.结果表明,该加固措施能够有效降低输电塔风振响应和提高其抗风性能,临界倒塌风速由29.2 m/s提高至30.8 m/s,加固节间以及相邻节间的刚度得到了提升,且加固后节间内力分布更加均匀,该无损加固措施为提升服役输电塔抵抗极端荷载的能力提供参考.

覆冰拉线测风塔钢绞线预应力施加方法

拉线测风塔是由直立的桁架结构塔身和沿高度方向斜向布置的数层钢绞线组成的高耸结构。在正常设计和建造的情况下,测风塔结构物发生破坏的概率之高在土工结构物中实属罕见。其中,有不少测风塔的结构破坏是在风荷载和覆冰荷载联合作用下发生的。目前,由于我国对覆冰荷载和风荷载联合作用下测风塔结构整体稳定性方面的研究还不够成熟,所以有必要进行如下研究。应用ANSYS有限元软件建立拉线测风塔模型,根据规范对其施加风荷载和覆冰荷载,通过改变钢绞线的预应力大小,观察塔身的节点位移情况,总结覆冰情况下拉线测风塔塔身位移规律,并最终确定更加合理的钢绞线预应力施加方法。

定标塔塔顶变形分析及优化措施

高耸结构对风荷载比较敏感,在以风荷载为主的荷载作用下,对结构的变形有着严格的要求,特别是某些具有特定使用功能的自立塔结构,塔顶设置标校设备来接收天线进行联调或指标测试,需保持塔顶的稳定,因此对风荷载作用下的塔顶变形要求更为严格。本文主要以工程中某自立塔塔顶位移的优化为主要研究对象,分析结构在风荷载作用下的顶部变形控制因素。对比分析通过增大结构刚度、改变塔体使用材料、增加辅助杆件等措施对塔顶部变形量的影响,选取出最经济、有效的控制变形方法来达到使用要求。

覆冰荷载下高压输电塔有限元分析

在有限元分析软件ABAQUS中建立高压输电塔有限元模型,用梁单元模拟塔架,得到塔架在其自重、覆冰荷载,风荷载等共同作用下的承载能力,同时分析输电塔倒塌破坏的原因及破坏形式,在3种不同的特殊工况下确定出输电塔塔架中相对薄弱的位置,为工程设计提出理论依据,为输电塔的实际施工和整体形状设计提供参考方法。

塔式起重机起吊全过程力学特性研究

针对塔式起重机起吊过程中稳定性问题,以某型号平头塔式起重机为研究对象,对起吊全过程的静力学和瞬时动力学展开了研究.利用有限元静力学,探究了在静风工况和正常工况下塔式起重机不同起吊位置和不同起吊重量与位移响应的关系.结果表明,静力学分析时塔式起重机在静风工况和正常工况下具有相近的变化幅值和趋势,且风载荷对塔式起重机的位移响应影响显著.同时,在惯性力作用下,基于瞬态动力学分析了起吊加速度不同时塔式起重机的位移响应.结果表明:在60 m幅度处与30 m幅度处起吊时最大位移响应相差71.8 mm,平均位移响应相差63.4、63.6、64和64.1 mm,二者具有相近的波动幅值和变化趋势,说明缓慢起吊时位移响应对起吊位置不敏感;此外,二者位移响应均呈现起伏趋势,说明在起吊过程中明显存在塔机晃动现象.

用于风电钢塔筒的加劲钢管压弯性能试验研究

薄壁圆钢管广泛应用于风电机组锥筒型钢塔筒中,其在径厚比较大时易出现局部失稳,进而导致塔筒承载能力下降。该文提出了一种可用于风电钢塔筒的纵向加劲钢圆钢管结构形式,并进行了6个试件的压弯加载试验,以研究加劲肋形式及径厚比大小对加劲圆钢管压弯性能的影响。试验结果表明:在相同用钢量下,加劲肋有效改善了钢管的局部屈曲,改变了结构的破坏形态,增大了钢管的塑性发展程度,从而提升了钢管的承载力及延性,其中T型加劲肋的增强效果更为明显。并将试验模型与有限元建模进行对照,互相验证了准确性。最后使用现有设计标准对试验结果进行了初步评估,无加劲肋试件与各设计标准吻合良好,但现有计算方法低估了加劲试件的承载力。

随机风荷载下陡峭山区长短腿输电塔多构件可靠度评估

长短腿输电塔在陡峭山区的输电线路工程中应用广泛,准确评估该结构体系中各个构件的可靠度水平对其维护加固具有重要意义。鉴于此,基于拟蒙特卡罗法开展了随机风荷载作用下陡峭山区中长短腿输电塔多构件可靠度分析。根据《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》(DL/T 5486—2020),给出长短腿输电塔不同构件常见的5类失效模式及其功能函数;通过同时考虑材料和风荷载的随机性,采用拟蒙特卡罗法建立长短腿输电塔多构件可靠度分析框架;以某输送电压为500 kV的输电线路中长短腿输电塔为例,进行了多构件可靠度评估,并分析了不同塔腿级差、杆塔呼高以及设计风速对长短腿输电塔可靠指标的影响规律。分析结果表明:长短腿输电塔的所有构件可靠指标均在3.2以上,满足规范要求的Ⅱ级安全水准,短腿主材为长短腿输电塔最薄弱构件,可靠指标相比于长腿主材减小了23.25%,应予以重视;杆塔呼高每增大6 m,长短腿输电塔可靠指标最大下降3.37%,设计风速每增大1 m∙s^(-1),可靠指标最大降低2.83%;塔腿级差每增大3 m,可靠指标最大降低10.48%,建议杆塔设计时应尽量避免出现塔腿级差过大的情况。

中美欧通讯杆塔标准中风荷载设计的对比研究

5G建设对通讯杆塔的承载提出更高要求,风载荷是通讯杆塔承载力的重要设计组成,对不同标准下风荷载参数的研究分析有着重要的工程意义。本文通过对中、美、欧不同标准中风载荷的参数如地形地貌、荷载动态参数、风压高度变化系数等进行对比,为相关涉外通讯工程的风荷载计算提供参考。同时,探讨了复合材料在通讯杆塔领域中应用的优势。

梯形扰流筋对风电塔筒疲劳特性的影响

以某MW级风电塔筒为主要研究对象,应用仿真方法研究在塔筒表面增设梯形扰流筋对其疲劳强度的影响。为了降低涡激频率和提高塔筒静强度,应用流固耦合分析确定扰流筋的最优化筋型。根据Davenport功率谱模拟风电塔筒脉动风速时程和风荷载,得到加筋后塔筒上最大疲劳应力的时程曲线,并对比分析了增设扰流筋前后塔筒疲劳寿命的变化。最后应用雨流计数法得到加筋塔筒的变幅荷载谱,并基于材料特性和疲劳理论计算加筋塔筒的疲劳寿命。结果表明:在风电塔筒外表面加扰流筋虽然能有效削弱塔筒涡激振动的频率,但同时会削弱塔筒的疲劳强度,因此需要在确保加筋后塔筒疲劳寿命仍满足设计要求的前提下合理选择筋型。

陆上风电钢混组合结构塔架风致疲劳寿命识别方法

风致疲劳是长期积累的过程,单个风荷载事件可能不会导致结构的立即破坏,且不同材料和构件之间的相互作用、应力集中、局部应力等影响塔架受力关系,难以分析不同方向上的空气荷载力,因此,对疲劳寿命的识别精度不佳。对此,提出陆上风电钢混组合结构塔架风致疲劳寿命识别方法。利用SESAM/GeniE模块,将实际结构转化为有限元模型,计算出塔架结构不同方向上的空气动力荷载,并将其进行组合,即可得到综合荷载值;通过分析塔架外力荷载与疲劳寿命之间的关系,累加综合损伤值,即可得到塔架的风致疲劳寿命的识别结果。实验结果表明,采用文中所述识别方法对风电钢混组合结构塔架疲劳寿命进行识别时,随着风速的不断提高,相同节点处的塔架疲劳损伤量也有所变化,识别结果与实际情况之间的应力响应均方根较低,说明该方法具备较高的识别精度。