专利名称：一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型的制作方法
技术领域：
本实用新型属于输电线路设计技术领域，涉及一种大跨越输电钢管塔气弹模型，
特别是一种用于测定输电钢管塔的风致振动效应进而准确获得输电钢管塔的风荷载参数 的大跨越输电钢管塔气动弹性模型。
背景技术：
在电力输电线路工程中，跨越江河、山谷等自然屏障的线路，往往要采用高瓮跨越 钢管塔来实现，所以大跨越输电钢管塔往往处于极其重要的地位。 大跨越输电钢管塔是一种风敏感的柔性结构，风荷载是输电钢管塔设计的主要控 制荷载，输电钢管塔风荷载的一个关键数据是风振系数。目前我国规范只给出高层和高耸 结构相应的风振系数计算公式，在使用上较为简便粗略，这就使得设计人员在输电高塔风 振系数的取值上往往存在相当大的经验性和盲目性。为了保证结构的安全，设计时往往将 风振系数的取值选取得较大，这就导致了大跨越输电钢管塔的重量增大，造成成本的增加 和不必要的浪费。由于风荷载的随机性，以及风流经高耸钝体时产生复杂的气流分离等因 素，超高输电铁塔的风效应十分复杂，涉及到气动弹性稳定和气动弹性动力响应两个问题， 此外对于圆形截面的钢管而言，卡门涡流的作用可能会引起结构的涡激共振。因此此类结 构无法在理论上完整地解决上述的问题，往往通过风洞试验来检验结构的气动稳定性，并 测定在模拟风作用下的动力响应和气动参数。进行气动弹性模型风洞试验，其模型的设计 与制作是否正确直接关系到试验的成败。为表述方便，气动弹性模型可简称为气弹模型。 目前，气弹模型设计目前存在的主要技术问题是1、如何保持模型与原型在质量 分布、刚度分布上的相似；2、如何使气弹模型各杆件既做到刚度相似又做到几何相似；3、 如何将各层次杆件、节点板、爬梯及传感器的质量合理分配到各个节点；4、节点板和中间爬 梯的受风面如何按几何相似关系集中到塔架各节点进行模拟；5、如何对输电线的模拟作简 化，使得输电线的模拟尽量与与塔架的相似系数一致。

发明内容本实用新型针对上述存在的问题，提供一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型，该 气弹模型各部位的几何相似与刚度相似相统一，同时做到输电塔刚度、几何、质量、阻尼、频 率等一系列参数的相似，能真实地模拟实际结构的气动性态，为大跨越输电工程的安全提 供可靠的设计参数，并可以兼作测力和测振两种试验。 本实用新型通过下列技术方案来实现一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型，包 括与实际原型等比例縮小的塔头、塔身和塔底，所述的塔身由塔柱、纵向斜撑、塔底斜撑、水 平斜撑和横隔构成，其特征在于，所述的塔柱、纵向斜撑和塔底斜撑采用拉压刚度EA和受 风面积均与原型等比例縮小的杆件一，水平斜撑和横隔采用受风面积与原型等比例縮小的 杆件二，在塔身内设有为平衡质量分布的配重块。 本大跨越输电钢管气弹模型是对大跨越输电钢管塔的原型进行模拟，使气弹模型的几何形状、质量分布、刚度分布与原型相似，真实的模拟原型的气动性态。 在上述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型中，所述的杆件一包括芯棒和包覆
在芯棒外的泡沫纸，在泡沫纸外再包有透明胶带纸。 在上述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型中，所述的塔柱的芯棒采用薄壁铜 管；所述的纵向斜撑、塔底斜撑的芯棒采用第一不锈钢毛细管。 在上述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型中，所述的杆件二包括第二不锈钢 毛细管和包覆在第二不锈钢毛细管外的泡沫纸，在泡沫纸外再包有透明胶带纸，杆件二的 截面与原型的水平斜撑和横隔的截面形状相似。 在上述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型中，所述的塔头由杆件三焊接而 成，与原型塔头具有相同的密度比。惯性参数Ps/Pf(密度比)相似客观上要求模型的密 度与原型的密度一致。 在上述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型中，所述的杆件三包括第三不锈钢
毛细管和包覆在第三不锈钢毛细管外的泡沫纸，在泡沫纸外再包有透明胶带纸。 在气弹模型材料选择上首先控制截面积的相似性，而并不要求壁厚和外径同时满
足。这样可以选择一些外径较小而壁厚在0. 20左右的薄壁铜管和壁厚在0. 15左右的不锈
钢毛细管作为模型杆件以拟合各杆件的拉压刚度，为了保证受风面积的相似要求，模型杆
件外径不足部分首先采用无刚度的泡沫纸外包再用胶带纸封裹。 在上述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型中，所述的塔身各节点分别包覆有
铜皮。原型中的节点板和中间爬梯对塔身的刚度没有贡献，但其质量对塔身的质量分布影
响很大，而且其受风面直接影响到塔身受到的风荷载大小。因此节点板和中间爬梯的质量
在配重时给予考虑，其受风面按几何相似关系集中到塔架各节点用铜皮进行模拟。 在上述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型中，所述的塔身由若干空间衍架
体，每层空间衍架体包括塔柱、纵向斜撑、塔底斜撑、水平斜撑和横隔，在每层空间衍架体上
均设有配重块。 在上述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型中，所述的塔底包括固定钢板，在
固定钢板上设有塔底塔柱和塔底斜撑，所述的塔底塔柱通过螺栓固定在固定钢板上。 在上述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型中，所述的塔头上设有质量和受风
面积均与原型等比例縮小的模拟输电线，所述的模拟输电线包括柔性的塑料管和设置在塑
料管内的焊锡丝。输电线的自振频率主要由线的垂度控制，通过调整输电线的垂度，使其频
率比与塔架的频率相似系数一致。在模拟单塔时，对于重力的作用予以忽略，但输电线的重
力作用对其动力特性有较大影响，因而在输电线模型制作时应满足弗劳德数。考虑到我们
的研究对象是塔架而不是输电线本身，而模拟输电线的目的是为了获得导线传递给塔架的
风力和导线对塔架风振的影响。基于这一目的，对输电线的模拟作了简化，即忽略了几何相
似性，而迎风面积、质量严格满足相似要求，做到与塔架的相似系数一致。最后选择了柔性
的塑料管与焊锡丝两种材料来模拟输电线。 与现有技术相比，本新型大跨越输电钢管塔气弹模型具有以下的优点用"等代离 散刚度法"设计制作输电塔的气动弹性模型，将模型各部位的几何相似与刚度相似相统一， 同时做到了输电塔刚度、几何、质量、阻尼、频率等一系列参数的相似，真实地模拟了实际输 电高塔的气动特性，并可兼作测力和测振两种试验。利用气弹模型进行风洞试验的成果给
4设计提供了可靠的设计依据，准确得到了该输电高塔的风荷载特性，合理降低了风振系数 的取值，节省了项目投资，在一定程度上体现出较好的技术经济效益。对横隔杆件、水平斜 撑以及塔头杆件则直接按满足几何外形要求选取，不考虑其刚度的模拟，这样既减少了模 型制作工序，又保证了模型制作质量。

图1是本新型大跨越输电钢管塔气弹模型的结构示意图。 图2是本新型大跨越输电钢管塔气弹模型中一段塔身的结构示意图。 图3是本新型大跨越输电钢管塔气弹模型中杆件一截面结构示意图。 图4是本新型大跨越输电钢管塔气弹模型中模拟输电线的结构示意图。
图中，塔头1 ;塔身2 ;空间衍架体21 ;塔柱22 ;纵向斜撑23 ;塔底斜撑24 ;水平斜
撑25 ;横隔26 ;塔底3 ;固定钢板31 ;芯棒4 ;泡沫纸5 ;透明胶带纸6 ;配重块7 ;铜皮8 ;模
拟输电线9 ;塑料管91 ;焊锡丝92 ;螺栓93。
具体实施方式以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步 的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。 如图1所示，本新型大跨越输电钢管塔气弹模型，包括与实际原型等比例縮小的 塔头1、塔身2和塔底3。 结合图1，如图2所示，塔身2包括塔柱22、纵向斜撑23、塔底斜撑24、水平斜撑25 和横隔26，由这些杆件构成若干空间衍架体21而形成塔身2，塔底斜撑24以及每层空间衍 架体21中的塔柱22和纵向斜撑23采用拉压刚度EA和受风面积均与原型等比例縮小的杆 件一，如图3所示，杆件一包括芯棒4和包覆在芯棒4外的泡沫纸5，在泡沫纸5外再包有 透明胶带纸6 ;塔柱22的芯棒4采用薄壁铜管，纵向斜撑23的芯棒4采用第一不锈钢毛细 管。水平斜撑25和横隔26采用受风面积与原型等比例縮小的杆件二，杆件二包括第二不 锈钢毛细管和包覆在第二不锈钢毛细管外的泡沫纸5，在泡沫纸5外再包有透明胶带纸6， 杆件二的截面与原型的水平斜撑25和横隔26的截面形状相似。在每层空间衍架体21上 均设有为平衡质量分布配重块7，配重块7架设在每层空间衍架体21的两根相交横隔26靠 近塔身2节点处，在塔身2各节点分别包覆有铜皮8。 气弹模型刚度的模拟只要做到拉压刚度EA相似。输电塔主要研究的是其水平向 振动，因而只要做到气弹模型的侧向刚度和原型相似，则风振特性不会改变。对所有杆件进 行轴向内力试验，得出塔柱22各杆件、纵向斜撑23以及塔底斜撑24需要进行精确模拟，在 本模型中这些杆件采用杆件一 4来模拟；而其余横隔26杆件、水平斜撑25以及塔头1其余 杆件的内力几乎为零。因此对横隔26杆件、水平斜撑25以及塔头1杆件则直接按满足几 何外形要求选取，不考虑其刚度的模拟，这样既减少了模型制作工序，又保证了模型制作质 塔头1由杆件三焊接而成，与原型塔头1具有相同的密度比。杆件三包括第三不 锈钢毛细管和包覆在第三不锈钢毛细管外的泡沫纸5，在泡沫纸5外再包有透明胶带纸6。 如图1所示，塔头1上设有质量和受风面积均与原型等比例縮小的模拟输电线9，模拟输电
5线9包括柔性的塑料管91和设置在塑料管91内的焊锡丝92，如图4所示。该模型的塔头 1由于杆件多而截面小，在满足几何相似条件后，但仍有部分杆件截面比期望值大，再加上 传感器，最后塔头1可能会超重，为保持整个模型质量分布的一致性，在塔身2上设有配重 块7，这样模型密度大于原型密度，这一密度的不相似将通过修正风速比加以弥补。 塔底3包括固定钢板31，在固定钢板31上设有塔底塔柱22和塔底斜撑24，塔底 塔柱22通过螺栓93固定在固定钢板31上。 在模型设计前，先根据Buckingham' s Ji定理，通过量纲分析或直接从质量、动量 和能量守恒方程，以及流体的状态方程，推导出进行气弹模型的风洞试验所要满足的相似 准则。除了与该相似准则有关的参数外，还要确定其它的一些无量纲参数，以满足原型和气 弹模型参数的一致性。从相似准则和无量纲参数中选取等比例縮小的参数，使气弹模型的 几何形状根据原型的几何形状等比例縮小。从相似准则和无量纲参数中确定主要参数，次 要参数通过修正的方式加以考虑。将该模型放置在风洞空间中进行风洞实验，根据相关定 理和准则以及对数据的处理，最终确定较为精确的风振系数的取值，保证输电钢管塔的安 全、可靠和经济。
权利要求一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型，包括与实际原型等比例缩小的塔头(1)、塔身(2)和塔底(3)，所述的塔身(2)由塔柱(22)、纵向斜撑(23)、塔底(3)斜撑(24)、水平斜撑(25)和横隔(26)构成，其特征在于，所述的塔柱(22)、纵向斜撑(23)和塔底(3)斜撑(24)采用拉压刚度EA和受风面积均与原型等比例缩小的杆件一，水平斜撑(25)和横隔(26)采用受风面积与原型等比例缩小的杆件二，在塔身(2)内设有为平衡质量分布的配重块(7)。
2. 根据权利要求1所述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型，其特征在于，所述的 杆件一包括芯棒(4)和包覆在芯棒(4)外的泡沫纸(5)，在泡沫纸(5)外再包有透明胶带纸 (6)。
3. 根据权利要求2所述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型，其特征在于，所述的 塔柱(22)的芯棒(4)采用薄壁铜管；所述的纵向斜撑(23)、塔底(3)斜撑(24)的芯棒(4) 采用第一不锈钢毛细管。
4. 根据权利要求1或2或3所述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型，其特征在于， 所述的杆件二包括第二不锈钢毛细管和包覆在第二不锈钢毛细管外的泡沫纸(5)，在泡沫 纸(5)外再包有透明胶带纸(6)，杆件二的截面与原型的水平斜撑(25)和横隔(26)的截面 形状相似。
5. 根据权利要求4所述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型，其特征在于，所述的 塔头(1)由杆件三焊接而成，与原型塔头(1)具有相同的密度比。
6. 根据权利要求5所述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型，其特征在于，所述的 杆件三包括第三不锈钢毛细管和包覆在第三不锈钢毛细管外的泡沫纸(5)，在泡沫纸(5) 外再包有透明胶带纸(6)。
7. 根据权利要求6所述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型，其特征在于，所述的 塔身(2)各节点分别包覆有铜皮(8)。
8. 根据权利要求7所述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型，其特征在于，所述的 塔身(2)由若干空间衍架体(21)，每层空间衍架体(21)包括塔柱(22)、纵向斜撑(23)、塔 底(3)斜撑(24)、水平斜撑(25)和横隔(26)，在每层空间衍架体(21)上均设有配重块(7)。
9. 根据权利要求8所述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型，其特征在于，所述的 塔底(3)包括固定钢板(31)，在固定钢板(31)上设有塔底(3)塔柱(22)和塔底(3)斜撑 (24)，所述的塔底(3)塔柱(22)通过螺栓(93)固定在固定钢板(31)上。
10. 根据权利要求1或2或3所述的一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型，其特征在 于，所述的塔头(1)上设有质量和受风面积均与原型等比例縮小的模拟输电线(9)，所述的 模拟输电线(9)包括柔性的塑料管(91)和设置在塑料管(91)内的焊锡丝(92)。
专利摘要本实用新型提供了一种新型大跨越输电钢管塔气弹模型，属于输电线路设计技术领域。它解决现有的气弹模型无法精确模拟原型的问题。本实用新型大跨越输电钢管塔气弹模型，包括与实际原型等比例缩小的塔头、塔身和塔底，塔身由塔柱、纵向斜撑、塔底斜撑、水平斜撑和横隔构成，塔柱、纵向斜撑和塔底斜撑采用拉压刚度EA和受风面积均与原型等比例缩小的杆件一，水平斜撑和横隔采用受风面积与原型等比例缩小的杆件二，在塔身内设有为平衡质量分布的配重块。本气弹模型各部位的几何相似与刚度相似相统一，同时做到了输电塔刚度、几何、质量、阻尼、频率等一系列参数的相似，真实地模拟了实际输电高塔的气动特性；能够准确得到了该输电高塔的风荷载特性。
文档编号G01M9/08GK201527334SQ20092019937
公开日2010年7月14日 申请日期2009年10月29日 优先权日2009年10月29日
发明者傅剑鸣, 叶尹, 孙永军, 孙炳楠, 杨建明, 毛建伟, 潘峰, 程光明, 郑海, 郭云鹏, 黄田青 申请人:浙江省电力公司超高压建设分公司;浙江省电力设计院