摘 要

下击暴流作为一种雷暴天气下的强风，对输电塔线体系的破坏很大。但是由于其风场与大气边界层风相比又存在着较大差异，现阶段缺少评估下击暴流荷载的方法。因此，在输电塔线体系设计时往往不考虑下击暴流或是采用模糊处理的方式，使得输电塔线趋于不安全。

本文将早期学者的研究成果应用到多跨输电线路上，研究下击暴流平均风作用下的反力和位移响应，找到各种结构参数下输电线的最不利下击暴流工况，分析并提出相关规律。本文的主要研究过程如下：

第一，总结归纳早期学者在多跨输电线路响应的理论算法方面的研究成果，并采用有限元软件进行验证。

第二，筛选下击暴流工况，并将其分别作用于输电线上，利用理论算法求出反力和位移响应，分析得到最不利下击暴流工况。

第三，改变输电线结构参数，并重复第二步，得到所有目标结构参数输电线的最不利下击暴流工况。

第四，对所有最不利工况进行分析，指出其中内在规律，并提出输电线最不利下击暴流风作用工况的评估方法。

关键词：下击暴流，输电线，风振响应，最不利工况

Abstract

As a kind of strong wind in thunderstorm weather, downbrust causes great damage to transmission tower line system. However, due to the difference between the wind field and the atmospheric boundary layer wind, there is few methods to evaluate the downburst load at this stage. Therefore, in the design of transmission tower line system, downburst is often ignored or treated vaguely, which makes the transmission tower line tend to be unsafe.

In this paper, the research results of early scholars are applied to multi span transmission lines to study the force and displacement response under the average wind action of downburst, find the critical downburst condition of transmission lines of various structural parameters, and than analyze and propose relevant laws. The main research process of this paper is as follows:

First, summarize the research results of the early scholars on the theoretical algorithm of multi span transmission line response, and use the finite element software to verify it.

Second, select the downburst conditions and apply them to the transmission line respectively. Use the theoretical algorithm to calculate the reaction force and displacement response, and analyze the critical downburst conditions.

Third, change the transmission line structural parameters, and repeat the second step to get the critical downburst conditions of all the target structural parameters.

Fourth, all the most unfavorable conditions are analyzed, and the internal rules are pointed out, and the evaluation method of the critical conditions is proposed.

Key words: downburst, transmissions line, wind-induced dynamic response, critical condition

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第 1 章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 下击暴流简介 2

1.3 研究现状 3

1.3.1 风振响应的风洞试验研究 3

1.3.2 风振响应的数值模拟研究 4

1.3.3 下击暴流下输电线路风振响应的计算理论研究 5

1.4 本文研究的主要内容和步骤 7

1.5 进度安排 8

第 2 章 下击暴流输电线响应的理论模型 9

2.1 输电线的下击暴流风荷载 9

2.2 输电线的力学模型 13

2.2.1 自重状态下的初始构形 13

2.2.2 变形协调条件 14

2.3 双跨铰支输电线风振响应的理论模型 16

2.4 多跨绝缘子-输电线风振响应的理论模型 18

2.5 数值模拟验证 20

2.6 本章小结 24

第 3 章 输电线风荷载的最不利分布 25

3.1 拟选用的下击暴流工况 25

3.2 四跨输电线跨度 26

3.2.1 出流直径 27

3.2.2 出流直径 29

3.2.3 出流直径 33

3.2.4 出流直径 35

3.3 比较分析 37

3.4 本章小结 42

第 4 章 总结 43

4.1 结论 43

4.2 不足与展望 44

参考文献 45

致谢 47

附录 A. 牛顿迭代法 48

绪论

研究背景

随着土木工程的发展，大型复杂结构趋向于高大、轻柔，因此，强风荷载往往成为设计荷载的重要控制工况。与此同时，高压输电线路是国民经济中至关重要的生命线工程，是国家的能源命脉。它通常由数十米高的支撑铁塔和数百米长的柔性大跨输电线组成，由于一直暴露在大气自然环境中，极易受到风灾的破坏。尤其在内陆地区，下击暴流、龙卷风等局部雷暴气象更是输电线路破坏的主要原因。输电线路结构兼具了高耸结构和大跨结构二者的特点，二者的相互影响和耦合作用，使得输电线路结构抗风性能的研究复杂性大大超过了民用建筑结构，是少有的典型风危险结构。下击暴流这类小尺度的突发性的非平稳强风在时空分布和特性上与台风等边界层强风有显著的区别。因此，随着时代的前行，合理地评估下击暴流风致荷载是如今全世界土木工程防灾减灾领域亟待解决的瓶颈和热点问题。

本次毕业论文的主要目的就是在课题组已有输电线抗雷暴风研究的基础上，基于高等数学、结构力学、钢结构、混凝土结构设计、弹性力学等相关知识，有限元分析软件建立起输电线模型，并运用Matlab软件编程，分析出不同结构参数的输电线系统受下击暴流风作用时的最不利风荷载分布及其对应的工况，并总结出合理的输电线抗雷暴风致荷载的评估方法，为提高防灾可靠性提供计算和理论依据。