下击暴流作用下输电塔体系的风振响应与优化设计研究进展

朱晓虎，胡 晨，周方圆，王静峰，胡培芳，刘 用

(1.国网安徽众兴电力设计有限公司，安徽 合肥 230031； 2.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，安徽 合肥 230031；3.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009； 4.先进钢结构技术与产业化协同创新中心，安徽 合肥 230009)

0 引 言

随着中国经济快速增长，人们对电力能源的需求量大幅度增长。为满足用电需求、完善电网配置，近年来大量建设了超高压输电塔-线体系。输电塔体系作为近地面柔性结构的典型代表对极端强风非常敏感，在极端强风作用下输电塔结构容易发生杆件局部破坏、塔头损坏甚至塔体倒塌破坏等，导致线路故障且修复困难。

下击暴流作为极端强风的一种，是由强下沉气流猛烈冲击地面形成的近地面短时破坏性强风[1],具有突发性强、范围小、生命周期短、出流强度大等特点。下击暴流极端强风灾害，可导致房屋破坏、输电塔及通信塔倒塌等(图1)，造成巨大的经济损失，严重影响人们的生产生活。其中，输电塔结构由于具有结构高、柔性强和阻尼小等特点，在下击暴流作用下风振响应显著，风致灾害尤为严重。

为此，本文从下击暴流风场特性的角度出发，介绍了其风速特征及理论与数值分析方法，概括总结了在下击暴流作用下输电塔体系的风振响应，分析了输电塔优化设计的技术手段,旨在为下击暴流强风作用下输电塔性能研究提供参考依据。

图1 下击暴流风灾现场

1 下击暴流风场特性

随着下击暴流造成的强风灾害逐渐被人们重视，一系列关于下击暴流的实测研究、物理试验、数值模拟及解析模型纷纷开展起来，全方位地探究下击暴流的风场特征，为建筑结构[2]、输电塔体系[3]和桥梁结构[4]等工程结构的抗下击暴流分析奠定了基础。

伊利诺伊州北部强降水气象研究[5](Northern Illinois Meteorological Research on Downbursts,NIMROD)是国际上第一个观测下击暴流的现场实测科研项目。该项目虽未成功获得尺度小、生命周期短的微下击暴流的动力特征，但证实了下击暴流的频发性。[6]联合机场天气研究(Joint Airport Weather Studies,JAWS)项目通过分析180多个下击暴流案例，发现了其持时短的时间特征，以及其风速随高度增加先增大后减小等速度特征。Hjelmfelt[7]通过总结JAWS项目下击暴流实测数据,绘制了一个典型的下击暴流风速剖面,如图2所示。FAA-LINCOLN 实验室运营志愿者研究(FAA-Lincoln Laboratory Operational Weather Studies，FLOWS)[8]项目发现了下击暴流流场结构具有对称或近似对称的特征。李宏海等[9]统计分析了1971—2000年的中国707座气象基站资料，统计发现全国各地区每年平均发生下击暴流40.7天，证明了下击暴流在我国具有较高的频发性，结合我国下击暴流时空分布特征和下击暴流累年平均天数，将我国下击暴流风荷载划分为低发区、高发区和频发区三个区域。

图2 下击暴流风速剖面(Hjelmfelt绘制)

目前，实现下击暴流物理试验模拟的方式主要有两种，分别是重力流模拟和冲击射流模拟。在结构风工程领域，学者们侧重于研究下击暴流冲击地面后扩展阶段的风场特征，探究下击暴流局部强风荷载对工程结构的风致效应，往往多采用空气冲击射流模型模拟下击暴流风场。多项下击暴流物理试验结果表明，冲击风的风速、直径、射流高度、入射倾角，以及地形地势、地面倾斜度与粗糙度等对下击暴流风场有重要的影响[10-13]。

在下击暴流的研究中，数值模拟是一种经济且便利的研究手段，用来探究下击暴流微观的流场特征。早期，Selvam等[14]、Nicholls等[15]和Wood等[16]分别采用了2D轴对称的k-epsilon湍流模型、2D轴对称的大涡模拟方法和DRS(Differential Reynolds Stress)湍流模型对比分析不同模拟方法的优缺点。2D轴对称风场数值模型有着严苛的适用性，大多数实际风场难以满足二维空间风场的简化条件，限制了下击暴流风场特征的研究。近年来，计算机技术快速发展，大力推动了3D空间下击暴流风场模拟分析的发展。Anabor等[17]通过大涡模拟方法开展了下击暴流三维风场数值模拟，跟踪了下击暴流演变过程，能够较好地模拟还原出下击暴流风场中的脉动特性及涡旋状态。瞿伟廉等[18-20]采用计算流体动力学软件Fluent探究了下击暴流扩散的细部微观风场结构，分析了瞬时风速分布及风场初始条件的影响。钟永力等[21]对比分析了静止型与移动型的下击暴流风场特性，结果表明由于下击暴流风暴中心的移动导致涡旋衰减较慢、局部风速较大。

最早，Oseguera及Bowles等[22]提出了一个下击暴流平均风速的轴对称理论模型，简称OB模型。Vicroy等[23]改进了OB模型的形状函数，定义了一个与实际风速剖面更符合的OBV理论模型。但OB和OBV理论模型尚未考虑雷暴中心移动对下击暴流风速的影响。为此，Holmes等[24]认为下击暴流风速为其径向平均风速与雷暴中心移动速度矢量和，忽略了脉动风速的影响。Chen等[25-28]采用幅值调幅函数和标准高斯分布过程计算下击暴流的零均值脉动风时程，提出了下击暴流的风速时程U(z,t)计算方法，表达式如下：

(1)

u(z,t)=α(z,t)·k(z,t)

(2)

2 下击暴流作用下输电塔体系的风振响应

据相关统计，我国绝大部分地区均会受到下击暴流强对流天气的影响，尤其在西南部地区最为频繁，平均每周1次以上。下击暴流的风速剖面区别于大气边界层近地风风，时变平均风速差异大，如图3所示，脉动性较强，对工程结构具有极大的破坏性，尤其是对于高耸、轻柔的输电塔体系而言。然而，目前尚无下击暴流极端强风荷载设计的相关规范，大量建设的输电塔结构仍采用大气边界层平稳风荷载设计方法[29，30]，无法保证输电塔体系对抗下击暴流的安全性。为此，研究者们开展了下击暴流极端强风下输电塔体系的风振响应研究。

图3 下击暴流与近地风平均风剖面对比

楼文娟等[31，32]以输电塔体系为研究对象，对比分析了时域与频域风振响应分析方法，结果表明时域分析法更适合输电塔线体系的动力风振响应研究。

吉柏锋等[33]对输电塔结构进行了下击暴流极端强风荷载作用下的弹塑性分析，分析发现塔身中上部的斜腹杆和主杆失稳破坏是导致输电塔结构倒塌破坏的主要原因。

何典等[34]采用拟静力方法分析了下击暴流作用下平地、山坡、山体不同地形输电塔体系的破坏过程，以及风向角、档距对输电塔线承载能力的影响。

洪飞等[35]基于谐波合成法研究了下击暴流脉动风速对塔线体系的影响，对比分析了下击暴流与大气边界层良态风对塔线体系风振响应的差异。

郭勇等[36，37]将输电塔的风振响应分解为共振分量和背景风量，采用理论计算和试验研究方法，分析了在下击暴流极端强风荷载作用下输电线对这两部分分量的影响，并提出了一种塔线体系的简化计算方法。

谢强等[38，39]研究了单塔和塔线体系在均匀流场和紊流场的风致响应,通过分析不同风攻角、流场及风速工况下塔线体系动力响应数据,总结出了导线、绝缘子和输电塔风致振动规律，通过功率谱密度分析，揭示了输电塔线耦联体系的风荷载传递机制。

魏文晖等[40]基于能量法开展了下击暴流作用下输电塔线体系的倒塌全过程分析，通过特征能量函数的动力稳定性判定准则可准确迅速预测输电塔线体系整体倒塌的时间。

王唯等[41]基于有限质点进行了输电塔线体系抗下击暴流动力响应分析，模拟了单塔和塔线耦合体现的倒塌全过程。

3 输电塔体系优化设计

输电塔体系在下击暴流极端强风作用下具有显著的响应特性，杆材会发生不同程度的破坏。有必要在满足安全使用要求的前提下，进行输电塔结构的优化设计，降低结构用钢量，预防结构发生倒塌等破坏，推动电力工业向着安全、绿色、环保的目标进一步发展。

输电塔结构作为一种特殊的工程结构，其优化设计包括对塔身截面、形状、拓扑优化和减振控制。

樊社新等[42]以钢材重量为目标函数，采用满应力准则和动态规划法相结合的方法对输电塔截面进行优化设计。目前，我国有关设计软件主要是以满应力准则进行优化设计，优化策略较为单一。

祝晓燕等[43]基于非线性规划法采取分层优化交替进行，给出了多种工况下的输电塔形状优化。后来，随着各种启发式算法的推广应用，各种算法用来对输电塔结构形状进行优化。

文献[44]中以杆件截面尺寸和节点坐标为设计变量，以塔身重量为目标函数，进行输电塔结构形状优化。

张卓群等[45]基于蚁群算法提出了一种可同时进行截面、形状、拓扑、布局优化的输电塔结构局部优化设计方法。在蚁群算法的基础上，林又新等[46]结合经典的旅行商问题建立了一种离散系统的拓扑优化方法，通过算例验算证实了该拓扑方法对平面和空间的输电塔结构具有良好的优化效果。

输电塔结构常布置调谐质量阻尼器(TMD)、黏滞阻尼器、黏弹性阻尼器等耗能设备消耗一部分振动能量，减小主体结构的振动。TMD易于安装、设计方便、经济高效等优点，但仅对有限振型的减振效果良好。胡松等[47]采用多个调谐质量阻尼器(MTMD)进行大跨越输电塔结构的风振控制分析。陈亦等[48]分析了MTMD和黏弹性阻尼器对输电塔结构风振控制的联合效果。康元品等[49]对比了5种黏滞阻尼器的布置方式，评估其对山区转角塔的风振控制效果，得出黏滞阻尼器的最优布置方案。雷旭等[50]为减轻输电塔断电线的冲击效应和较大的风致振动问题，设计了一种弹簧板式电涡流调谐质量阻尼器，通过数值模拟和风洞试验方法对比分析了有无该阻尼器对输电塔结构风致振动的影响。

4 研究展望

本文从下击暴流强风风场特性、输电塔风振响应及优化设计三个方面总结了下击暴流作用下输电塔体系的研究成果，但结合相关工程实际案例发现仍有一些问题亟须解决。为此，提出了如下研究展望：

(1) 我国常受到下击暴流灾害侵袭，但目前有关结构设计规范中尚无下击暴流强风荷载的设计计算方法，需提出一种方便设计使用的下击暴流风荷载计算方法。

(2) 目前，大多数输电塔结构采用良态风进行抗风设计，其对抗下击暴流强脉动风的安全性能需要全面评估，如何建立一种安全、可靠、方便的输电塔结构抗下击暴流能力的评估方法。

(3) 输电塔体系复杂，其抗风性能影响因素众多，如何考虑结构已有部分缺陷，诸如连接节点螺栓松动、滑移，对输电塔体系抗下击暴流的静力性能和动力响应的影响。