不銹鋼管輸電塔塔身節(jié)段模型風洞試驗概況

  不銹鋼管輸電塔塔身節(jié)段模型和單片迎風面桁架模型采用亞克力薄壁玻璃管按1∶20的縮尺比制作，塔身節(jié)段主材、斜材的布局與位置參考不銹鋼管塔高度處塔身節(jié)段設計。為了得到鋼管輸電塔背風面荷載降低系數(shù)，設計制作不銹鋼管輸電塔單片桁架模型，桿件及軸線尺寸與塔身模型迎風面保持一致.試驗模型固定于鋁制底板，并對底板做擋風處理，避免其受到風荷載作用而對試驗結果產(chǎn)生干擾。通過改變模型桿件直徑，設計制作迎風面密實度分別為0.12、0.18、0.28、0.33的4類塔身節(jié)段及單片鋼管桁架模型，寬高比如圖所示.最大阻塞率為0.8%，滿足阻塞率要求.為了減小風洞底部邊界層的影響，將模型抬高0.2m，并在模型上下端安裝水平擋板，使模型在二維流場下進行測力試驗。

  不銹鋼管輸電塔高頻天平測力風洞試驗在浙江大學邊界層風洞試驗室ZD-1內(nèi)進行。該風洞試驗室是閉口回流式矩形截面單試驗段風洞，試驗段尺寸為4m×3m×18m（寬×高×長）。ZD-1風洞采用自主研發(fā)的多功能豎向隔柵組合裝置模擬均勻湍流場，如圖所示.實測均勻湍流場下湍流度剖面如圖5所示.圖中,為測點距風洞底板的高度。由圖可知，試驗模型高度范圍內(nèi)來流湍流度約為8.5%.采用德國ME-SYSTEM公司生產(chǎn)的高頻動態(tài)測力天平K3D120測量模型所受到的風荷載，其量程為橫風向力kN，順風向力kN，測量精度為全量程的0.5%.在各工況下，天平采樣頻率均設定為300 Hz，采樣時間為30秒。限于篇幅，不涉及不銹鋼管輸電塔角度風分配系數(shù)的研究，因此所有工況下的風向角均為0°，即來流垂直迎風面桁架。本試驗在均勻?qū)恿鲌龊途鶆蛲牧鲌鲞M行且安裝了上下端的水平擋板以構造二維流，故在計算氣動力參數(shù)時認為風速和湍流度沿模型高度固定不變。

   2類流場下不銹鋼管塔背風面荷載降低系數(shù)如圖所示，由圖可知：在2類流場下，背風面荷載降低系數(shù)整體小于中國規(guī)范建議值，且均隨風速的增加而逐漸增大，表明風速的增大會使迎風面桁架對背風面桁架的遮擋效應逐漸減弱；在風速接近20 m/s時，上述2類流場下的背風面荷載降低系數(shù)趨于穩(wěn)定，其中均勻?qū)恿鲌鱿纶吔?.77，均勻湍流場下趨近于0.85；整體而言，均勻湍流場下背風面荷載降低系數(shù)在各風速下均大于均勻?qū)恿鲌鱿碌慕Y果，表明在亞臨界雷諾數(shù)的來流條件下，湍流度的增加同樣會使迎風面桿件對背風面桿件的遮擋效應減弱.從串列雙柱繞流機理角度分析，來流湍流度的增加使得前柱的渦脫減弱且渦脫更為無序，從而使得前柱對后柱的干擾效應減小，后柱體型系數(shù)增加，即背風面荷載降低系數(shù)增加.綜上所述，在亞臨界雷諾數(shù)的試驗條件下，湍流度的增加會導致：單片桁架體型系數(shù)減??；迎風面桿件對背風面桿件遮擋效應減弱，即背風面荷載降低系數(shù)增加。上述2類效應的相互作用導致鋼管塔塔身節(jié)段體型系數(shù)與均勻?qū)恿鲌鱿碌脑囼灲Y果相差不大。

  單片桁架體型系數(shù)隨密實度變化的實測結果如圖所示，并與中國、日本和英國輸電線路設計規(guī)范的建議值進行對比。由圖可以看出：在均勻湍流場下，單片桁架體型系數(shù)的實測值總體隨密實度的增加而逐漸減小，與日本規(guī)范中亞臨界雷諾數(shù)下圓截面構件體型系數(shù)變化趨勢保持一致，而中國規(guī)范并未考慮密實度對的影響；單片鋼管桁架體型系數(shù)的實測值總體大于中國規(guī)范取值，且在小密實度的情況下偏大程度較為明顯，因此建議中國規(guī)范，考慮密實度對單片鋼管桁架體型系數(shù)的影響.忽略密實度對的影響可能導致在設計小密實度不銹鋼管輸電塔時低估的取值。不銹鋼管塔塔身節(jié)段體型系數(shù)隨密實度變化的試驗結果如圖所示，并與美國等國內(nèi)外規(guī)范進行對比.由圖可以看出：在均勻湍流場下，來流風速對塔身節(jié)段體型系數(shù)的影響較??；隨密實度的增加，從2.08逐漸下降到約1.80，變化趨勢與圖中所列規(guī)范對于亞臨界雷諾數(shù)下鋼管塔體型系數(shù)的建議取值的變化趨勢一致；實測總體與中國規(guī)范建議取值較吻合，在常見密實度范圍內(nèi)(~0.3），實測值偏大不超過5.0%，可認為中國規(guī)范對于亞臨界下的建議值滿足工程要求。

  如表所示為不銹鋼管塔塔身節(jié)段體型系數(shù)隨寬高比變化的實測結果，并與中國規(guī)范和英國規(guī)范進行對比。寬高比的增加導致迎風面桿件對背風面桿件的遮擋效應減小，背風面桿件所受到的風荷載增加，因此塔身節(jié)段的體型系數(shù)隨寬高比的增加而增大.在均勻湍流場下的實測結果證實了上述推論.由表可知：

1）隨著寬高比的增大，塔身節(jié)段體型系數(shù)從1.97逐漸增大到2.14；

2）當寬高比較小時，實測結果與中國規(guī)范吻合較好，但與英國規(guī)范的偏離程度較大；

3）當寬高比較大時，實測結果與中國規(guī)范偏差相對較大，所以在設計較大寬高比的鋼管輸電塔時，中國規(guī)范對于塔身節(jié)段體型系數(shù)的建議取值偏不安全。

  如圖所示為不銹鋼管塔背風面荷載降低系數(shù)隨密實度變化的實測結果，并與國內(nèi)外規(guī)范進行對比.由圖可以看出：在均勻湍流場下，背風面荷載降低系數(shù)實測值整體介于中國規(guī)范和英國規(guī)范之間，當密實度較大時，實測值與中國規(guī)范吻合較好，但當密實較小時，實測值較中國規(guī)范偏小程度較大，與英國規(guī)范較接近。寬高比的影響如表所示為當密實度為0.18時不銹鋼管塔背風面荷載降低系數(shù)隨寬高比變化的試驗結果，并與中國規(guī)范和英國規(guī)范進行對比.由表可以看出：在均勻湍流場下，隨著寬高比的增加，鋼管塔背風面荷載降低系數(shù)從0.69逐漸增大到0.83，表明隨著寬高比的增加，迎風面桿件對背風面桿件的遮擋效應逐漸減弱；實測總體介于中國規(guī)范和英國規(guī)范之間，當較小時，實測值較中國規(guī)范偏離程度較大.結合實測數(shù)據(jù)和英國規(guī)范，認為中國規(guī)范對不銹鋼管輸電塔背風面荷載降低系數(shù)取值存在一定程度的高估.基于實測結果，建議對鋼管塔背風面荷載降低系數(shù)進行調(diào)整。

  在亞臨界雷諾數(shù)的試驗條件下，湍流度的增加導致單片桁架體型系數(shù)的減小以及背風面荷載降低系數(shù)的增大，同時結合圓柱繞流機理對上述現(xiàn)象的產(chǎn)生原因進行分析可知，均勻湍流場下鋼管塔塔身節(jié)段體型系數(shù)和均勻?qū)恿鲌鱿碌脑囼灲Y果不存在顯著差異。單片鋼管桁架體型系數(shù)的試驗結果總體大于中國規(guī)范取值，且在小密實度的情況下偏大程度較為明顯，建議中國規(guī)范考慮密實度對單片鋼管桁架體型系數(shù)的影響。隨著寬高比的增加，鋼管塔背風面荷載降低系數(shù)逐漸增大，表明寬高比的增加會使迎風面桿件對背風面桿件的遮擋效應減弱。中國規(guī)范對不銹鋼管輸電塔背風面荷載降低系數(shù)的取值在小密實度的情況下存在一定程度的高估，建議對鋼管輸電塔背風面荷載降低系數(shù)進行部分調(diào)整。