大跨越输电塔-线体系动力特性和风振控制研究
华中科技大学
博士学位论文
大跨越输电塔-线体系动力特性和风振控制研究
姓名：尹鹏
申请学位级别：博士
专业：结构工程
指导教师：方秦汉;李黎
20090527
摘要
发展特高压输电技术是国家“十一五”期间的重大技术政策，是电力与土木领域赶超世界先进水平的攀登计划，特高压输电线路的建设对我国经济的持续发展将产生重大作用。输电塔-线体系作为特高压输电线路的支撑体，它是由导线、绝缘子和输电塔组成的具有强烈非线性的复杂耦联体系，而大跨越则是特高压输电线路中跨越大江大河的塔-线体系。由于大跨越输电塔是一种高耸柔性结构，对风荷载等动荷载比较敏感，易产生较大的动力响应。对大跨越输电塔-线体系进行振动控制研究是电力工程与土木工程界一个重要的研究课题，既有其重要的理论意义，又有其重要的经济价值。
本文的研究主要在大跨越输电塔-线体系的动力特性，风荷载特性和数值模拟，橡胶铅芯阻尼器的研发和布置方法，风振控制，风控效果的敏感性和验证，地震响应等方面开展，希望能给出在工程实际运用时大跨越输电塔的动力特性计算和风振控制方法的合理选择指引。主要工作包括以下方面：
(1)研究了大跨越输电塔-线体系进行精细建模的方案，着重分析了对杆件和节点的不同处理对计算分析结果的影响。提出了基于模态识别技术提取大跨越输电塔-线体系中塔架第一周期的方法，归纳了考虑导（地）线及绝缘子的刚度和质量的影响后，大跨越干字型塔和酒杯塔的第一周期近似公式。研究了两种模型（简化导线体系模型与分裂导线模型）中塔架的自振周期和振型之间的差异，证明了可以用简化导线体系模型来代替分裂导线体系模型，进行各种动力响应分析。
(2)编制了空间相关的风速场模拟程序WVFS，生成了设计风速下风荷载的时程样本。在精确模拟的基础上，对风场模拟结果进行了误差分析，推导了一个风场样本的均值、相关函数、功率谱函数、根方差等概率统计量的时域估计表达式。将由该风场产生的动位移与按电力设计规程简化计算方法产生的静位移进行了比较，证明了空间相关风速场的数值模拟是合理的。
(3)研发了橡胶铅芯阻尼器，介绍了其工作原理和细部构造。通过对橡胶铅芯阻尼器进行性能试验，得到了加载频率、应变幅值和铅芯直径等因素对橡胶铅芯阻尼器性能的影响，对阻尼器的耐久性能进行了说明，推导了阻尼器各个参数的计算公
式。研究了阻尼器的位置优化方法，并提出了具体安装方案。设计了实际工程中阻尼器的连接和安装方法，并讨论了阻尼器对主体结构的影响。
(4)进行了橡胶铅芯阻尼器控制前后不同风向角的动风下大跨越输电塔-线体系的动力响应计算，分析了各控制点位移和各控制钢管内力的控制效果。研究表明：阻尼器控制后大跨越输电塔-线体系的位移、内力响应均大幅降低；各风向角动风作用下均会引起大跨越输电塔-线体系的横线向和顺线向振动；同时，位移响应的最不利风向角与内力响应的最不利风向角不一定相同；此外，顺风向风荷载调整系数得到有效减少，动力可靠度有所提高。
(5)研究了大跨越输电塔-线体系风控效果的敏感性和橡胶铅芯阻尼器的实用性，从橡胶铅芯阻尼器的变形、刚度和阻尼各自的减振效果等方面验证了阻尼器的风控效果。研究表明：塔高和输电线张力均会影响大跨越输电塔-线体系的横线向与顺线向的位移和加速度响应和风控效果。在设计风速下，安装于优化位置的橡胶铅芯阻尼器均能正常工作，其刚度和阻尼对大跨越输电塔-线体系的风控效果均有贡献，阻尼发挥了主导作用。
(6)用时程分析方法计算了地震作用下大跨越输电塔-线体系在橡胶铅芯阻尼器控制前后的时程响应。研究表明：地震作用下大跨越输电塔-线体系的位移响应远远小于设计风速下的动风位移响应，在设计工作中应以动风荷载作为输电塔的控制荷载。由于输电塔在地震作用下的位移响应很小，其控制效果相应较小。
关键词：大跨越输电塔-线体系 模态识别 橡胶铅芯阻尼器 风向角 风振控制 时程分析 风荷载调整系数 动力可靠度
Abstract
The development of special high-voltage transmission technology is one of the most significant technology policys of the Eleventh-five National Key engineering project, while it is the climbing plan to surpass the world's advanced level in power and civil areas, whose construction will have significant function to our country’s sustained economic development. As the support body of special high-voltage transmission line, the tower-line system is a strong non-linear coupled system, which is composed by wire, insulators and power transmission towers, while the long-span is a special case across great rivers. Long-span transmission tower is a high flexible structure, it is sensible to dynamic load, especially to wind, which would easily generate significant dynamic response. It is an important researching subject for both power engineering and civil engineering to control the vibration of long-span transmission tower due to its important theoretical meaning as well as economical value.
In order to provide a guide of the reasonable methods in natural vibration period and wind-induced vibration control, the dynamic characteristics, the numerical simulation of wind load, the research and development of lead-rubber damper, the effect of wind-induced vibration control and its verification, the seismic response deserve special attention. Consequently, study on the following aspects would be included in this dissertation.
(1)Delicate modeling programs have been studied for long-span transmission tower-line system using finite element method, focusing on different treatments of the poles and nodes. Based on modal identification techniques, the natural vibration period of transmission tower in tower-line system were obtained for two different types, while the stiffness and weight of transmission line and insulator were considered. The natural vibration period and mode shapes of the towers in simplified model and bundle conductors model were researched, the former can be used to simplify the latter to execute a variety of
dynamic response analysis.
(2)A simulation program WVFS has been compiled to simulate applicable fluctuating wind velocity field in this paper.The examination was carried on from the detailed derivation of average value, correlation function, power spectral density and root variance. According to the research on simplified method of the electric power industry, it could be got that there are little differences between the displacements derived here by FELM time history method and that derived by simplified method, which means that the simulation on space relevant wind velocity field are reasonable.
(3)The lead-rubber damper (LRD) was developed, while its working principle and structure were introduced. According to the performance testing, the loading frequency, strain amplitude, lead diameter and durability were considered, the formula for parameters of LRD were derived. According to the research on optimalizing location of LRD, the specific installation scheme was obtained. The connection and installation methods, the impact on the structure were discussed.
(4)The time history analysis method was used to calculate the response of the wind-induced response of long-span transmission tower-line system. According to the research on the displacement and internal force of the main material under five wind directions, the effects of wind-induced vibration controlling were obtained. The most disadvantageous wind direction of the displacement and inner force are not always identical, so the different input wind direction in engineering design should be considered. Dynamic wind in different directions would lead to both transverse and longitudinal vibration of the tower. Besides, the adjustment factors along wind were obvious decreased, while the dynamic reliability has improvement in a certain extent.
(5)The sensitivity of the controlling effect and the practicality of LRD were researched for long-span transmission tower-line system. According to the research on the deformation, stiffness and damping effect of LRD, the controlling effect is verified. The response and controlling effect of displacement and acceleration in transverse and longitudinal would be affected by tower height and tension of transmission lines. It is also
proved that all the LRD are ensured to work under design wind velocity according to the research on LRD deformation; it is also proved that the controlling effect is not ideal when only member stiff is increased according to the research on controlling effect under dynamic wind when apply only stiff to the members on which the dampers used to be applied.
(6)The time history analysis method was used to calculate the response of the seismic response of long-span transmission tower-line system. It is shown that the seismic displacement response is far less than dynamic wind, which means it should be based on dynamic wind loads in the design work. Due to the seismic displacement response is very small, the controlling effect is not ideal.
Key words: long-span transmission tower-line system modal identification techniques lead-rubber damper wind directions wind-induced vibration control
time history analysis adjustment factors dynamic reliability
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得
的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他
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日期：2009年 月 日
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日期：2009年 月 日 日期： 年 月 日
本论文√
1绪论
1.1研究的目的和意义
输电塔-线体系通常是指由输电塔，导（地）线、悬挂绝缘子及金具等共同组成的，主要用于高压、超高压或特高压输电的连续架空结构体系。大跨越输电塔-线体系[1]指的是“线路跨越通航大河流、湖泊或海峡等，因档距较大（在1000m以上）或输电塔较高（在100m以上），导线选型或输电塔设计需特殊考虑，且发生故障时严重影响航运或修复特别困难的耐张段”。
随着国民经济的迅速发展、科技进步和环保意识的增强，电力工业作为经济建设和人民生活的支柱产业正在发生着巨大地变化。以前苏联和日本为代表，分别于1985年和1992年建成了1150kV和1000kV的特高压输电线路并投入运营使用，这标志着输电模式进入了特高压输电技术阶段。此后，各主要发达国家，如美国、日本和意大利等，纷纷规划并建设特高压输电线路，如表 1-1所示[2]。使得特高压输电方式成为当今电力供应的主要发展模式。
表 1-1 各国超高压输电线路建设规划
电压/kV
拟输送容量/MW 拟输送距离/km 建设原因
国别
标称最高
1150 1600 5000 >480 大容量
美国
1100 1200 8000-10000 300-400 大容量
日本 1000 1100 8000 250 大容量、短路电流、走廊
意大利 1000 1050 5000-10000 300-400 大容量、走廊
加拿大 1000 10000 1200 大容量、长距离在我国特高压输电建设的发展相对滞后，虽然已经建成覆盖全国的高压输电网络，但输电线路的最高电压仅为750kV，电力生产与供应尚不能完全满足经济建设对能源的需求，与发达国家相比存在一定的差距[3]。为满足国民经济快速发展的需求，解决长距离、大容量送电的需要，实现东西部能源的优化配置，我国已经开始建设1000kV交流、800kV直流特高压电网，从而在更大范围内配置电力资源，力争到2020年实现电力资源的“全国联网、西电东送、南北互供”，以解决局部区域电力资源匮
乏的问题。可见，特高压输电工程在我国具有良好的建设前景。
特高压是高负荷电能输送的载体，是重要的生命线工程。输电塔-线体系作为特高压输电线路的支撑体，它是由导线、绝缘子和输电塔组成的具有强烈非线性的复杂耦联体系，而大跨越则是特高压输电线路中跨越大江大河的塔-线体系。由于高度高、跨度大，在风荷载[4]、覆冰、脱冰[5]以及断线[6, 7]作用下的动力响应非常复杂而强烈。它的破坏会导致整个供电系统的瘫痪，这不仅严重影响人们生产、生活秩序，还会产生多种次生灾害，给社会和人民的生命财产造成非常严重的后果[8]。例如，2008年初我国南部省份遭受到历史罕见特大暴风雪的袭击，引发了大面积的断线、倒塔事故。灾害实例分析表明：一方面，我们对于荷载作用机理和结构动力响应特性存在理论认识上的缺陷和不足；另一方面，由于设计理论的局限性，使得现有结构体系的减振控制措施不尽合理[9, 10]。因此，结合国内外大跨越输电塔-线体系的研究现状，展开系统的理论研究，保证其安全性和稳定性已成为结构工程界迫切需要解决的课题。
本文基于特高压大跨越输电工程良好的发展前景和工程建设需求，针对大跨越输电塔-线体系风振控制的要求，研发了一种橡胶铅芯阻尼器[11-15]。通过阻尼器的性能试验，推导了阻尼器的参数。探讨了阻尼器的位置优化方法，使其有较好的控制效果，并提出了具体安装方案。通过三维有限元仿真和模态识别技术，研究了大跨越输电塔-线体系的动力特性。通过风荷载的数值模拟，计算了橡胶铅芯阻尼器控制前后大跨越输电塔-线体系的风振响应、顺风向风荷载调整系数、动力可靠度的变化，并对风控效果的敏感性和阻尼器的实用性进行了研究。最后用时程分析方法研究了地震作用下橡胶铅芯阻尼器控制前后大跨越输电塔-线体系的动力响应，为我国特高压输电塔的建设和安全运营提供技术参考。
1.2大跨越输电塔-线体系的风振控制
随着塔高、档距的增大以及高强轻质材料的应用，大跨越输电塔对风振激励更加敏感。为减小输电塔的振动响应，除了研究承重体系本身的抗振和构造要求之外，还需要对振动控制技术进行研究。结构振动控制理论在输电塔-线体系中的应用起步较晚，目前仍处于初期发展阶段，控制方式以被动控制为主。
在大跨越输电塔-线体系中实现振动控制主要有两条途径[16]：一是通过减小外激
励幅值()F t 来降低结构的动力响应；二是通过改变脉冲响应函数()h t ，即改变内在
性能如阻尼比ξ、频率ω或质量等以减小结构的动力响应。
由于大跨越输电塔-线体系具有轻柔的特点，以往的减振措施[17, 18]主要是用控制
元件减振，或减小分裂导线的档距、增大线路阻尼，以控制线路的振动、减缓线路
疲劳。随着塔高的不断增大，其控制措施由线路振动控制转向结构的振动控制。
对于大跨越输电塔-线体系而言，减振控制主要有两方面问题[19, 20]：一是根据结
构的动力特性，选用适当的阻尼器，优化参数；二是阻尼器在输电塔上的优化布置，
以达到最佳的控制效果。下面对各种减振装置的特点进行分析，以便根据大跨越输
电塔的减振要求选择最合适装置。
1 TMD
TMD 因其构造简单、造价低，在工程中得到了广泛的应用[21, 22]，早在70年代
就开始用于高耸和高层钢结构风振控制。但是，TMD 存在以下不足：
(1)只能用于控制结构某个振型的反应，而且控制效果对频率非常敏感。由于需
要将TMD 系统调频到与被控振型共振的频率，
TMD 系统中质量块的行程通常较大。 (2)TMD 的控制能力有限。例如，当TMD 系统附加的阻尼比不超过4%时，其
质量与被控振型广义质量之比为3%。因此，对阻尼比稍大的结构，如钢筋混凝土结
构，其控制效果较差。
(3)TMD 会增大结构的竖向恒载，对输电塔的设计不利。
2 粘弹性阻尼器
粘弹性阻尼器通过增加结构的阻尼、耗散振动能量来达到减振的目的[23-26]。它
不但可以提供阻尼，还可以提供附加刚度。
粘弹性材料是一种高分子聚合物材料，它同时具有粘性液体和弹性固体的特性。
弹性固体虽然能储存能量，但不能耗散能量；粘性液体有耗散能量的本领，却不能
储存能量。因此，只有性能介于粘性液体和弹性固体之间的粘弹性材料才能储存并
耗散能量。当其受到交变应力作用时，一部分能量像位能那样储存起来，另一部分
则转化为热能而耗散。由于粘弹性材料的力学性能不同于弹性材料，因此在交变应
力下的应力-应变曲线也不全相同。施加交变应力之后，弹性材料的应力-应变曲线近
乎为一直线；而粘弹性阻尼材料的应变却滞后于应力，其应力-应变曲线为椭圆形的滞回曲线，滞回曲线所包围的面积即为粘弹性材料所耗散的能量。
粘弹性阻尼器具有减振效果好、安装维护方便等优点，其缺点是阻尼力有限，因此耗能也非常有限。
3油阻尼器
油阻尼器也是通过增加结构的阻尼、耗散振动能量来达到减振的目的[27, 28]。但是油阻尼器只提供线性的粘滞阻尼力，不提供附加刚度。油阻尼器的性能完全依赖于油体材料，在不同温度下其性能变化较大，耐久性较差，造价较高。
4MR阻尼器
MR阻尼器是利用磁场作用下液体的流变效应提供可控阻尼的[29-32]。MR阻尼器的参数随所加电压的不同而不同，具有能耗低、出力大、响应快、阻尼力顺逆可调、工作稳定性强等特点。
大跨越输电塔-线体系要求阻尼器对不同频率的振型都有很好的控制效果，还要求阻尼器安装方便、环境适应能力强、耐久性好、造价不高，安装后不能增加输电塔的受风面积，影响输电塔的外观，也不能增加太多的恒载，更不允许削弱输电塔的刚度，而且也无法给阻尼器提供能量。针对上述要求，本文研发了一种橡胶铅芯阻尼器，能很好满足以上要求，又有较好的控制效果。
1.3大跨越输电塔-线体系的研究现状
大跨越输电塔-线体系是由输电塔和导（地）线组成的柔性张力索-塔结构。在动力荷载作用下，结构动力反应表现为明显的随机性和几何非线性特征。以往对大跨越输电塔-线体系的研究多集中于准静态方面，随着规模的扩大与结构形式的复杂化，已不能满足设计要求。因此结构分析应向动态分析转变，同时考虑塔-线体系的耦合效应、结构阻尼和气动阻尼力等因素的影响。
1.3.1动力计算模型研究
大跨越输电塔-线体系动力响应分析前首先要解决力学模型问题，工程上通常根据结构构造、受力特征等情况进行结构简化。国内外学者根据侧重点的不同，建立不同的力学模型对动力响应进行研究。
在目前的结构设计中，输电塔与输电线是分开考虑的。首先计算输电线荷载，然后将其作为外力施加于输电塔上，由此再进行设计与计算，这样得到的计算结果和结构体系的实际工作情况还是有一定差异的。实际上，输电线在脉动风的作用下发生振动，并将这种振动通过绝缘子传递到输电塔，而输电塔在风荷载的激励下也会产生振动，反过来又使输电线的张力发生变化。这样一来，输电塔和输电线就形成了复杂的动力耦合体系，相互影响。研究表明：输电线对输电塔的自振特性有较大的影响，计算地震内力时，输电线对输电塔纵向地震反应的影响可达34%[33, 34]；假设风荷载与输电线荷载同时作用于塔身，风荷载作用下输电线的动力影响也相当可观[35]。因此，对大跨越输电塔-线体系进行风振、地震响应研究，建立合理的、准确的模型是非常关键的。
H.Max Irvine[36, 37]阐述了输电线振动的静动力分析方法，分考虑与不考虑输电线刚度两种情况，采用连续体模型分析了两端固定输电线的动力特性。
S.Ozono[38, 39]在试验的基础上提出了求解大跨越输电塔-线体系在平面动力特性的两种模型：在低频段，平面内振动的动力特性比较接近多质点模型；在高频段，将输电塔简化成质量集中于顶部的悬臂杆，导线简化成无质量的弹簧，输电塔之间由无质量的弹簧相连，形成耦联摆动模型。
H.Yasui[33]用梁和桁架单元模拟输电塔，用桁架单元模拟导线与绝缘子，采用时程分析方法计算了输电塔-线体系的风振响应。比较了不同边界条件下输电塔-线体系动力特性的差别，证明了采用时程分析方法所得的位移峰值比采用功率谱的谱分析方法时大。
李宏男等[9, 10]采用了多质点模型进行大跨越输电塔-线体系的地震反应研究。将输电线简化为多个集中质点，其间由刚性杆相连，将输电塔简化为多个集中质量的多自由度体系。体系作平面外横向振动时将导线简化为垂链；体系作平面内纵向振动时，将导线简化为两端固定的悬索。
梁枢果等[40, 41]在李宏男工作的基础上进一步考虑了节点纵向位移二阶小量的影响，基于大跨越输电塔-线体系的高柔特性和风荷载的特点，对其动力特性和风振响应做了更深入地研究，使多质点模型能同时用于地震和风振响应的计算。
刘群等[42]通过现场实测结果证明，输电塔的实测频率与单塔模型的计算结果相
差较大。据此，将绝缘子简化为具有一定刚度的弹簧，建立了一种弹簧支撑的导线模型，并推导了导线振动的超越方程。
张朝阳等[43]认为导线在自重作用下为一悬链线，其低频振动几乎不受抗弯刚度的影响。推导了无抗弯刚度悬链线的振动微分方程，利用方程的一般解求得一般传递矩阵，可处理任意对称与反对称浅悬链线。
何锃等[43-45]以中山口大跨越的分裂导线为研究背景，分析了分裂导线的静动力特性。基于悬链线模型推导了三分裂导线的单元矩阵，同时用有限元法计算了导线在铅垂面内的固有频率和振型。
马星等[46, 47]在H.Max Irvine研究的基础上，通过考虑输电塔和导线动力相关关系，建立了体系的耦合振动方程，以此来求解体系的风振响应。依据多振型多自由度曲线索单元理论，用多阶振型函数的组合来表示导线的振动位移，将外荷载表示为对称和反对称函数的形式，代入导线的变形协调方程，得到导线的动张力变化量。据此得到考虑了耦联影响的输电塔-线体系运动方程，进而求解体系的风振响应。
胡松等[22, 48]分别采用索单元、预应力杆单元和杆单元来模拟输电线、绝缘子及塔杆，将输电线离散成一系列小挠度的索单元，用该模型对输电塔-线体系进行了静力和风振响应分析。结果表明，该方法具有较高的计算精度。
赵滇生[49]分析了节点的构造和刚度等因素对塔架动力性能的影响，讨论了不同有限元模型、连接偏心对模态的影响，指出了各种有限元模型在塔架动力特性分析中的特点和适用范围。
傅鹏程等[50]以不同高度、不同类型的输电塔为原型，利用模态分析研究了输电塔的动力特性，并用实测数据对周期估算公式进行了修正。
1.3.2荷载及其作用机理
大跨越输电塔-线体系的荷载主要有恒载、地震和风、雨和覆冰等。目前，在结构设计中只考虑了恒载、地震和风荷载的静力效应，对其它荷载尚处于研究阶段。
风荷载对大跨越输电塔-线体系的设计起控制作用，分为平均风荷载和脉动风荷载两部分。平均风荷载是指大气边界层内传递周期远远大于大跨越输电塔-线体系的自振周期的风速，在结构表面所形成的风压作用可视为静荷载。脉动风荷载是指周期较短且接近大跨越输电塔-线体系自振频率的风速，对结构的作用被视为动荷载。
脉动风荷载是使结构体系产生动位移、加速度和惯性内力等动力响应的主要原因，
一般将其假定为具有零均值且具有各态历经性的平稳随机过程。
目前，风速时程的数值模拟方法主要有线性滤波器法、谐波叠加法和小波生成
法三种。Samaras 和Mignlet 等[51-53]基于自回归技术提出线性滤波器法，主要用于一
维风场的模拟；
Shinozuka 和Jan 等[54-56]利用三角级数的可叠加性于1972年提出谐波叠加法，在应用中进行了改进；Farge 和Hayashi 等[57, 58]于1992年提出了小波生成
法，是由小波变换技术派生出来的随机过程模拟方法，2003年Kitagawa [59]又做了进
一步的改进和完善。
卢文生[60]采用空气面层湍流的谱张量模型模拟了脉动风。王之宏[61]考虑了随高
度变化的风谱，通过一组余弦函数的和模拟了脉动风。祝贺[62]考虑了空间相关性的
影响，采用时间序列分析中的AR 模型方法模拟了脉动风。白海峰[63]适当修正了谐
波叠加法和谱分解法，建立了脉动风速时程数值模拟方法。
风荷载受输电线路跨越地区地形和气候条件的影响很大，Takahashi 等[64, 65]发现
在沿海地区、丘陵地区，风荷载随地形、地貌的变化而不同，对大跨越输电塔-线体
系的动力反应也有显著差别。风与强降雨的共同作用造成输电塔-线体系破坏的作用
机理还有待研究[66]。导线覆冰会增加导线的内力，覆冰的脱落还会引起导线的振动，
使导线产生内力增量，如果覆冰导线遇到风的作用，除发生弛振外，还会引发塔-线
耦合振动效应[67, 68]。Shehata 等[69]发现，在台风、龙卷风等多发地区，风荷载作用的
同时还伴随有降雨过程，其荷载的力学模型需要专门的研究。
1.3.3 动力试验与实测研究
风洞试验是对大跨越输电塔-线体系进行动力学研究的主要手段，试验内容包括
模拟体系在湍流场中的动力响应，分析结构的动力特性，检验阻尼器对体系的振动
控制效果，为结构设计测定必要的参数等；试验设计包括结构模型设计和湍流场模
拟。结构模型设计除了要求与原结构外形相似以外，还要求雷诺数（/UD v ）、佛罗
德数（U ）、弹性参数（2/a U E ρ）、惯性参数（/a s ρρ）、和阻尼系数（η）五
个无量纲参数相等。
通常，模型的制作有集中刚度法[70]和离散刚度法[71]两种方法。集中刚度法用芯
棒模拟结构的刚度，用轻质材料制成的“外衣”模拟原型外观，该方法模型制作简
单，但外衣可能产生附加刚度，气动力传递途径失真，且无法考虑模型的扭转。离散刚度法模型制作比较困难，但是将模型的各杆件均作到刚度相似和几何相似，从而避免了上述问题。
楼文娟等[71, 72]以椒江大跨越为背景，考虑了风速、风向角等因素，对脉动风作用下的横风向及顺风向响应进行了试验，结果表明：输电塔架的横风向与顺风响应相当。邓洪洲等[73]以江阴大跨越为背景，对单塔和塔-线体系分别在均匀流场和湍流场风洞试验中进行了不同风速下的风洞试验，结果表明：与单塔相比，塔-线体系的自振周期略有提高；导线对塔架阻尼的影响非常显著；随着风速的增加，塔-线体系的非线性响应逐渐加强。Loredo-Souza等[74, 75]通过修正试验模型，使模型能够同时满足相似定律和风洞尺寸要求。Ballio和Solari[76]也发现，大跨越输电塔-线体系的横风向与顺风向响应位于同一量级。Momomura和Harikrishna [77-79]认为，体系的内力和位移的反应程度与风速的大小成比例，且与风向角有关。何敏娟和马人乐等[80, 81]通过江阴500kV输电塔的实测结果得到了体系的频率、振型、阻尼等参数。
1.3.4大跨越输电塔-线体系的振动控制
大跨越输电塔-线体系在动荷载作用下的位移和加速度往往很大，难以满足安全性的要求。因此，有效减小体系在动荷载作用下的响应具有光明的发展前景。
Battista等[82]用非线性摆锤吸振器(NLPD)控制了输电塔的一阶模态振动，取得了很好的控制效果。
黄斌和唐家祥等[23, 24]用多个环形TMD对沿山头大跨越进行了风振控制，并对TMD装置的阻尼比进行了优化，同时还对控制效果进行了时频域对比和可靠度评估。
胡松等[22]采用MTMD在频域内快速而准确地对江阴长江大跨越进行了振动控制，输电塔的位移、加速度及杆件内力都得到有效地减小。
陈亦等[83]采用MTMD和多个粘弹性阻尼器(VED)对江阴长江大跨越进行了联合控制，VED和MTMD都有着显著且稳定的耗能效果。
周云[84, 85]研发了铅粘弹性阻尼器，在不同温度、频率、应变幅值和粘弹性层厚度的情况下进行了试验，同时进行了低周疲劳和大变形试验，分析了对阻尼器性能有较大影响的参数，考察了阻尼器的疲劳性能和极限变形能力，提出了相应的计算模型。
朱继华[86]、张宏德[87]、王仲刚[88]、苏速[89]、楼文娟[90]、李泽[91]、川罗烈[92]、陈
勇[93]、陈晓明[94]、A. Mercio [95]都在各自的学位论文里研究了大跨越输电塔-线体系的
风振、地震控制问题。
王力争[96, 97]利用大量实测资料研究了输电塔的风振系数，为将风振控制技术用
于设计作了准备。
1.3.5 大跨越输电塔-线体系动力可靠度
结构可靠度分析就是用概率统计的理论把结构设计中不确定的因素定量化，分
析结构的安全性。但是由于这种可靠性多是以严密的概率统计理论为基础的，无法
解决许多实际工程中遇到的困难。
最早论述强度统计性质的是Mayer 和Khotsyalov ，他们在可靠度理论方面取得
了重要成果。Freudental 讨论了结构设计中的各种不确定因素，论述了荷载与强度的
随机性。此后，使用失效概率f P 评价结构安全性的工作很快开展起来，其思想方法
是将荷载效应S 与结构能力R 作为随机变量，把失效概率控制在容许值fa P 之内，即
[]f fa P P R S P =<≤ (1-1)
其中，f P 可由下式给出：
000
(,)()()f SR S R P f s r drds f s F r ds ∞∞∞
==∫∫∫ (1-2)
式中，SR f 为S 和R 的联合概率密度函数；S f 为S 的概率密度函数；R F 为R 的
概率分布函数。
S.O. Rice 于1944年[98]和1945年[99]先后提出了两个关于首次超过概率的著名公
式，成为了动力可靠度分析理论的奠基人。
Siegert 等[100]在Rice 的基础上导出了首次超越的拉普拉斯变换，提出了当结构反应为连续马尔可夫过程时的首次超越概率计
算方法。此后，Helmstroin [101]求得了包络过程的首次超越时间矩的解析解。Coleman
等[102]基于结构反应与界限的交差次数服从泊松分布的假设，导出了首次超越概率的
解析表达式。Cramer [103]证明了泊松过程法在界限值趋于无穷时的精确性。至此，泊
松过程法确立了其在求解动力可靠度问题中的核心地位，而其它计算方法只是在泊
松过程法基础上的改进。
电子计算机的发展和快速傅立叶变换的出现，使许多以前无解的难题可以通过
数值解的方式解决。Crandal 等[104]将数值模拟法引入首次超越的问题中。Iyenger [105]
和Gasparini[106]等研究了线性体系平稳和非平稳反应的首次超越问题，取得到了较好的研究效果。
1.3.6结构设计与计算仿真研究
对大跨越输电塔-线体系进行结构试验和理论研究的最终目的是对设计方法的改进，包括体系优化设计和结构设计理论两方面[107, 108]。前者主要解决输电塔和导线布置的结构优化等问题；后者主要解决结构体系的强度、耐久性和可靠度等问题。
李宏男等[109, 110]考虑了不同场地、不同档距、不同地震动强度，提出了输电塔-线体系的简化抗震设计方法。由于设计中存在诸如荷载、结构动力特性、制作安装误差、材料变异等的不确定因素，对其进行基于概率统计的极限承载力和动力可靠性分析显得非常重要。实现设计理论转变需要解决的问题有[111-113]：(1)荷载与抗力统计特征的确定；(2)结构失效模式的建立和设计方法的简化；(3)体系极限承载力、目标可靠度指标、设计基准期的确定；(4)基于可靠性的动力稳定性分析。
Loredo-Souza[114, 115]提出了用以计算荷载峰值的阵风响应因子法(GRF)和基于统计的影响线法(SIL)。他认为，输电塔-线体系的动力响应取决于风的湍流强度和风谱，动力响应应包括均值响应、共振响应、背景响应。
采用计算机仿真和数值模拟不仅可以准确、定量地描述大跨越输电塔-线体系的动荷载和动力响应，还可以节约研究成本。研究表明[82, 116, 117]：通过适当的计算模型和荷载模拟，可以有效地分析输电塔的动力响应和气动稳定性；也可以通过对商业软件的二次开发，建立风场、导线浮冰等荷载模型，分析大跨越输电塔-线体系的内力、稳定等特性。
1.4本文主要内容
综上所述，国内外专家虽然已做了许多研究工作，但大跨越输电塔-线体系动力特性的多因素分析仍处于研究初期，有待于进一步完善。风振控制研究主要集中于理论方面，工程应用还不多，特别是动力时程、顺风向风荷载调整系数及动力可靠度等方面的研究甚少。
本文结合大跨越输电工程的实例，对大跨越输电塔-线体系的动力特性和风振控制进行了研究，针对大跨越输电塔结构自重轻、柔性强、经济耐用等特点，开发了
实用有效的减振装置，得到了一些对实际工程抗风抗震设计具有参考意义的结论。本文将包含以下六章主要内容：
第二章，研究了大跨越输电塔-线体系的精细建模方案，着重分析了对杆件和节点的不同处理对计算分析结果的影响。提出了基于模态识别技术提取体系中塔架第一周期的方法，归纳了考虑导（地）线及绝缘子的刚度和质量的影响后，大跨越干字型塔和酒杯塔的第一周期近似公式。分析了单塔模型、简化导线体系模型与分裂导线模型中塔架的自振周期和振型之间的差异。证明了可以用简化导线体系模型来代替分裂导线体系模型，进行各种动力响应分析。
第三章，分析了风荷载的基本属性，介绍了结构风荷载的计算理论以及公式推导，着重研究了风荷载时程模拟的方法。基于多维随机振动理论，按照Geodatis改进型的谱表示法，自行开发了空间相关的风速场模拟程序WVFS(wind velocity field simulation)，生成了设计风速下的风荷载的时程样本。对风场模拟结果进行了误差分析，推导了一个风场样本的均值、相关函数、功率谱函数、根方差等概率统计量的时域估计表达式。对大跨越输电塔-线体系先用平均风按静载的形式加载，找出输电塔以及导（地）线的初始形状，然后在这个基础上进行脉动风加载。
第四章，首先介绍了橡胶铅芯阻尼器的工作原理和细部构造。通过对橡胶铅芯阻尼器进行性能试验，得到了加载频率、应变幅值和铅芯直径等因素对橡胶铅芯阻尼器性能的影响，对阻尼器的耐久性能进行了说明，推导了阻尼器各个参数（屈服剪力、第一和第二刚度以及阻尼器出力）的计算公式。为了充分发挥阻尼器的作用，研究了阻尼器的位置优化方法，并提出了其具体安装方案。最后设计了实际工程中阻尼器的连接和安装方法，并讨论了其对主体结构的影响。
第五章，进行了不同风向角的动风作用下大跨越输电塔-线体系控制前后的动力响应计算，分析了各控制点位移和各控制钢管内力的控制效果。在工程设计中应考虑风的不同输入方向，在不同风向角的动风作用下均会引起塔架的横线向振动和顺线向振动，本章结合实际工程讨论了是横线向响应大，还是顺线向响应大。研究了各控制点位移平均值、位移最大值、加速度最大值和各控制钢管的轴力、剪力的最不利风向角。运用大跨越输电塔-线体系控制前后的时程分析结果，计算了沿塔高各点的顺风向风荷载调整系数的控制效果，并与我国现行规范中取值结果进行比较，对大跨越输电塔-线体系的抗风设计给出了建议。通过对控制前后的大跨越输电塔-
线体系进行的动力可靠度分析，同样说明了橡胶铅芯阻尼器的控制效果。
第六章，研究了大跨越输电塔-线体系风控效果的敏感性（即影响风控效果的各种因素）和橡胶铅芯阻尼器的实用性（即设计风速下橡胶铅芯阻尼器的变形能否使铅芯屈服，从而使阻尼器正常工作）。通过在阻尼器位置上仅施加刚度的方法，证明了阻尼在风控效果中的主导地位。为了检验空间相关风速场的数值模拟是否准确合理，就电力行业规范的静风简化计算方法（即平均风乘以顺风向风荷载调整系数的方法）和有限元时程分析方法进行了比较，对风场的模拟程序进行了验证。
第七章，用时程分析方法计算分析了地震荷载作用下大跨越输电塔-线体系和单塔结构在橡胶铅芯阻尼器控制前后的时程响应，及其与输入地震波的关系，得到了橡胶铅芯阻尼器的控制效果，并讨论了地震作用下输电线对输电塔的影响。
1.5本文的算例
1.5.1算例1：榕江大跨越输电塔
500kV榕江大跨越干字型输电塔的跨越形式为耐－直－直－耐，档距分配为540m－1460m－700m，其中直线跨越塔的呼高为185m，耐张塔的呼高为57m，直线塔的外形和尺寸如图 1-1所示。地线选用JLB1B-100；导线用二分裂导线，型号为2xKTACSR/EST-720特强钢芯耐热铝合金线；光缆选用的是48芯OPGW。榕江大跨越选用电线参数如表 1-2所示。
表 1-2 榕江大跨越选用电线性能参数表
图 1-1 榕江大跨越输电塔示意图图 1-2 汉江大跨越输电塔示意图
1.5.2算例2：汉江大跨越输电塔
1000kV汉江大跨越酒杯型输电塔的跨越形式为耐－直－直－耐，档距分配为706m－1650m－600m。其中直线跨越塔的呼高为168m，耐张塔的呼高为40m，直线塔的外形和尺寸如图 1-2所示；地线选用JLB20B-240；导线用六分裂导线，型号为6×AACSR/EST-500/230；光缆选用的是250芯OPGW。汉江大跨越选用电线参数如表 1-3所示。
表 1-3 汉江大跨越选用电线性能参数表
JLB20B-240
Mm^2 729.56
Mm 35.2
13.0
N 511200000
Mpa 97158
平均运行张力N 94842.8
Kg/km 3188.3