多棱插接式钢管塔风振反应分析及振动控制

论文题目: 多棱插接式钢管塔风振反应分析及振动控制

论文类型: 硕士论文

论文专业: 结构工程

作者: 贾照远

导师: 董军

关键词: 钢管塔,风振控制,钢球减振器,时域分析,状态空间方程,频域分析

文献来源: 南京工业大学

发表年度: 2005

论文摘要: 多棱插接式钢管塔具有外形美观、施工方便、占地面积小、运行维护工作量少等突出优点,国外广泛用作输电线路特别是城区电网的主要杆形,我国也已开始大量使用,具有良好的发展前景。 风荷载是钢管塔的最主要荷载,钢管塔在风作用下的振动是影响结构设计和工作性能的最主要因素。传统方法仅靠加强承重结构来抵抗风振是很不经济的,对结构进行振动控制才是一种积极、低花费、高收益的方法。本课题旨在通过简单易行的“风振阻尼减振技术”来降低结构用钢量,减少高耸塔桅结构的体积,遏止风振带来对输电线路钢管塔、微波通讯塔等高耸结构钢管塔的破坏,以及引起的电路、通讯中断等恶劣后果。 本文首先阐述了平均风与脉动风荷载理论,根据随机振动理论,按照M.Shinozuka方法仿真得到了作用于钢管塔的多维互相关脉动风荷载时程样本曲线,并对其进行了检验。在充分熟悉结构构造和国内外规范的相关规定基础上,用精细的空间壳体有限元模型进行了静力、变形、自振频率及振型计算,基于计算所得的振型向量和模拟的风荷载时程,采用线性状态空间描述法结合MATLAB程序进行了钢管塔风振时程分析。 为了有效抑制“风振”、降低用钢量,本文在比较多种被动控制装置的基础上提出在结构顶部安装钢球动力减振器（Ball Vibration Absorber）来减小位移反应。运用D’Alembert原理和动力学普遍方程推导了钢球减振器体系自振频率的计算公式和振动微分方程,用单自由度位移激励强迫振动模型阐述了该减振体系的减振机理。根据结构—BVA体系风振控制的动力方程,在时域范围内考察了BVA的减振效果。为初步探讨BVA的减振效果,对模拟塔减振前后自由振动衰减曲线进行了实测,试验证明安装BVA以后结构阻尼可达原结构的3～5倍。应用随机振动理论在频域范围内进行了响应分析,基于减振系数βx和等效阻尼比ζe两个重要指标,分别研究了质量比μd、频率比λd、减振器阻尼比ζd和安装位置φk1等参数对减振效果的影响规律。通过结构阻尼比ζ与脉动增大系数ξ的关系,建立了钢管塔风振阻尼减振控制的实用设计方法,算例表明该实用设计方法简捷有效,可直接用于工程设计。 总之,BVA克服了TMD和质量摆难于安装于钢管塔顶部较小空间的缺点,具备各个方向上的制振能力,可以显著增加高耸钢管塔结构的阻尼,作为一种构造简单、无需维护、造价低廉的动力吸振装置,钢球减振器可以有效地抑制钢管塔的风振反应,在塔桅结构风振控制中有很好的应用前景。本文较为全面地分析了钢管塔风振控制问题,研究成果可以为行业规范和钢结构设计规范、高耸结构设计规范的修订完善提供必要的理论基础。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 问题的提出

1.1.1 课题背景

1.1.2 提出的问题

1.2 研究的目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外风振控制研究和应用情况

1.3.2 我国风振控制研究和应用情况

1.3.3 塔桅结构常用减振装置

1.4 本文的研究内容和研究方法

参考文献

第二章 风荷载基本特性及其计算机模拟

2.1 概述

2.2 平均风的基本理论

2.2.1 风的大气边界层

2.2.2 平均风沿高度的变化

2.2.3 结构上的平均风荷载

2.3 脉动风的基本特性

2.3.1 湍流的主要特性

2.3.2 脉动风的风速自谱

2.3.3 脉动风压的功率谱密度函数

2.3.4 脉动风的频域空间相干性

2.4 高耸结构上的脉动风荷载及其模拟

2.4.1 高耸结构上的脉动风荷载

2.4.2 脉动风荷载的计算机模拟

2.4.2.1 线性滤波器方法(AR模型法)

2.4.2.2 谐波合成法

2.4.2.3 风荷载时程样本的检验

参考文献

第三章 钢管塔动力特性及其风振时程反应分析

3.1 概述

3.2 钢管塔的基本理论

3.2.1 我国标准的一些规定

3.2.2 美国钢管杆标准的规定

3.3 钢管塔静动力分析

3.3.1 钢管塔静力分析

3.3.1.1 结构概况

3.3.1.2 理论与模型

3.3.2 钢管塔的动力特性

3.4 钢管塔的风振时程反应分析

3.4.1 钢管塔的脉动风荷载

3.4.2 风振反应的状态空间描述法

3.4.3 钢管塔风振时程反应

3.5 本章小结

参考文献

第四章 钢球减振器的力学模型及风振时域控制理论

4.1 概述

4.2 调频减振风振控制优越性和应用

4.3 钢球减振器的研究现状及基本原理

4.3.1 钢球减振器的研究现状

4.3.2 钢球减振器的基本原理

4.3.3 需要进一步解决的问题

4.4 钢球减振器的自振频率

4.4.1 D'Alembert原理和动力学普遍方程

4.4.2 体系的自振频率

4.5 钢球减振器的振动力学模型

4.5.1 钢球减振器振动微分方程

4.5.2 位移激励减振器的减振机理

4.6 结构—BVA体系的风振反应

4.7 本章小结

参考文献

第五章 安装钢球减振器(BVA)的模拟塔试验研究

5.1 概述

5.2 试验原理与试验方案

5.2.1 试验原理

5.2.2 试验方案

5.2.2.1 模拟塔设计

5.2.2.2 试验方案及内容

5.3 试验过程

5.3.1 试验仪器

5.3.2 试验过程描述

5.4 试验结果及分析

5.4.1 试验主要结果

5.4.2 结果分析与讨论

5.5 本章小结

参考文献

第六章 钢管塔风振控制频域参数分析及实用设计方法

6.1 概述

6.2 结构风振反应的传递函数

6.3 减振器参数对控制效果的影响

6.3.1 位移减振系数公式

6.3.2 参数影响分析

6.4 减振器控制效果的等效阻尼比

6.4.1 等效阻尼比的理论公式

6.4.2 减振器最优阻尼比

6.5 风振控制的实用设计方法

6.5.1 钢管塔风振控制实用设计理论

6.5.2 工程算例

6.6 “风振阻尼减振技术”经济性分析

6.7 本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7.1 本课题的重要结论

7.2 课题展望

攻读学位期间成果及所获奖励

致谢

发布时间: 2005-10-13

参考文献

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• [10].大跨越输电塔抗风可靠性及稳定性能研究[D]. 周慧君.浙江大学2006

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