一种输电塔悬挂约束拉索质量阻尼器的风振控制方法

本发明涉及高耸钢结构风振控制，具体涉及一种输电塔悬挂约束拉索质量阻尼器的风振控制方法。

背景技术：

1、高耸钢结构广泛用于电力、通信等行业，由于在运输、安装方便等优势，自立式角钢塔在输电线路中应用最为广泛。在长距离输变电工程中，输电塔和导线组成的系统是关系到输电和配电的重点，是电能供给能够持续、稳定、有效的关键。输电塔具有高度大、荷载重、自振周期长等特点，风荷载一般是这类高耸塔式结构的控制荷载。风可以分为平均风和脉动风，平均风可以看作静力荷载作用于结构，而脉动风具有动力效应，使输电塔结构产生动力响应。脉动风的能量主要集中在低频区，而输电塔结构偏柔，前几阶整体振型频率较低，因而风荷载的作用显著。在强风作用下输电塔容易出现结构构件损坏，甚至整体倒塌损毁。

2、为了提高输电塔的抗风性能，目前主要采用三类方法：一是在输电塔中使用更高强度级别的材料，如应用q420、q460高强度等级的钢材等，提高钢材的屈服强度，增加结构整体的稳定性，但是在高强度级别的材料方面短期内很难有较大的突破；二是采用截面增大技术，通过在原角钢构件的侧面使用连接板和螺栓并联一个相同规格的角钢，从而形成新的截面，但是由于现场安装较为困难，并且受到连接和安装方式的影响，加固后的构件受力性能、破坏形态、加固效果很难计算，严重影响了这项技术的推广和使用；三是优化和改进杆塔结构的设计。这些方法虽然可以提高输电塔的抗风性能，但是增加了结构自身的重量，导致建设成本的增加，并且在材料方面短期内很难有很大的突破。

3、对于强风地区的已建、在运行的输电塔，由于在建设时期采用的规范要求偏低，很难满足现在应对自然灾害等方面的需求，除了对原线路的重建，最经济快速的方法就是在原塔的基础上进行改造，提高输电塔结构的耗能能力和抗风性能。由于输电塔结构构造的独特性和复杂性，很难借鉴一般钢结构的改造加强方法，针对输电塔结构的特点，不少学者开展了相关研究。为了提高输电塔的抗风性能，国内学者提出了多种改造加强技术，主要有截面增大技术、构件更换技术、增加辅助构件技术，这些方法在实际工程中由于成本、施工困难以及导致很难推广使用，并且在脉动风这种具有随机性、不确定性的动力荷载作用下，输电塔结构的风振响应不一定能够得到有效的控制。

4、结构体系的振动控制概念最早开始于20世纪50年代，在高层结构中运用调谐质量阻尼器(tmd)来减轻结构在地震、强风等对结构的影响，提高结构的安全性和舒适度。现有的将tmd应用于输电塔的风振控制技术，大多采用一种被动型减振装置，即在塔顶添加一个质量较大的调谐质量块，通过转移或者降低主结构的振动能量以实现减振。在实际工程中，tmd大多采用摆式和滑轨式，在输电塔上部设置平台来安装tmd。对于在大跨越输电塔或200m以上的高耸输电塔上设置tmd，国内的一些学者进行了相关的研究，得到了较为良好的减振效果，但是对于一般的输电塔上部空间有限，很难安装tmd设备。还有学者提出了悬挂调谐质量阻尼器(ptmd)，即通过刚性单摆或拉索将质量块悬挂在输电塔上部，但是由于耗能装置安装困难，悬挂调谐质量阻尼器主要发挥的是调频作用，难以增加结构整体的阻尼比，使得减振效果受到了一定的限制，并且单摆长度的最优参数往往非常小在实际工程中难以应用。

技术实现思路

1、了解决输电塔的抗风性能较差的问题，并且提供一种更加便捷有效适用范围更广的减振体系，本发明提出了一种输电塔悬挂约束拉索质量阻尼器及输电塔风振控制方法，以解决传统悬挂质量阻尼器(ptmd)和tmd在实际工程中难以应用的问题。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种约束拉索质量阻尼器，包括单摆、调谐质量、自复位阻尼器以及拉索；所述单摆的一端用于和输电塔相连接，另一端和所述调谐质量的一端相连接，所述调谐质量的另一端和所述自复位阻尼器的一端相连接，所述自复位阻尼器的另一端和所述拉索的一端相连接，所述拉索的另一端用于和地面连接。

4、第二方面，本发明提供一种输电塔悬挂约束拉索质量阻尼器的风振控制方法，所述输电塔悬挂约束拉索质量阻尼器为上述的输电塔悬挂约束拉索质量阻尼器，简称为pptmd，其特所述方法包括：

5、建立pptmd输电塔体系的简化力学模型；

6、所述pptmd输电塔体系的简化力学模型在高斯白噪音的作用下计算目标优化函数i；

7、在固定质量比、摆长的条件下，通过目标优化函数i的最小值，确定最优索重比和阻尼比；

8、在最优的索重比、阻尼比的条件下，通过目标优化函数i的值，确定最优的质量比和单摆长度；

9、基于所确定的索重比、阻尼比、质量比和单摆长度的最优解，实现参数的全局优化。

10、本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

11、本发明针对不同的输电塔可以通过调整拉索的预应力大小、自复位阻尼器的参数、调谐质量的大小、调谐质量的悬挂高度使得pptmd的适用范围更加广泛，解决了传统悬挂质量阻尼器(ptmd)和tmd在实际工程中难以应用的问题。

技术特征：

1.一种约束拉索质量阻尼器，其特征在于，包括单摆、调谐质量、自复位阻尼器以及拉索；所述单摆的一端用于和输电塔相连接，另一端和所述调谐质量的一端相连接，所述调谐质量的另一端和所述自复位阻尼器的一端相连接，所述自复位阻尼器的另一端和所述拉索的一端相连接，所述拉索的另一端用于和地面连接。

2.如权利要求1所述的约束拉索质量阻尼器，其特征在于，所述自复位阻尼器采用的是弹簧与阻尼器并联的结构；当所述阻尼器的活塞发生相对运动时，所述弹簧产力，以使得活塞恢复到最初位置。

3.如权利要求1所述的约束拉索质量阻尼器，其特征在于，所述单摆的一端用于和输电塔的节间段的顶部相连接，以使得调谐质量可以发生摆动。

4.一种输电塔悬挂约束拉索质量阻尼器的风振控制方法，所述约束拉索质量阻尼器为权利要求1-3任一所述的约束拉索质量阻尼器，简称为pptmd，其特征在于，所述方法包括：

5.如权利要求4所述的输电塔悬挂约束拉索质量阻尼器的风振控制方法，其特征在于，所述pptmd输电塔体系的简化力学模型通过如下方式建立：

6.如权利要求5所述的输电塔悬挂约束拉索质量阻尼器的风振控制方法，其特征在于，假设单摆和拉索的摆角θt及θf为小角度，根据输电塔和pptmd的相对运动状态得，式(2)：

7.如权利要求6所述的输电塔悬挂约束拉索质量阻尼器的风振控制方法，其特征在于，由式(1)(2)推导出脉动风荷载作用下pptmd体系的等效运动控制方程，式(3)：

8.如权利要求7所述的输电塔悬挂约束拉索质量阻尼器的风振控制方法，其特征在于，所述pptmd输电塔体系的简化力学模型在高斯白噪音的作用下计算目标优化函数i，包括：

9.如权利要求8所述的输电塔悬挂约束拉索质量阻尼器的风振控制方法，其特征在于，

10.如权利要求9所述的输电塔悬挂约束拉索质量阻尼器的风振控制方法，其特征在于，所述在固定质量比、摆长的条件下，通过目标优化函数i的最小值，确定最优索重比和阻尼比，包括：

技术总结本发明公开了一种输电塔悬挂约束拉索质量阻尼器及输电塔风振控制方法，该约束拉索质量阻尼器包括包括单摆、调谐质量、自复位阻尼器以及拉索；所述单摆的一端用于和输电塔相连接，另一端和所述调谐质量的一端相连接，所述调谐质量的另一端和所述自复位阻尼器的一端相连接，所述自复位阻尼器的另一端和所述拉索的一端相连接，所述拉索的另一端用于和地面连接。本发明针对不同的输电塔可以通过调整拉索的预应力大小、自复位阻尼器的参数、调谐质量的大小、调谐质量的悬挂高度使得PPTMD的适用范围更加广泛，解决了一般TMD难以运用于一般输电塔的问题。技术研发人员：曹枚根,张若愚,程义凯受保护的技术使用者：北方工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13