220 kV變電站架構橫風向共振原因分析及處理措施

胡春雷，張 彤，張紅珊

(河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031)

隨著鋼結構材料的發展及變電站設計水平的提高，鋼管結構在變電站戶外配電裝置架構中得到廣泛應用，多邊形(圓形)鋼管梁也逐漸應用于變電站構架橫梁設計中。在常規變電站設計中，架構橫梁多采用桁架結構，一般只需要考慮順風向發生的風荷載作用，不需要考慮橫風向產生的風振，而選用多邊形(圓形)鋼管作為架構橫梁時，橫風向共振成為設計人員必須考慮的設計要素。現結合工程實際，針對迪吉利220 kV變電站工程中多邊形鋼管架構橫梁的振動情況，對多邊形鋼管橫梁橫風向風振進行分析，并給出橫風向風振誘發共振的預防及解決措施。

1 工程概述

迪吉利220 kV變電站在剛果共和國布拉柴市北部，距市區約10 km，建筑場地位于剛果(布)巴泰凱高原東南邊緣低緩丘陵地帶，地勢由東向西傾斜。地面標高為226.3～230.0 m，地表被雜草所覆蓋，場地內地形較平緩、開闊。變電站內規劃建設3臺主變壓器，此次建設2臺；220 kV配電裝置規劃建設出線4回，此次建設2回。

變電站架構梁主體采用φ381 mm×5 mm的多邊形鋼管。架構柱采用φ300 mm×5 mm的多邊形鋼管組成的“A”字型柱和帶端撐的“A”字型柱，構架柱分段連接采用無肋法蘭連接。架構梁、柱通過連接模塊采用高強螺栓剛性連接。鋼材型號為ASTM A572 GR65。220 kV進出線架構高度為15 m，跨度13 m。主變壓器架構高度為15 m，跨度為15 m。變電站架構設計風速30 m/s，架構梁、柱的設計安全系數大于等于1.40。

2 變電站架構振動原因分析

2.1 現場情況

由于變電站架構采用鋼管橫梁模塊化設計，架構安裝比較順利。2010年1月，迪吉利變電站3組出線架構和2組主變壓器架構不同程度的發生振動，而且發生振動時，通常伴有微風。尤其在2010年1月12日下午，主變壓器的2組架構產生強烈振動，振動頻率較快，伴有聲音，地線支架抖動，構架立桿舞動。

2.2 原因分析

通過對現場情況調查發現：在架構發生振動時，架構安裝工作已經結束，現場無其它施工作業，沒有明顯的外力作用；架構上未懸掛絕緣子串，也沒有掛進出線導線、地線，處于裸架構狀態；現場風速不大，風速、風向比較穩定；架構設計強度完全滿足順風向風力作用的強度設計要求；大風作用下架構并沒有發生振動。由于該變電站架構橫梁主體為多邊形鋼管，在風力作用下，流動的空氣繞過橫梁，形成卡門渦街，在特定風速下，空氣旋渦脫落頻率與結構自振頻率接近或一致時，將誘發共振。因此，可初步判斷為架構在橫風向風振作用下產生共振，但要準確判定振動的原因，還需要作進一步的計算分析。

為此，利用STAAD通用軟件，計算變電站主變壓器架構的自振周期，其中取第1振型自振周期T1=0.376 75 s。架構橫梁直徑D=0.381 m，圓截面結構斯脫羅哈數St=0.2，依據GB 50009-2001《建筑結構荷載規范》(2006年版)[1]臨界風速vcr=D/(T1·St)= 5.056 m/s，可計算出雷諾數Re=1.3×105<3×105,可判定為亞臨界微風共振，這與現場當時風速不大的情況吻合，驗證了此次架構振動為橫風向共振的推測。

3 變電站架構橫風向共振的影響

變電站架構橫梁在風力作用下形成卡門渦街，產生橫風向旋渦脫落風力，直接作用在架構橫梁上，對變電站架構安全產生威脅。在橫風向風振的作用下，橫風向旋渦脫落風力FV(z)可表示為順風向風力FH的函數，即：

FV(z)=1/2ρv2B(z)μL=FHB(z)μL

(1)

式中：ρ為空氣密度；v為風力速度；B(z)為垂直流動方向的截面尺度隨高度z的變化量(架構設計中可取值B(z)=1)；μL為橫風向升力系數，對于圓形截面μL取0.25[2-3]。根據式(1)，可以得出架構橫梁的橫風向旋渦脫落風力FV和順風向風力FH的關系為：

FV=0.25FH

(2)

風力產生的合力應為FV和FH的矢量和，即：

(3)

可見橫風向旋渦脫落風力FV對結構的影響較小，但實驗表明，當與風速有關的旋渦脫落圓頻率ωs與架構某一自振圓頻率ωi一致時，即使風速增大，旋渦脫落頻率亦不改變，而在增大風速的一個區域內，架構處于共振狀態，此區域稱為“鎖住區域”(對于圓形截面結構，風速在1～1.3vcr之間為鎖住區域)。如果在結構中出現共振和鎖住區域，特別在風速較大的跨臨界范圍出現鎖住區域，在該區域風力作用下將產生共振，振動力將比非共振狀態下的橫風向旋渦脫落風力大到10倍甚至幾十倍[3]，此時橫風向旋渦脫落風力將會影響結構的穩定甚至破壞結構。對于變電站架構，亞臨界微風共振力雖然不能夠破壞架構主體，但長時間共振可能導致焊縫開裂或螺栓松動，直接威脅架構的安全。

4 處理措施

根據理論分析，可通過破壞卡門渦街產生條件、調整架構自振周期、增加鋼梁振動模態阻尼等措施，避免架構在卡門渦街作用下產生橫風向共振，但由于破壞卡門渦街的產生條件將影響架構的美觀。因此在工程實際中，一般采用以下3種實施方案：

a. 在變電站架構安裝完成后及時懸掛絕緣子，改變架構自振周期，若架構安裝結束后電氣設備尚未進場，可懸掛其他重物(如裝有水泥沙子的鐵桶)；

b. 在鋼梁管內放置一定重量的鐵鏈，改變架構自振周期，同時增加阻尼，該方案將增加結構成本；

c. 在架構橫梁或架構柱內灌入混凝土，改變架構自振周期，該方案增加結構成本較多，且增加重量大，需要對鋼結構進行驗算。

通過比較可以看出，第1個方案在不調整主變壓器架構的結構、不增加成本的情況下，通過懸掛絕緣子串，防止產生架構共振現象，是成本最低廉，對架構影響最小的解決方案，為此采用該方案對迪吉利220 kV變電站進行了施工處理，懸掛絕緣子串后，架構未再發生振動情況。

5 結束語

為避免發生卡門渦街誘發共振的問題，設計人員應理清共振發生的原因，分清共振的種類，認清共振的危害。對于跨臨界的強風共振，在設計上必須避免，必要時可以調整鋼梁的結構形式，破壞卡門渦街的產生條件來避免誘發共振；對于亞臨界微風共振，如果在設計階段，設計人員發現存在亞臨界的微風共振發生的可能，應在施工圖中注明施工安裝注意事項，避免由于施工習慣，導致在裸架構狀態下發生橫風向共振。設計人員應該意識到變電站架構自身的特點，在設計階段可通過增加架構強度、設置阻尼器等手段，以避免亞臨界的微風共振的發生。

參考文獻：

[1] GB 50009-2001，建筑結構荷載規范[S].

[2] 陳 萌，管品武，趙更歧.橫風向旋渦脫落的共振分析及在工程上的應用[J].世界地震工程，2004, 20(3)：95-99.

[3] 張相庭.橫風向旋渦脫落共振響應分析及在規范上的應用[J].建筑科學，2000年12月,16(6)：22-25.