强风作用下构架避雷针结构受力性能分析

风向角对避雷

（1.太原理工大学土木工程学院，太原030024； 2.山东电力工程咨询院有限公司，济南250013）摘要:针对变

整 性

避雷

，基于流固单向耦

整 性能的 。 结果表-：风向角不变的前提下，风速对 整 性 大，结构二阶效应-显加剧；风速不变的前提下，风向角对-显，尤其以90°最为不利；设计风速d过35m/s时，建议采用二阶弹性分析方法。关键词：强风;构架避雷

；流固耦合;设计方法；数值模拟中图分类号:TU347 文献标志码:A文章编号：2095 - 2783（2019）10- 1090- 06

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Analysis of mechanical performance of frame lightning rod under strong windJING Tao1, LIU Yong2, LI Tiane1, YANG Lin1 , JIAO J infeng1

(1. School $f Civil Engineering $ Taiyuan University $f Technology $ Taiyuan 030024, China &2. Shandong Electric Poxrr Engineering Consulting Institute Co. , Ltd. , Jinan 250013 $ China')Abstract: Based on the one-way fluid solid coupling principle $ the influence of wind speed and wind angle on the overall mechani­

cal performance of lightning rod structure is discussed. The analysis results show that under the premise of constant wind direc- ion$thewinOspeeOhasaninfluenceontheoveralmechanicalperformanceofthestructure$anOtheseconO-orOerefectofthe structure is obviously intensified. Under the premise of constant wind speed, the wind direction angle has an obvious influence on the overall mechanical performance of the structure $ and the most unfavorable angle is 90°. When the designed wind speed ex­ceeds 35 m/s$ the second-order elastic analysis method is recommended.Keywords: strong wind； frame lightning rod structure； fluid-structure coupling； design method& numerical simulation构架避雷针结构作为 的重要组成部分,其结构安 能直接 的正常 （而在 作用 构极易发生大 ，甚至出现截面破坏，从而给 成巨大损失。所以针 作用下构架避雷针结构的相关研究 分必要。目前，国 学 构架避雷针结构在 作用 展了一 的理论和 研究。 ）1］建立 型构架避雷针结构的ANSYS有限元模型，其进 分析,指出现 范拟 方法设计的构架避雷针结构 于不安全的，实际设建议将规范拟 方法 的 以相应的大系数$以考虑脉 构的不利影响。陈怡文囚针对某500 kV 构架避雷针结构$建立有限元模型并对其在不同风向角作用下进行拟静力 分析，得到应力薄 和位移最大处，并提出一种加避雷针的方法。洪成等3基于计算 学,研究 昌市某建 屋顶处避雷针塔在 作用下的 应特征，分 120。风向角作用 f构的 分布和速度分布, 定高度的数，为该类建 在 作用下的分析和设计提供具有实用价值的方法。马 ⑷针对长期收稿日期：2019-06-17的避雷针 在倾倒安全隐患问题，采用有限元分析法对避雷针塔进行拟 分析，确定了避雷针塔的最大 部位和 最大部位。 56过ANSYS有限元 建立 的避雷针有限元模型，分 其进 分析，得到避雷针在 作用下的 点位置。相 范 类结构的设计方法。DL/T 5457—20122 建 构设计技术规程》 6. 2.6条7 :当人字柱柱顶或人字柱平面外水平固接 横 作用有横向水平 ，可不计算 弯矩的 和 弯 大的二阶弯矩，可 心 ： 和偏心 构件进 算。GB 50017—20172钢结 构设 准》5. 1. 6条8 :结构 分析可采用一阶 弹性分析、二阶弹性分析或直接分析，应根据最大二 阶效应系数选用适当的结构分析方法。虽然广大学 构架避雷针进 深入的研究,但是近5 a来 构架避雷针在 作用下屡 次发生倒塌其倒塌原因为避雷针 能不足。文献［9］给 3起典型工程事故 ，显然失效工 程结构 年限与设计使用年限（50 a）相比过短，但 其原设 国家相 范或规程。由此可基金项目：国家自然科学基金资助项目（51808374）江 学人员科技活动择优资助项目（DC1900000602）第一作者：景涛（1995 \"男，硕士研究生，主要研究方向为钢结构通信作者：焦晋峰，副教授,主要研究方向为钢结构疲劳$ajf_1@126. com第10期景 涛，等:强风作用下构架避雷针结构受力性能分析1091见，针对类似工程结构在强风作用下的：受力性 能研究迫在 。综上所述，针 作用下避雷针能的研究较少$大部分 针对于避雷针连接节点的相关研究。 有必要针对在 作用 构避雷针的 能进行研究。1数值方法验证以文献）0*中的构架避雷针气弹模型（图1）为 ，运用数值模拟方法，通过与已有 数据进 ' ，验证数值模拟方法的准确性。8S

04.8 mmx0.085 8 mm8G寸 8S

11e1zieIe08.9 mmxO.128 4 mm11模型及荷载参数证工况：风速取2 m/s和5 m/s,风向角为

0i为 数尽可能相同，其风向角的定义、每避雷针底部测点位置及 均 保持一致,图2和图8分别为风向角的定义和避雷针测点布 置（避雷针气弹模型结构由5段不同 的 ：成，从上至下依次定义为第一段、第二段、第三 段、第四段和第 。686

S8 X寸8S 0 I寸Gss

014 mmxO.lll mm①22 mmx0.170 4min9XE日

o&oeEe

IE①32.5 mmx0.170 4min1<数值模拟方法的介绍i文选用ANSYS Workbench分析平台，利用其

中的 Fluid [10¥（[=0>:） + +Ctic +七=（5=>11 两大模块 进行单向流固耦合分析，耦合计算 成，即先计算流场，再将流体作用 算 的响应,最 在流体作用下会产生变形或运动）0*（建立缩尺构架避雷针结构模型。对于风场，采 用 算域，其计算域尺寸和三维模型如图4所1 Symmetry.....................

OX£1cn20 mmx40 mmX 1 mm支座1-|、1S面

卑面图1构架避雷针结构及气弹模型示意图）0*EInlet

® 10D |

Outlet'§1 Symmetry25D（a）二维计算域IIIIIII（b）三维模型图2风洞试验风向角定义）0*图4计算域尺寸及三维模型）0*1092中国科技论文1211第14卷（ 分 模型的 ，设置 「划分方法为自动扫描的方法，网格尺寸中的相 中心设置为fine其余保持默认。Fluent计算完成后$ 输入的风速转换为点 $进而转换为点分析的模型上。1） Fluent中的求解设置模型设置中的 模型 ^-epsilon $ 片为air。 Fluent所采用的数值解算器为基于 的SIMPLE,该解算器的 方法选用试验值 模拟值准 ，从Inlet 算，最后设置迭代步为300步M，经计算 证明收敛。2） 流场边界 设置⑴*如下：① 界 ，风速v的设置，湍流强度为10%,水力直径为0. 2 m。② 界 ，风压设置为560 Pa!大气风压）湍流强度为10%,水力直径为0. 2 m。③ 对于计算域顶部和两侧,采用自 的壁面条件;对于建 和地面，采用 的壁 。1. 3结果对比将数值分 ）0*进 ，分别如图5—图8所示。经计算可 在20%以内，可见模拟 较吻合, 模拟方法的准确性。5-1 S-2 S-3

S-4 S-5测点号图5风速为2 m/s时S轴各测点应变值图6风速为2 m/s时W轴各测点应变值2数值模拟2.1工程概况某

构架避雷针结构（图9）总高度为图7风速为5 m/s时S轴各测点应变值12111098is43210W-l W-2 W-3

W-4 W-5测点号图8风速为5 m/s时W轴各测点应变值40 m,基 为0. 60 kN/m2 0 构 部构架和上部避雷针结构组成,构架采用 字柱，规为①630 mmX 15 mm,高12 m；避雷针采用变截面 圆钢管，规格为①（450 mm/150 mm） X 10 mm,高 28 m；侧向 在高12 m处，采用 构,规格为!630 mmX15 mm,长16 m（构 接节点采用法 兰连接，结构的 为Q235B钢，弹性模量为206 GPa,泊松比为0. 3,屈服强度为235 MPa材料 密度为 7 850 kg/m3 o图9构架避雷针结构2.2结构建模、材料属性及边界条件构架避雷针高40 m,截面为圆环，分为3个部件 来建模,分别为构架避雷针上部的变截 、中第10期景 涛，等:强风作用下构架避雷针结构受力性能分析1093部的等截 和下部的人字 构架。各部的尺寸 工程概况，构架避雷针的有限元模型如图10所示。本次分析采用理想弹 模型，钢材弹性模量为206 GPc泊松比为0. 3$ 为235 MPc计算时需考虑结构自重$ 为7 850 kg/m30结合设 和分析目的，结构计算模型的约束边界 为:结构底端 ，侧向 「远端 （—风向避雷针模型图11风向角示意图（结构俯视图）©图10构架避雷针有限元模型2.3单元类型及网格划分图 12 的构模型呈现高柔特点，在划分 采用自分。基于本次研究目的，单元类型采用Sol- idl87、ConC174、Tcrgel70 和 Surfl54 这 4 种单元。 最小单元尺寸为5 mm,划分 构模型单元和节点数分别为640 385个和946 274个。2.4风荷载施加针对构架避雷针结构的高柔特点，本次分析主 要采用一阶分析方法和二阶分析方法。2. 4. 1 一阶分析次分 构 的取值依据《变电构架设计手册312*其计算 为0k = .z#s#z00。 （1）中：0k为 准值；.为高度z处的风振系采取线 法取值;仪取值:下部人字 为1. 2,上部避雷针为2. 0；0。取值为0. 60 kN/m2 0 2.4.2二阶分采用被验证的数值模拟方法进行二阶分析，二 阶分析中 的方向采用0。、45。、90。、135。、180°这 5 种，风速采用 5、10、15、20、25、30、35、40 m/s8 种02＜结果分析经ANSYS计算 构在 的位移云图（图13）和应力云图（图14），由图13可知其位移最 大处为避雷针的顶部&由图14可知其最大应力出 现在避雷针上部 部之间的拼接节点处。C: Static StructuralTotal DeformationType: Total Deformation Unit: mTime: 12019/7/2319:34厂 0.16784 Max■ 0.14919一 0.13054—0.1119一 0.093246一 0.074597一 0.055948一 0.037298£ 0.018649■ 0 Min数；#s为 型系数；冷为 高度变化系数;00为基 。为 不同分析方法 构的 ，在采用一阶分析方法时，假定风向角（即0。）不改变，风向角（结构俯视）如图11所示，主要考虑8种风速（5、10、15、20、25、30、35、40 m/s）对结构的 。考虑构自身的特点$ 采用分段逐 ，即每隔0. 5 m沿结构高度布置 ，这里为线 构上，其 布置如图12所示。点 相 数 构应力和位移的影响。模型 型系数（#s）的取值均为0. 6；风压高 数（冷）根据文献）2］取值，中间值ANSYSIR15.0)

10.0020.00 m图13位移云图1094中国科技论文第14卷图14应力云图为分析不同风荷载对二阶效应的 ，分 '算分 速为5〜40 m/s时避雷针的位移及应力况，其中一阶和二阶分析在不同风速下的结果对 见表1（表1风向角为0°时一阶和二阶分析结果对比风速/

一阶分析二阶分析二阶分(m • sf 1\"最大位 最大应最大位最大应—阶分

咼移/ cm【/MPa/cm/MPa出的百分比%50. 450. 840. 470. 874. 44101. 733. 311. 893. 419. 25153. 665. 964. 477. 2722. 13205. 529. 937. 5413. 6036. 59257. 0912. 6511. 9121. 2567. 9830& 7915. 9916. 7830. 5590. 903511. 3720. 4723. 1541. 96104. 984013. 2125. 6432. 0262. 31142. 39一阶分析和二阶分析在不同风速下的侧 果如图15所示。由于避雷针总高度为40 m,由下 到上每隔0. 5 m取1个节点，故总共取80个节点， 分 应着图中的横坐标;而纵坐标为每个节点的水平位移。不同风速及风向 的避雷针二阶分析分别见表2和表3。图15可见，随着风速的 ，二阶分析要比一阶分析方法 的水平位移高 。随着风速的大,一阶分析的侧 小于二阶分析的侧（ 2和表3可见，当风速一定，风向角为90°时，结构的应力和位移最大。文献）2*中明确规 定该类结构的 限值为H/100。本文中H =28 m,故该类避雷针的 不能大于28 cm。当风速为35 m/s时,二阶分 构架避雷针顶部侧向位移为23. 14 cm；当风速为40 m/s时，其位移为 32.08 cm。可知当风速大于35 m/s时，该结构的挠 会大于28 cm,这样会 个结构的正常使用,进而发生破坏。然而用一阶分析方法 的最大位移为13. 21 cm,远小于规定的限值。若设 采用一阶分析方法会使结构在设 现 ，从；响结构的可靠性,进而发生破坏。T-一阶*二阶10 20 30 40 50 60 70(b)节点号 10 m/s30 40 50 60 70 80(c)节点号 15 m/s(d)节点号 20 m/s(e)节点号 25 m/s(f)节点号 30 m/s(g)35节点号 m/s(h)节点号 40 m/s图15不同风速下的结构侧向位移表2结构在不同风速风向角下的最大位移 cm速/向/(°)(m • sf 1)0459013518050. 470. 450. 520. 380. 52101. 891. 812. 031. 492. 05154. 344. 074. 673. 204. 49207. 547. 218. 095. 708. 222511. 7711. 2712. 619. 0412. 423016. 7816. 2118. 1512. 8517. 883523. 1422. 9724. 9318 0224. 114032. 0833. 0936. 3024. 5033. 93表3结构 不同风速风向 下的最大应力MPa速/向/(°)(m • sf 1)0459013518050. 870. 750. 890. 710. 88103. 412. 953. 552. 873. 57157. 276. 628. 036. 347. 962013. 6013. 0214. 1112. 9614. 032521. 2519. 5722. 0617. 2122. 803030. 5528 1031 7723. 9031 783541. 9639. 7841. 2832. 3741. 664062. 3159. 3963. 8151. 8963. 79第10期景涛，等:强风作用下构架避雷针结构受力性能分析10953结论通过采用2种不同的分析方法(一阶弹性、二阶 弹性分析方法),应用大型有限元分析软件,对风载 作用下不同风速不同风向时的变电构架避雷针受力 性能进行了分析，得出如下结论:1) 在风载作用下结构位移最大处为构架避雷针 的顶部，应力最大处为结构法兰连接处，该构架避雷 针中间法兰节点处受力较为不利，因此在设计中，需 对处于构架避雷针中部节点处进行加强设计。2) 风速不变的前提下，风向对结构整体受力性 JournalofNanchangInstituteof9echnology 2019 381): 50-55. (inChinese)[4*马崇,程明,陈韶瑜,等.风载荷下避雷针塔静态受力

分析[J*.河北电力技术,2015 , 34(1)： 52-54.MA Chong , CHENG Ming , CHEN Shaoyu , et al. Lightning rod tower static force analysis under the wind loads [J*. Hebei Electric Power , 2015 , 34(1)： 52-54. (inChinese)[5*伍斯.基于ANSYS的避雷针杆的有限元分析[D*.武

汉：湖北工业大学，2012.WUSi2Finiteelementanalysisoflightningrodneedle basedon ANSYS [D*.Wuhan： HubeiUniversityof 能影响明显,尤其以90。最为不利，这说明结构垂直 构架方向刚度小于顺构架方向刚度。3) 风向不变的前提下，风速越大,结构的应力和 位移也就越大,相应地二阶分析比一阶分析得出的 位移和应力也越大，其产生的二阶效应也就越大；当 风速小于15 m/s时，二阶与一阶分析结果基本一 致;当风速大于15 m/s时，二阶分析得到的最大位 移和最大应力是一阶分析的1. 2〜2. 4倍;当风速大 于35 m/s时，二阶分析下该类避雷针结构挠度超出 规定的限值，而一阶分析下不会超出。故当该类结 构受到大于35 m/s的强风作用时，设计时建议考虑 二阶效应。(由于印刷关系，查阅本文电子版请登录:http： 〃 uuw. paper. edu cn/journal/zgkjlw. shtml)[参考文献](References)口*王朝华，赵桂峰，刘冉.等.高压变电站构架避雷针结

构承载力分析与加固研究郑州大学学报(工学版), 2019. DOI： 10.13705/j. issn. 1671-6833. 2019. 02. 011. WANG Chaohua, ZHAO Guifeng, LIU Ran, et al. Bearing capacity and reinforcement analysis of a high voltage substation framework with lightning rods [J*. Journal2019. DOIof Zhengzhou:10.13705 University/j.issn.1671-6833.2019.02.011. (Engineering Science), (inChinese)[2*陈怡文.变电构架避雷针结构的风致动力响应分析

[D*.郑州：郑州大学，2017.CHEN Yiwen Wind-induced dynamic response analysis of substation framework with lightning rod [ D *. Zhengzhou: Zhengzhou University, 2017. (in Chinese) [3*洪成，上官之政，杨雄，等.基于CFD的避雷针塔风速

流场数值模拟)*.南昌工程学院学报，2019, 38(1)： 50-55.HONG Cheng , SHANGGUAN Zhizheng , YANG Xiong , et al. Numerical simulation of wind speed flow field of lightening arrester tower based on CFD [J*.9echnology 2012. (inChinese)[6* 方. 基于 ANSYS 的 避雷针 构设[J*. 2011 10(4)： 51-52.WU Si , WU Binfang. Design of hexagonal cone light­ning rod based on ANSYS [J*. Software Guide , 2011 , 10(4)： 51-52. (inChinese)[7* DL/T 5457—2012.变电站建筑结构设计技术规程

[S*.DL/T 5457—2012. Technical code for the design of substationbuildingsandstructures [S*. (inChinese)

[8* GB 50017—2017.钢结构设计标准[S*.GB 50017—2017. Standard for design of steel struc- tureI[S* . (inChineIe)[9*姜岩,李毅,张玉明,等•强风低温环境下构架避雷针

设计电力勘测设计,2018(2)： 75-80.JIANG Yan , LI Yi , ZHANG Yuming , et al. Prelimi­nary research of lightning rod on the power transform­ertruss-column in the strong wind & low-temperature environment2018 [J*. Electrical Power Survey & Design , (2)： 75-802(inChinese)[10*刘冉应分.基于双向流固耦合的变电构架避雷针结构风振 [D*2 州： 州大学 20192

LIU Ran. Wind-induced dynamic response analysis of substation framework with lighting rod based on two­way fluid-solid coupling [D*. Zhengzhou: Zhengzhou University 2019. (inChinese)[11*朱红钧.热流固耦合实战指南[M*.北京：人民邮电出

版社，2014： 4.ZHU Hongjun. Practical guide for heat fluid-solid cou­pling [M*. Beijing： Posts and Telecom Press , 2014: 4. (inChinese)[12*中南电力设计院.变电构架设计手册[M*.武汉：湖北

科学技术出版社，2006： 21-24.Central Southern Electric Power Design Institute. De­sign manual for structural gantry of switchyard [M*. Wuhan： Hubei Science and Technology Press , 2006: 21-24. (inChinese)