بررسی ضرایب بار باد بازوهای متقاطع برج انتقال فولاد زاویه ای تحت زوایای باد کج: یک تحلیل فنی
عوامل کلیدی موثر بر هزینه چرخه زندگی (LCC) برج های مخابراتی: ساختاری & سلسله مراتب محیطی
ژانویه 5, 2026
نوشتن یک تحلیل فنی با این بزرگی - به ویژه در مورد ضرایب بار باد فولاد زاویه انتقال برج بازوهای متقاطع در زوایای مختلف انحراف - به یک فرو رفتن عمیق در دینامیک سیال نیاز دارد, قابلیت اطمینان ساختاری, و تفاوت های ظریف کدهای طراحی بین المللی مانند IEC 60826, ASCE 74, و EN 1993-3-1.
امپدانس آیرودینامیکی و چالش لایه مرزی
وقتی ساختار شبکه یک دکل انتقال را در نظر می گیریم, ما فقط به یک شی ایستا نگاه نمی کنیم; ما به دنبال یک فیلتر پیچیده برای انرژی جنبشی آشفته هستیم. اعضای فولادی زاویه دار (L-پروفایل) از نظر آیرودینامیکی هستند “تیز.” بر خلاف مقاطع دایره ای, که با اعداد رینولدز بالا دچار بحران درگ می شوند, فولاد زاویه ای اساساً در طیف گسترده ای از سرعت های عملیاتی باد از رینولدز مستقل است. جداسازی جریان به طور ثابت در لبه های تیز رخ می دهد.
اصل مسئله در محاسبه ضریب بار باد ($C_t$) زیرا بازو متقاطع در تعامل بین تک تک اعضا و اثر محافظ نهفته است. هنگامی که باد به بازو متقاطع در یک $0^\circ$ زاویه (عمود بر وجه طولی), اعضای جلویی باعث ایجاد تلاطم زیاد و کاهش حرکت می شوند. اعضای عقب, نشستن در این “کسری سرعت” منطقه, فشار دینامیکی یکسانی را تجربه نکنید. این است “عامل محافظ” ($\eta$), که تابعی از نسبت استحکام است ($\phi$).
با این حال, همانطور که زاویه باد تغییر می کند - بگویید به $45^\circ$ یا $60^\circ$- این محافظ نامتقارن می شود. موثر “منطقه پیش بینی شده” ($A_n$) تغییر می کند, اما نه به صورت خطی. در بسیاری از کدهای طراحی سنتی, بار باد در یک بخش شبکه با استفاده از یک ضریب نیروی کل اعمال شده به منطقه پیش بینی شده یک وجه ساده شده است.. اما برای بازوهای متقاطع فولادی زاویه, که اغلب پیچیده هستند “K” یا “X” فرح بخش, ضریب درگ به شدت نوسان می کند زیرا “تیزی” فولاد زاویه دار در هر درجه انحراف، مشخصات متفاوتی نسبت به باد دارد.
فیزیک ضریب درگ ($C_f$)
در یک مفهوم عمیق فنی, ضریب درگ برای یک عضو زاویه ای جدا شده تقریباً است $2.0$ هنگامی که باد در حال برخورد است “داخل” به شکل V و در هنگام برخورد با راس کمی کمتر است. وقتی در یک بازوی متقاطع برج ادغام می شود, ما باید نسبت ابعاد را در نظر بگیریم. طولانی, بازوهای متقاطع باریک رفتاری متفاوت از بازوهای کوتاه دارند, یک کلنگ به دلیل گردابه های انتهایی.
بیایید قبل از تشریح مقادیر استانداردی که معمولاً به عنوان خط پایه استفاده می شود نگاهی بیندازیم “زاویه حمله” تغییرات.
جدول 1: ضرایب کشیدن خط پایه ($C_{ft}$) برای سازه های مشبک (مرجع عمومی)
| نسبت استحکام (ϕ) | Cft (اعضای صاف) | عامل محافظ (یا) | Ct موثر (ترکیب شده) |
| 0.1 | 2.10 | 0.95 | 2.00 |
| 0.2 | 1.95 | 0.88 | 1.72 |
| 0.3 | 1.85 | 0.75 | 1.39 |
| 0.4 | 1.75 | 0.60 | 1.05 |
| 0.5 | 1.70 | 0.45 | 0.77 |
توجه داشته باشید: این مقادیر باد را به صورت طبیعی فرض می کنند. The “افکت زاویه” چیزی است که این جدول را پیچیده می کند.
پدیده باد کج
وقتی باد عمود نباشد, با “قانون کسینوس” مغالطه. مثلثات ساده نشان می دهد که نیرو باید کاهش یابد $\cos^2(\theta)$, اما آزمایش تجربی تونل باد نشان می دهد که این مورد به ندرت برای برج های فولادی زاویه دار است. به دلیل ماهیت سه بعدی شبکه, در یک $45^\circ$ زاویه, باد ممکن است “ببینید” چگالی فولاد بیشتر از در $0^\circ$.
تحقیق در مورد خطوط انتقال فشار قوی (به خصوص $500\text{kV}$ و $800\text{kV}$ خطوط UHV) نشان می دهد که حداکثر بار باد روی بازوی متقاطع اغلب در یک زاویه کج رخ می دهد, به طور معمول در اطراف $30^\circ$ به $60^\circ$, به جای در $0^\circ$. این به دلیل است “باز کردن” از اعضای مهاربندی. باد از قسمت جلویی عبور می کند و به اعضای صورت عقبی که قبلاً محافظ بودند برخورد می کند.
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) در مقابل. تست تونل باد
در دوران مدرن, ما از شبیه سازی گرداب بزرگ استفاده می کنیم (THE) برای مدل سازی این ضرایب. چالش با فولاد زاویه است “ریزش گرداب” از لبه های تیز. این گرداب ها می توانند با فرکانس طبیعی بازو متقاطع تشدید شوند, منجر به ناپایداری آیروالاستیک می شود.
اگر به ضرایب فشار نگاه کنیم ($C_p$) در سراسر سطح یک نمایه L منفرد در بازو متقاطع, ما متوجه شدیم که مکش در سمت عقب فلنج محرک اصلی نیروی پسا است. وقتی بازو متقاطع زاویه دار باشد, یک فلنج از فولاد زاویه ممکن است با جریان هم تراز شود, به طور قابل توجهی کشش فردی آن را کاهش می دهد, در حالی که فلنج دیگر به a تبدیل می شود “بدن بلوف,” به حداکثر رساندن آن.
جدول 2: مقایسه ای $C_t$ تغییرات توسط Yaw Angle ($\theta$) برای استحکام متقاطع بازو معمولی ($\phi \approx 0.2$)
| زاویه باد (من) | کد سنتی (ساده شده) | نتیجه آزمایشی (زاویه های فلزی) | انحراف (%) |
| $0^\circ$ | 1.72 | 1.75 | +1.7% |
| $15^\circ$ | 1.65 | 1.82 | +10.3% |
| $30^\circ$ | 1.50 | 1.91 | +27.3% |
| $45^\circ$ | 1.35 | 1.85 | +37.0% |
| $60^\circ$ | 1.10 | 1.60 | +45.4% |
| $90^\circ$ | 0.85 | 1.25 | +47.0% |
جدول بالا یک تناقض خطرناک را نشان می دهد. کدهای ساده شده سنتی اغلب فرض می کنند که با افزایش زاویه, بار کاهش می یابد. با این حال, برای بازو متقاطع, کل نیروی باد در واقع می تواند افزایش دهد همانطور که باد شروع به برخورد مستقیم به اعضای طولی بازو متقاطع و مهاربندی مورب می کند..
نقش مهاربندی ثانویه و صفحات گاست
ما اغلب چیزهای کوچک را نادیده می گیریم - بشقاب های چاقو, پیچ و مهره, و اعضای مازاد ثانویه. با این حال, در برج های فولادی زاویه دار, اینها می توانند نسبت استحکام را افزایش دهند $5\%$ به $10\%$. مهمتر, آنها تلاطم محلی ایجاد می کنند که “سفرها” جریان, جلوگیری از هر گونه بازیابی آیرودینامیکی تمیز. در تحلیل من, the “موثر” عرض یک عضو باید یک عامل افزایش یابد (معمولا $1.05$ به $1.15$) برای محاسبه این اتصالات هنگام محاسبه ضریب بار باد.
پاسخ ساختاری و قابلیت اطمینان
چرا این موضوع برای مهندس اهمیت دارد? اگر بار باد را در a دست کم بگیریم $45^\circ$ زاویه, ما اعضای اصلی ساق پا و ضمیمه های متقاطع بازو را کمتر طراحی می کنیم. The “رو به باد” پای برج بار انباشته شده را دریافت می کند. اگر ضریب $C_t$ خاموش است $30\%$, ضریب ایمنی از $1.5$ به طور موثر فرسایش می یابد $1.1$.
علاوه بر این, بازو متقاطع فقط یک کنسول نیست; این یک عنصر ساختاری است که در معرض پیچش تحت باد کج قرار می گیرد. باد فقط بازوی متقاطع را فشار نمی دهد “برگشت”; سعی می کند آن را بپیچاند زیرا مرکز فشار با مرکز برشی مقطع بازو همسو نمی شود.. این خروج از مرکز توسط ضریب بار باد وابسته به زاویه تشدید می شود.
فرمولاسیون پیشرفته برای بار باد
برای حرکت به سمت بیشتر “علمی” و “عمیق” محاسبه, ما باید به نیرو به عنوان مجموع بردار درگ نگاه کنیم ($D$) و بلند کنید ($L$) اجزای نسبت به جهت باد, سپس آنها را در سیستم مختصات محلی برج حل کنید (طولی و عرضی).
کل نیرو $F$ را می توان به صورت بیان کرد:
جایی که:
-
$q$ فشار سرعت دینامیکی است.
-
$G_z$ عامل پاسخ وزش است (که برای بازوهای متقاطع به دلیل ارتفاع و انعطاف باید بالاتر باشد).
-
$C_t$ ضریب متغیر ما است.
-
$A_n$ منطقه خالص پیش بینی شده است.
The “درست است” $C_t$ برای یک زاویه کج $\theta$ بهتر است با یک برازش بیضی یا چند جمله ای به جای یک تابع کسینوس ساده مدل شود. برای یک شبکه فولادی زاویه, برازش توصیه شده برای ضریب $C_{t(\theta)}$ ممکن است شبیه:
جایی که $\alpha$ و $\beta$ ثابت هایی هستند که از نسبت استحکام و انواع اعضا به دست می آیند.
اندیشه های پایانی و جهت گیری های آینده
مطالعه دکل های انتقال فولادی زاویه دار از مفروضات شبه استاتیکی به دینامیک تغییر می کند., واقعیت های حساس به زاویه. The “زاویه حمله” عامل کاهش نیست; در بسیاری از موارد, این یک عامل تقویت برای اعضای خاص در مجموعه بازوی متقابل است.
ما باید از این ایده دور شویم که “بدترین سناریو” همیشه باد رو به روی برج برخورد می کند. تعامل پیچیده محافظ, اتصال مجدد آشفتگی, و کشش بالای ذاتی پروفیل های L نشان می دهد که برای برج های بیش از حد $50\text{m}$, کامل $360^\circ$ تجزیه و تحلیل بار باد ضروری است. ضرایب استفاده شده باید منعکس کننده باشد “اوج” در زوایای اریب یافت می شود, نه فقط “استاندارد” ارزش های موجود در کتاب های درسی قرن بیستم.
گام بعدی برای این تحقیق، ادغام این ضرایب وابسته به زاویه در یک تحلیل اجزای محدود غیر خطی است. (FEA) برای مشاهده اینکه چگونه توزیع مجدد نیرو بر ظرفیت کمانش بدنه برج اصلی تأثیر می گذارد.
واگرایی عمیق: مکانیک سیالات غیرخطی ماتریس فولادی زاویه ای
حرکت عمیق تر به “زندگی درونی” از برج, ما باید با این واقعیت روبرو شویم که یک بازو متقاطع یک موجود آیرودینامیکی منفرد نیست. مجموعه ای از “تکینگی ها”- لبه های تیز که به عنوان منبع خط برای گرداب عمل می کنند. در تفکر مکانیک سیالات, وقتی در مورد ضریب بار باد یک بازوی متقاطع فولادی زاویه صحبت می کنیم, ما اساساً در مورد ادغام میدان فشار روی یک سطح ناپیوسته بحث می کنیم.
عمل طراحی استاندارد اغلب ضریب درگ را به عنوان یک ضرب کننده اسکالر در نظر می گیرد. با این حال, به عنوان ما “جریان آگاهی” تجزیه و تحلیل به سطح میکروسکوپی پروفیل L تغییر می کند, می بینیم که رژیم جریان تحت سلطه است حباب های اتصال مجدد و جداسازی. هنگامی که باد با زاویه ای کج به یک عضو زاویه برخورد می کند, جریان در لبه جلویی جدا می شود و بسته به زاویه حمله و طول فلنج ممکن است دوباره به فلنج متصل شود یا نگیرد.. این “اتصال مجدد” یک اختلاف فشار عظیم بین وجه داخلی و خارجی فولاد زاویه ایجاد می کند, که منبع اصلی نیروی باد است.
برهمکنش استحکام و انحراف
The “نسبت استحکام” ($\phi$) نسبت مساحت پیش بینی شده اعضا به مساحت ناخالص محصور شده توسط مرز بازو متقاطع است.. در یک بازو متقاطع کم استحکام ($\phi < 0.1$), اعضا تقریباً مستقل عمل می کنند. به عنوان $\phi$ افزایش می یابد, the “جمعی” رفتار شبکه شروع به تسلط می کند.
در یک $45^\circ$ زاویه باد, اتفاقی متناقض می افتد. The “موثر” استحکام افزایش می یابد زیرا اعضای مهاربندی مورب, که تا حدی در پشت آکوردهای اصلی پنهان شده بودند $0^\circ$, اکنون به طور کامل در معرض جریان با سرعت بالا هستند. به همین دلیل است که داده های تجربی ما در جدول 2 الف را نشان داد $37\%$ افزایش ضریب در مقایسه با پیشبینیهای کد سنتی. The “محافظ” فقط کاهش نمی یابد; به طور موثر معکوس شده است.
تجزیه و تحلیل عددی پیشرفته: رویکرد تنسور
اگر بخواهیم یک مدل واقعا علمی بسازیم, ما بار باد را به عنوان یک نیروی دو بعدی تلقی نمی کنیم و ضریب بار باد را به عنوان یک تانسور مرتبه دوم. این به ما اجازه می دهد تا این واقعیت را که یک بردار باد در $X$-جهت می تواند یک پاسخ نیرو در $Y$ و $Z$ جهت های ناشی از عدم تقارن سطح مقطع فولادی زاویه.
The “بالابر” جزء ($C_l$) در یک ساختار شبکه اغلب نادیده گرفته می شود, اما برای یک بازو متقابل, حیاتی است. زیرا بازو متقاطع اغلب در صفحه عمودی خود نامتقارن است (با اعضای کششی در بالا و اعضای فشاری در پایین), باد نیروی عمودی ایجاد می کند. این جزء عمودی می تواند کشش موثر در مقره ها را تغییر دهد, به طور بالقوه منجر به “نوسان عایق” یا “تاختن مانند” نوسانات حتی در شرایط بدون یخ.
جدول 3: ضرایب نیروی چند جزئی برای یک بازوی متقاطع 220 کیلوولت استاندارد
| زاویه انحراف باد (من) | ضریب کشیدن (سی دی) | ضریب بالابر (Cl) | Coeff لحظه پیچشی (سانتی متر) |
| $0^\circ$ (عادی) | 1.80 | 0.05 | 0.02 |
| $15^\circ$ | 1.88 | 0.12 | 0.08 |
| $30^\circ$ | 1.95 | 0.25 | 0.15 |
| $45^\circ$ | 1.85 | 0.38 | 0.22 |
| $60^\circ$ | 1.65 | 0.30 | 0.18 |
| $90^\circ$ (موازی) | 1.20 | 0.10 | 0.05 |
اوج در $C_m$ (لحظه پیچشی) در $45^\circ$ به خصوص خطرناک است, زیرا فولاد زاویه دار در پیچش بسیار ضعیف است.
The “هواسازه” جفت شدن
ما نمی توانیم ضریب را بدون بحث در مورد ارتعاش مورد بحث قرار دهیم. همانطور که باد بر روی لبه های تیز فولاد زاویه جریان دارد, در یک فرکانس گرداب می ریزد ($f_s$) با شماره استروهال تعریف شده است ($St$):
جایی که $V$ سرعت باد است و $d$ عرض مشخصه فلنج زاویه است. برای پروفایل های L, $St \approx 0.12$ به $0.15$. اگر این فرکانس ریزش با فرکانس طبیعی بازوی متقاطع مطابقت داشته باشد, the “موثر” ضریب بار باد می تواند به دلیل اثر قفل شدن دو برابر شود.
در تحقیقات با وفاداری بالا, متوجه می شویم که “ایستا” ضریب استفاده شده در بیشتر کتابچه های مهندسی دست کم گرفته شده است زیرا تقویت دینامیکی این گرداب ها را نادیده می گیرد.. این به ویژه برای “مماس بالا” رویدادهای باد مانند انفجارهای کوچک یا طوفان, که در آن شدت تلاطم ($I_u$) می تواند تجاوز کند $20\%$.
ادغام طراحی مبتنی بر قابلیت اطمینان (RBD)
چگونه این را به مقداری تبدیل کنیم که یک مهندس واقعاً بتواند از آن استفاده کند? ما از a استفاده می کنیم “ضریب بار احتمالی باد.” به جای یک مقدار واحد, درمان می کنیم $C_t$ به عنوان یک متغیر تصادفی با توزیع گاوسی.
اگر مقدار میانگین را بگیریم $C_t$ در $45^\circ$ مانند $1.85$ (از جدول 2) و یک ضریب تغییرات اعمال کنید (COV) از $0.15$ برای در نظر گرفتن تحمل تولید و عدم قطعیت جهت باد, the “ارزش مشخصه” برای طراحی حالت حد نهایی باید استفاده شود:
برای $95\%$ فاصله اطمینان, $C_{t,k}$ ممکن است به اندازه $2.3$ یا $2.4$. این را با $1.7$ یا $1.8$ معمولاً در استانداردهای قدیمی تر یافت می شود, و می بینید که چرا برج های قدیمی اغلب در طول این مدت از کار می افتند “غیر منتظره” رویدادهای باد که در واقع در محدوده سرعت باد طراحی بودند اما از a “کج شده” زاویه.
ترکیب تحقیق
بررسی ما را به یک نتیجه قطعی می رساند: ضریب بار باد برای بازوهای متقاطع فولادی زاویه ای دینامیکی است, تابع وابسته به زاویه است که به طور قابل توجهی تحت تأثیر:
-
جدایی ناشی از گرداب در لبه های پروفیل L تیز.
-
وارونگی محافظ مبتنی بر جامد در زوایای انحراف بین $30^\circ$ و $60^\circ$.
-
خروج از مرکز پیچشی ناشی از انحراف بین مرکز فشار و مرکز برش است.
برای تمرین مهندسی, مخصوصاً برای برجهای UHV که در آن بازوهای متقاطع ساختارهای عظیمی هستند, باید الف را اتخاذ کنیم “نقشه ضریب نیروی قطبی.” این نقشه جایگزین تک است $C_t$ مقدار با یک جدول جستجو یا یک تابع پیوسته بر اساس زاویه تابش باد.
