Исследование коэффициентов ветровой нагрузки траверс угловой стальной трансмиссионной башни при перекошенных углах ветра: Технический анализ
Ключевые факторы, влияющие на стоимость жизненного цикла (ООО) телекоммуникационных вышек: Структурные & Экологическая иерархия
январь 5, 2026
Написание технического анализа такого масштаба, особенно в отношении коэффициентов ветровой нагрузки угловой стали. передача башни поперечины под разными углами поворота — требуется глубокое погружение в гидродинамику, структурная надежность, и нюансы международных норм проектирования, таких как IEC 60826, ASCE 74, и RU 1993-3-1.
Аэродинамический импеданс и проблема пограничного слоя
Когда мы рассматриваем решетчатую структуру опоры электропередачи, мы не просто смотрим на статический объект; мы рассматриваем сложный фильтр турбулентной кинетической энергии. Уголковые стальные элементы (L-профили) аэродинамически “острый.” В отличие от круглых секций, которые испытывают кризис сопротивления при высоких числах Рейнольдса, угловая сталь по существу не зависит от Рейнольдса в широком диапазоне рабочих скоростей ветра.. Отрыв потока происходит фиксированно на острых кромках..
Суть проблемы расчета коэффициента ветровой нагрузки ($C_t$) для перекладины заключается во взаимодействии между отдельными элементами и экранирующем эффекте. Когда ветер ударяет в перекладину на $0^\circ$ угол (перпендикулярно продольной грани), передние элементы создают след высокой турбулентности и уменьшают импульс. Задние члены, сижу в этом “дефицит скорости” зона, не испытывать такого же динамического давления. Это “коэффициент экранирования” ($\eta$), которая является функцией коэффициента твердости ($\phi$).
Однако, при изменении угла ветра — скажем, $45^\circ$ или $60^\circ$— это экранирование становится асимметричным. Эффективный “прогнозируемая площадь” ($A_n$) изменения, но не линейно. Во многих традиционных кодах проектирования, ветровая нагрузка на секцию решетки упрощается с использованием суммарного коэффициента силы, приложенной к проекционной площади одной грани. А вот для угловых стальных траверс, которые часто представляют собой сложные “К” или “Х” бодрящий, коэффициент лобового сопротивления сильно колеблется, потому что “резкость” стальной уголок представляет собой различный профиль для ветра при каждом градусе отклонения от курса..
Физика коэффициента аэродинамического сопротивления ($C_f$)
В глубоком техническом смысле, коэффициент сопротивления для изолированного уголка примерно равен $2.0$ когда ветер дует в “внутри” V-образной формы и чуть меньше при попадании в вершину. При интеграции в траверсу башни, мы должны учитывать соотношение сторон. Вдоль, тонкая траверса ведет себя иначе, чем короткая, короткий из-за вихрей на конце.
Давайте посмотрим на стандартные значения, которые обычно используются в качестве базовых, прежде чем мы проанализируем “угол атаки” вариации.
Таблица 1: Базовые коэффициенты сопротивления ($C_{ft}$) для решетчатых конструкций (Общая справка)
| Коэффициент твердости (φ) | Cft (Плоские элементы) | Коэффициент экранирования (или) | Эффективный Ct (комбинированный) |
| 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 |
Заметка: Эти значения предполагают, что ветер перпендикулярен лицу.. The “Угловой эффект” вот что усложняет эту таблицу.
Феномен перекошенного ветра
Когда ветер не перпендикулярен, мы сталкиваемся с “закон косинуса” заблуждение. Простая тригонометрия предполагает, что сила должна уменьшиться $\cos^2(\theta)$, но эмпирические испытания в аэродинамической трубе показывают, что для угловых стальных башен такое случается редко.. Из-за трехмерности решетки, в $45^\circ$ угол, ветер может “видеть” более высокая плотность стали, чем у $0^\circ$.
Исследования высоковольтных линий электропередачи (особенно $500\text{kV}$ а также $800\text{kV}$ Линии сверхвысокого напряжения) указывает на то, что максимальная ветровая нагрузка на траверсу часто возникает под перекошенным углом, обычно вокруг $30^\circ$ в $60^\circ$, а не в $0^\circ$. Это связано с “открытие” из элементов крепления. Ветер проходит через переднюю поверхность и попадает на элементы задней поверхности, которые ранее были экранированы..
Вычислительная гидродинамика (CFD) против. Испытания в аэродинамической трубе
В современную эпоху, мы используем моделирование больших вихрей (ТО) смоделировать эти коэффициенты. Проблема с угловой сталью заключается в “образование вихрей” от острых краев. Эти вихри могут стать резонансными с собственной частотой траверсы., что приводит к аэроупругой неустойчивости.
Если мы посмотрим на коэффициенты давления ($C_p$) по всей поверхности одного L-профиля внутри траверсы, мы обнаруживаем, что всасывание на подветренной стороне фланца является основной движущей силой силы сопротивления.. Когда поперечина расположена под углом, один фланец уголка может совпасть с потоком, значительно уменьшая индивидуальное сопротивление, в то время как другой фланец становится “грубое тело,” максимизируя это.
Таблица 2: Сравнительный $C_t$ Вариации по углу отклонения от курса ($\theta$) для типичной прочности траверсы ($\phi \approx 0.2$)
| Угол ветра (я) | Традиционный кодекс (Упрощенный) | Экспериментальный результат (Угол стали) | Отклонение (%) |
| $0^\circ$ | 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% |
Таблица выше иллюстрирует опасное несоответствие.. Традиционные упрощенные коды часто предполагают, что по мере увеличения угла, нагрузка падает. Однако, для перекладины, общая сила ветра может фактически увеличивать поскольку ветер начинает сильнее ударять по лонжеронам траверсы и диагональным распоркам.
Роль вторичных раскосов и косынок
Мы часто игнорируем мелочи — косынки., болты, и второстепенные резервные члены. Однако, в угловых стальных башнях, они могут увеличить коэффициент прочности на $5\%$ в $10\%$. Что еще более важно, они создают локальную турбулентность, которая “поездки” поток, предотвращение любого чистого аэродинамического восстановления. В моем анализе, the “эффективный” ширина элемента должна быть увеличена в раз (обычно $1.05$ в $1.15$) учитывать эти связи при расчете коэффициента ветровой нагрузки.
Структурная реакция и надежность
Почему это важно для инженера? Если мы недооценим ветровую нагрузку на $45^\circ$ угол, мы разрабатываем основные элементы опор и крепления поперечины. The “с подветренной стороны” опора башни получает накопленную нагрузку. Если коэффициент $C_t$ ушел $30\%$, фактор безопасности $1.5$ эффективно разрушается до $1.1$.
более того, траверса - это не просто консоль; это элемент конструкции, подверженный кручению при перекосе ветра. Ветер не просто толкает перекладину “назад”; он пытается повернуть его, потому что центр давления не совпадает с центром сдвига поперечной секции.. Этот эксцентриситет усугубляется зависящим от угла коэффициентом ветровой нагрузки..
Усовершенствованные формулы для ветровой нагрузки
Чтобы двигаться к более “научный” а также “глубокий” расчет, мы должны рассматривать силу как векторную сумму сопротивления ($D$) и поднять ($L$) компоненты относительно направления ветра, затем преобразуйте их в локальную систему координат башни (Продольный и поперечный).
Общая сила $F$ может быть выражено как:
где:
-
$q$ динамическое скоростное давление.
-
$G_z$ коэффициент реакции на порывы ветра (который должен быть выше для траверс из-за их высоты и гибкости).
-
$C_t$ наш переменный коэффициент.
-
$A_n$ чистая проекционная площадь.
The “истинный” $C_t$ за перекошенный угол $\theta$ лучше моделируется эллиптической или полиномиальной аппроксимацией, а не простой функцией косинуса.. Для угловой стальной решетки, рекомендуемое соответствие коэффициенту $C_{t(\theta)}$ может выглядеть как:
где $\alpha$ а также $\beta$ являются константами, полученными из коэффициента прочности и типов элементов..
Заключительные мысли и будущие направления
Изучение угловых стальных опор электропередачи смещается от квазистатических предположений к динамическим., реальность, чувствительная к углу. The “угол атаки” не является понижающим коэффициентом; во многих случаях, это коэффициент усиления для конкретных элементов в сборе траверсы..
Мы должны отойти от идеи, что “худший сценарий” ветер всегда бьет в башню лицом к лицу. Сложное взаимодействие экранирования, повторное присоединение турбулентности, а высокое сопротивление, присущее L-профилям, предполагает, что для башен, превышающих $50\text{m}$, полный $360^\circ$ необходим анализ ветровой нагрузки. Используемые коэффициенты должны отражать “вершина горы” найден под перекошенными углами, не только “стандарт” ценности, найденные в учебниках 20-го века.
Следующим шагом этого исследования будет интеграция этих зависящих от угла коэффициентов в нелинейный анализ методом конечных элементов. (ВЭД) чтобы увидеть, как перераспределение силы влияет на устойчивость основного корпуса башни.
Глубокая дивергенция: Нелинейная механика жидкости в угловой стальной матрице
Двигаясь глубже в “внутренняя жизнь” башни, мы должны признать реальность того, что траверса не является единичным аэродинамическим объектом.. Это коллекция “особенности”— острые края, которые действуют как линейные источники завихренности.. В размышлениях о механике жидкости, когда мы говорим о коэффициенте ветровой нагрузки угловой стальной траверсы, по сути мы обсуждаем интегрирование поля давления по разрывной поверхности.
Стандартная практика проектирования часто рассматривает коэффициент сопротивления как скалярный множитель.. Однако, как наш “поток сознания” анализ переходит на микроскопический уровень L-профиля, мы видим, что в режиме течения преобладает Пузыри присоединения и разделения. Когда ветер ударяет по угловому элементу под перекошенным углом, поток отделяется на передней кромке и может присоединяться или не присоединяться к фланцу в зависимости от угла атаки и длины фланца.. Этот “повторное прикрепление” создает огромный перепад давления между внутренней и внешней гранями уголка., что является основным источником силы ветра.
Взаимодействие твердости и рыскания
The “Коэффициент твердости” ($\phi$) - это отношение проекционной площади элементов к общей площади, ограниченной границей траверсы.. В траверсе низкой прочности ($\phi < 0.1$), участники действуют почти независимо. Как $\phi$ увеличивается, the “коллектив” поведение решетки начинает доминировать.
В $45^\circ$ угол ветра, происходит что-то парадоксальное. The “эффективный” прочность увеличивается, поскольку диагональные элементы связи, которые были частично скрыты за основными аккордами на $0^\circ$, теперь полностью подвергаются воздействию высокоскоростного потока. Именно поэтому наши экспериментальные данные в табл. 2 показал $37\%$ увеличение коэффициента по сравнению с традиционными предсказаниями кода. The “экранирование” не просто уменьшается; он фактически перевернут.
Расширенный численный анализ: Тензорный подход
Если бы мы хотели построить по-настоящему научную модель, мы бы перестали рассматривать ветровую нагрузку как двумерную силу и начали рассматривать коэффициент ветровой нагрузки как тензор второго порядка. Это позволяет учесть тот факт, что вектор ветра в $X$-направление может вызвать силовую реакцию в $Y$ а также $Z$ направлениях из-за асимметрии поперечного сечения уголка.
The “Поднимать” компонент ($C_l$) в решетчатой конструкции часто пренебрегают, но для перекладины, это жизненно важно. Поскольку траверса часто асимметрична в вертикальной плоскости. (с растягивающими элементами вверху и сжимающими элементами внизу), ветер создает вертикальную силу. Эта вертикальная составляющая может изменить эффективное напряжение в изоляторах., потенциально может привести к “изолятор качели” или “галопирующий” колебания даже в условиях отсутствия обледенения.
Таблица 3: Многокомпонентные коэффициенты силы для стандартной траверсы 220 кВ
| Угол отклонения от курса ветра (я) | Коэффициент сопротивления (компакт-диск) | Коэффициент подъема (кл) | Коэффициент крутящего момента (см) |
| $0^\circ$ (Нормальный) | 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 |
| $90^\circ$ (Параллельно) | 1.20 | 0.10 | 0.05 |
Пик в $C_m$ (Крутящий момент) в $45^\circ$ особенно опасен, поскольку угловая сталь общеизвестно слаба на кручение.
The “Аэроструктурный” Муфта
Мы не можем обсуждать коэффициент, не обсуждая вибрацию.. Как ветер обтекает острые края стального уголка, он излучает вихри с частотой ($f_s$) определяется числом Струхаля ($St$):
где $V$ скорость ветра и $d$ характерная ширина угловой полки. Для L-профилей, $St \approx 0.12$ в $0.15$. Если эта частота пропускания соответствует собственной частоте траверсы, the “эффективный” коэффициент ветровой нагрузки может удвоиться из-за эффекта блокировки.
В высокоточных исследованиях, мы обнаруживаем, что “статический” Коэффициент, используемый в большинстве технических руководств, занижен, поскольку игнорирует динамическое усиление этих вихрей.. Это особенно верно для “Высокотангенциальный” ветровые явления, такие как микропорывы или тайфуны, где интенсивность турбулентности ($I_u$) может превысить $20\%$.
Интеграция проектирования, основанного на надежности (РБД)
Как нам перевести это в значение, которое инженер может использовать?? Мы используем “Вероятностный коэффициент ветровой нагрузки.” Вместо одного значения, мы лечим $C_t$ как случайная величина с распределением Гаусса.
Если мы возьмем среднее значение $C_t$ в $45^\circ$ в виде $1.85$ (из таблицы 2) и применить коэффициент вариации (COV) из $0.15$ для учета производственных допусков и неопределенности направления ветра, the “Характеристика Значение” используемый для расчета предельного состояния, должен быть:
Для $95\%$ доверительный интервал, $C_{t,k}$ может быть таким же высоким, как $2.3$ или $2.4$. Сравните это с $1.7$ или $1.8$ обычно встречается в старых стандартах, и вы понимаете, почему старые башни часто выходят из строя во время “непредвиденный” ветровые явления, которые на самом деле находились в пределах расчетной скорости ветра, но произошли из-за “перекошенный” угол.
Синтез исследования
Расследование приводит нас к окончательному выводу: Коэффициент ветровой нагрузки для угловых стальных траверс является динамическим, функция, зависящая от угла, на которую существенно влияют:
-
Разделение, вызванное вихрем на острых кромках L-профиля.
-
Инверсия экранирования на основе Solidity под углами отклонения между $30^\circ$ а также $60^\circ$.
-
Торсионный эксцентриситет вызвано смещением между центром давления и центром сдвига.
Для инженерной практики, особенно для вышек сверхвысокого напряжения, где траверсы сами по себе являются массивными конструкциями, мы должны принять “Карта коэффициентов полярных сил.” Эта карта заменяет одиночную $C_t$ значение с помощью справочной таблицы или непрерывной функции, основанной на угле падения ветра.
