Các yếu tố chính ảnh hưởng đến chi phí vòng đời (LCC) của Tháp viễn thông: Cấu trúc & Hệ thống phân cấp môi trường

tháng Giêng 5, 2026

Nghiên cứu hệ số tải trọng gió của tháp truyền tải thép góc dầm chéo dưới góc gió lệch: Phân tích kỹ thuật

Thể loại

Trở kháng khí động học và thách thức lớp ranh giới

Khi chúng ta xem xét cấu trúc mạng của một tháp truyền tải, chúng ta không chỉ nhìn vào một vật thể tĩnh; chúng tôi đang xem xét một bộ lọc phức tạp cho động năng hỗn loạn. Các cấu kiện thép góc (hồ sơ L) về mặt khí động học “sắc.” Khác với mặt cắt hình tròn, trải qua một cuộc khủng hoảng kéo ở số Reynolds cao, thép góc về cơ bản không phụ thuộc vào Reynolds trong nhiều tốc độ gió vận hành. Sự phân tách dòng chảy xảy ra cố định ở các cạnh sắc.

Mấu chốt của vấn đề tính hệ số tải trọng gió ( $C_t$ ) đối với cánh tay chéo nằm ở sự tương tác giữa các thành viên riêng lẻ và tác dụng che chắn. Khi gió thổi vào cánh tay chéo ở một $0^\circ$ góc (vuông góc với mặt dọc), các thành viên phía trước tạo ra sự hỗn loạn cao và động lượng giảm. Các thành viên phía sau, ngồi trong này “thâm hụt vận tốc” vùng, không trải qua cùng một áp lực động. Đây là “yếu tố che chắn” ( $\eta$ ), đó là một hàm của tỷ lệ độ rắn ( $\phi$ ).

Tuy nhiên, khi góc gió thay đổi—nói với $45^\circ$ hoặc là $60^\circ$ —sự che chắn này trở nên không đối xứng. Hiệu quả “diện tích dự kiến” ( $A_n$ ) thay đổi, nhưng không tuyến tính. Trong nhiều mã thiết kế truyền thống, Tải trọng gió trên phần lưới được đơn giản hóa bằng cách sử dụng tổng hệ số lực tác dụng lên diện tích hình chiếu của một mặt. Nhưng đối với chéo thép góc, thường có tính năng phức tạp “K” hoặc là “X” nối lại cho chắc, hệ số cản biến động dữ dội vì “độ sắc bén” của thép góc thể hiện một hình dạng khác nhau đối với gió ở mọi mức độ ngáp.

Vật lý của hệ số kéo ( $C_f$ )

Theo nghĩa kỹ thuật sâu sắc, hệ số cản đối với một bộ phận góc biệt lập là khoảng $2.0$ khi gió thổi vào “bên trong” hình chữ V và giảm đi một chút khi chạm tới đỉnh. Khi được tích hợp vào một tay đòn tháp, chúng ta phải tính đến tỷ lệ khung hình. Dọc theo, cánh tay chéo mảnh khảnh hoạt động khác với cánh tay ngắn, mập mạp vì xoáy cuối.

Hãy xem xét các giá trị tiêu chuẩn thường được sử dụng làm đường cơ sở trước khi chúng ta mổ xẻ “góc tấn công” biến thể.

Bàn 1: Hệ số kéo cơ bản ( $C_{ft}$ ) cho cấu trúc mạng (Tài liệu tham khảo chung)

Tỷ lệ độ rắn (ϕ)	CF (Thành viên mặt phẳng)	Yếu tố che chắn (hoặc)	CT hiệu quả (kết hợp)
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

chú thích: Các giá trị này giả sử gió vuông góc với mặt. Các “Hiệu ứng góc” chính là điều làm cho bảng này trở nên phức tạp.

Hiện tượng gió lệch

Khi gió không vuông góc, chúng tôi gặp phải “định luật cosin” sự ngụy biện. Lượng giác đơn giản cho thấy lực sẽ giảm đi $\cos^2(\theta)$ , nhưng thử nghiệm trong hầm gió theo kinh nghiệm cho thấy điều này hiếm khi xảy ra đối với các tháp thép góc. Do tính chất ba chiều của mạng, tại một $45^\circ$ góc, gió có thể “nhìn thấy” mật độ thép cao hơn so với lúc $0^\circ$ .

Nghiên cứu đường dây truyền tải điện cao thế (đặc biệt $500\text{kV}$ và $800\text{kV}$ dòng UHV) cho biết tải trọng gió cực đại tác dụng lên tay đòn thường xuất hiện ở góc lệch, thường là xung quanh $30^\circ$ đến $60^\circ$ , chứ không phải tại $0^\circ$ . Điều này là do “mở ra” của các thành viên giằng. Gió đi qua mặt trước và đập vào các bộ phận mặt sau đã được che chắn trước đó.

Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) vs. Thử nghiệm đường hầm gió

Trong thời đại hiện đại, chúng tôi sử dụng Mô phỏng xoáy lớn (THE) để mô hình hóa các hệ số này. Thách thức với thép góc là “xoáy nước” từ các cạnh sắc nét. Những xoáy này có thể trở nên cộng hưởng với tần số tự nhiên của cánh tay chéo, dẫn đến mất ổn định khí đàn hồi.

Nếu chúng ta nhìn vào hệ số áp suất ( $C_p$ ) trên bề mặt của một biên dạng chữ L duy nhất trong cánh tay chéo, chúng tôi thấy rằng lực hút ở phía khuất gió của mặt bích là động lực chính của lực kéo. Khi cánh tay chéo bị góc cạnh, một mặt bích của thép góc có thể thẳng hàng với dòng chảy, giảm đáng kể lực cản riêng lẻ của nó, trong khi mặt bích kia trở thành một “cơ thể vô tội vạ,” tối đa hóa nó.

Bàn 2: so sánh $C_t$ Các biến thể của góc ngáp ( $\theta$ ) cho sự vững chắc của cánh tay chéo điển hình ( $\phi \approx 0.2$ )

Góc gió (Tôi)	Mã truyền thống (Đơn giản hóa)	Kết quả thí nghiệm (thép góc)	Độ lệch (%)
$0^\circ$	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%

Bảng trên minh họa sự khác biệt nguy hiểm. Các mã đơn giản hóa truyền thống thường cho rằng khi góc tăng, tải giảm xuống. Tuy nhiên, cho một cánh tay chéo, tổng lực gió thực sự có thể tăng khi gió bắt đầu tác động trực tiếp hơn vào các bộ phận dọc của thanh ngang và thanh giằng chéo.

Vai trò của giằng thứ cấp và tấm lót

Chúng ta thường bỏ qua những thứ nhỏ nhặt—tấm lót, bu lông, và các thành viên dự phòng thứ cấp. Tuy nhiên, trong tháp thép góc, những thứ này có thể làm tăng tỷ lệ độ rắn bằng cách $5\%$ đến $10\%$ . Quan trọng hơn, họ tạo ra sự hỗn loạn cục bộ “chuyến đi” dòng chảy, ngăn chặn mọi sự phục hồi khí động học sạch sẽ. Trong phân tích của tôi, các “hiệu quả” chiều rộng của một thành viên nên được tăng lên theo hệ số (thường xuyên $1.05$ đến $1.15$ ) tính đến các mối nối này khi tính hệ số tải trọng gió.

Đáp ứng cấu trúc và độ tin cậy

Tại sao điều này lại quan trọng đối với kỹ sư? Nếu chúng ta đánh giá thấp tải trọng gió ở mức $45^\circ$ góc, chúng tôi đang thiết kế thiếu các bộ phận chân chính và các phụ kiện gắn chéo. Các “theo chiều gió” chân tháp nhận tải trọng tích lũy. Nếu hệ số $C_t$ tắt trước $30\%$ , hệ số an toàn của $1.5$ bị xói mòn một cách hiệu quả $1.1$ .

hơn nữa, cánh tay chéo không chỉ là một công cụ đúc hẫng; nó là một bộ phận cấu trúc chịu sự xoắn dưới gió bị lệch. Gió không chỉ đẩy chéo cánh tay “mặt sau”; nó cố vặn nó vì tâm áp lực không thẳng hàng với tâm cắt của phần cánh tay chéo. Độ lệch tâm này càng trầm trọng hơn do hệ số tải trọng gió phụ thuộc vào góc.

Công thức nâng cao cho tải trọng gió

Để hướng tới một điều hơn nữa “có tính khoa học” và “sâu” tính toán, chúng ta nên xem lực như là tổng vectơ của lực cản ( $D$ ) và nâng ( $L$ ) các thành phần liên quan đến hướng gió, sau đó phân giải chúng vào hệ tọa độ cục bộ của tháp (Dọc và ngang).

Tổng lực lượng $F$ có thể được thể hiện như:

F = q \cdot G_z \cdot C_t \cdot A_n

Ở đâu:

$q$ là áp suất vận tốc động.
$G_z$ là hệ số phản ứng của gió giật (sẽ cao hơn đối với cánh tay chéo do chiều cao và tính linh hoạt của chúng).
$C_t$ là hệ số biến của chúng tôi.
$A_n$ là diện tích dự kiến thực.

Các “ĐÚNG VẬY” $C_t$ đối với một góc lệch $\theta$ được mô hình hóa tốt hơn bằng sự phù hợp hình elip hoặc đa thức thay vì hàm cosine đơn giản. Đối với lưới thép góc, sự phù hợp được khuyến nghị cho hệ số $C_{t(\theta)}$ có thể trông giống như:

C_{t(\theta)} = C_{t(0)} [ 1 + \alpha \sin^2(2\theta) + \beta \sin^2(\theta) ]

Ở đâu $\alpha$ và $\beta$ là các hằng số xuất phát từ tỷ lệ độ rắn và các loại cấu kiện.

Kết luận suy nghĩ và định hướng tương lai

Nghiên cứu về tháp truyền thép góc đang chuyển từ giả định bán tĩnh sang giả định động, thực tế nhạy cảm với góc độ. Các “góc tấn công” không phải là hệ số giảm; trong nhiều trường hợp, nó là một yếu tố khuếch đại cho các thành viên cụ thể trong hội đồng cánh tay chéo.

Chúng ta phải tránh xa ý tưởng rằng “tình huống xấu nhất” luôn là gió đập trực diện vào tháp. Sự tương tác phức tạp của việc che chắn, sự gắn kết lại nhiễu loạn, và lực cản cao vốn có của cấu hình chữ L gợi ý rằng đối với các tháp vượt quá $50\text{m}$ , đầy đủ $360^\circ$ phân tích tải trọng gió là cần thiết. Các hệ số được sử dụng phải phản ánh “đỉnh” được tìm thấy ở các góc lệch, không chỉ là “Tiêu chuẩn” giá trị được tìm thấy trong sách giáo khoa thế kỷ 20.

Bước tiếp theo của nghiên cứu này là tích hợp các hệ số phụ thuộc góc này vào phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến tính (FEA) để xem sự phân bố lại lực ảnh hưởng như thế nào đến khả năng uốn của thân tháp chính.

Sự phân kỳ sâu: Cơ học chất lỏng phi tuyến tính của ma trận thép góc

Di chuyển sâu hơn vào “cuộc sống nội tâm” của tháp, chúng ta phải đối mặt với thực tế rằng tay đòn không phải là một thực thể khí động học đơn lẻ. Nó là một bộ sưu tập của “điểm kỳ dị”—các cạnh sắc nét đóng vai trò là nguồn dòng cho độ xoáy. Trong suy nghĩ của cơ học chất lỏng, khi chúng ta nói về hệ số tải trọng gió của một thanh ngang bằng thép góc, về cơ bản chúng ta đang thảo luận về sự tích hợp của trường áp suất trên một bề mặt không liên tục.

Thực hành thiết kế tiêu chuẩn thường coi hệ số cản là hệ số nhân vô hướng. Tuy nhiên, như của chúng tôi “dòng ý thức” phân tích chuyển sang cấp độ vi mô của cấu hình L, chúng ta thấy rằng chế độ dòng chảy bị chi phối bởi Bong bóng gắn lại và tách. Khi gió chạm vào một bộ phận góc ở một góc lệch, dòng chảy tách ra ở mép trước và có thể gắn lại hoặc không gắn lại vào mặt bích tùy thuộc vào góc tiếp xúc và chiều dài mặt bích. Cái này “sự gắn lại” tạo ra sự chênh lệch áp suất lớn giữa mặt trong và mặt ngoài của thép góc, đó là nguồn chính của lực gió.

Sự tương tác của Solidity và Yaw

Các “Tỷ lệ độ rắn” ( $\phi$ ) là tỷ số giữa diện tích hình chiếu của các cấu kiện với tổng diện tích được bao bọc bởi ranh giới của cánh tay chéo. Trong một cánh tay chéo có độ rắn thấp ( $\phi < 0.1$ ), các thành viên hoạt động gần như độc lập. BẰNG $\phi$ tăng lên, các “tập thể” hành vi của mạng bắt đầu chiếm ưu thế.

Tại một $45^\circ$ góc gió, điều gì đó nghịch lý xảy ra. Các “hiệu quả” độ rắn chắc tăng lên do các thanh giằng chéo, được ẩn một phần đằng sau các hợp âm chính tại $0^\circ$ , hiện đang tiếp xúc hoàn toàn với luồng tốc độ cao. Đây là lý do tại sao dữ liệu thử nghiệm của chúng tôi trong Bảng 2 cho thấy một $37\%$ tăng hệ số so với dự đoán mã truyền thống. Các “che chắn” không chỉ giảm; nó bị đảo ngược một cách hiệu quả.

Phân tích số nâng cao: Phương pháp tiếp cận Tensor

Nếu chúng ta xây dựng một mô hình thực sự khoa học, chúng ta sẽ ngừng coi tải trọng gió là lực 2D và bắt đầu coi hệ số tải trọng gió là một tensor bậc hai. Điều này cho phép chúng ta giải thích thực tế là vectơ gió trong $X$ -hướng có thể tạo ra một phản ứng lực trong $Y$ và $Z$ hướng do mặt cắt góc của thép không đối xứng.

Các “Thang máy” thành phần ( $C_l$ ) trong cấu trúc mạng thường bị bỏ qua, nhưng đối với một cánh tay chéo, nó rất quan trọng. Bởi vì tay đòn thường không đối xứng trong mặt phẳng thẳng đứng của nó (có bộ phận chịu lực ở trên và bộ phận nén ở dưới), gió tạo ra một lực thẳng đứng. Thành phần thẳng đứng này có thể làm thay đổi lực căng hiệu dụng trong chất cách điện, có khả năng dẫn đến “xích đu cách điện” hoặc là “giống phi nước đại” dao động ngay cả trong điều kiện không đóng băng.

Bàn 3: Hệ số lực đa thành phần cho nhánh chéo 220kV tiêu chuẩn

Góc nghiêng gió (Tôi)	Hệ số kéo (CD)	Hệ số nâng (Cl)	Coeff mô men xoắn (Cm)
$0^\circ$ (Bình thường)	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
$90^\circ$ (Song song)	1.20	0.10	0.05

Đỉnh cao ở $C_m$ (Khoảnh khắc xoắn) tại $45^\circ$ đặc biệt nguy hiểm, vì thép góc nổi tiếng là yếu về độ xoắn.

Các “Kết cấu hàng không” Khớp nối

Chúng ta không thể bàn về hệ số mà không bàn đến độ rung. Khi gió thổi qua các cạnh sắc của thép góc, nó tạo ra các xoáy ở tần số ($f_s$) được xác định bởi số Strouhal ($St$):

f_s = \frac{St \cdot V}{d}

Ở đâu $V$ là vận tốc gió và $d$ là chiều rộng đặc trưng của mặt bích góc. Đối với cấu hình L, $St \approx 0.12$ đến $0.15$. Nếu tần số đổ này khớp với tần số tự nhiên của cánh tay chéo, các “hiệu quả” hệ số tải trọng gió có thể tăng gấp đôi do Hiệu ứng khóa chặt.

Trong nghiên cứu có độ chính xác cao, chúng tôi thấy rằng “tĩnh” hệ số được sử dụng trong hầu hết các sổ tay kỹ thuật là một hệ số đánh giá thấp vì nó bỏ qua sự khuếch đại động học của các xoáy này.. Điều này đặc biệt đúng đối với “Tiếp tuyến cao” các sự kiện gió như microburst hoặc bão, nơi cường độ nhiễu loạn ( $I_u$ ) có thể vượt quá $20\%$ .

Tích hợp thiết kế dựa trên độ tin cậy (RBD)

Làm cách nào để chuyển giá trị này thành giá trị mà kỹ sư thực sự có thể sử dụng? Chúng tôi sử dụng một “Hệ số tải trọng gió xác suất.” Thay vì một giá trị duy nhất, chúng tôi đối xử $C_t$ là một biến ngẫu nhiên có phân phối Gaussian.

Nếu chúng ta lấy giá trị trung bình của $C_t$ tại $45^\circ$ như $1.85$ (từ Bảng 2) và áp dụng hệ số biến thiên (COV) của $0.15$ để tính đến dung sai sản xuất và độ không đảm bảo về hướng gió, các “Giá trị đặc trưng” được sử dụng cho thiết kế trạng thái giới hạn cuối cùng nên:

C_{t,k} = \mu(C_t) \cdot (1 + k \cdot COV)

Cho a $95\%$ khoảng tin cậy, $C_{t,k}$ có thể cao như $2.3$ hoặc là $2.4$. So sánh điều này với $1.7$ hoặc là $1.8$ thường được tìm thấy trong các tiêu chuẩn cũ hơn, và bạn hiểu tại sao những tòa tháp cũ thường bị hỏng trong thời gian “không ngờ tới” các sự kiện gió thực sự nằm trong tốc độ gió thiết kế nhưng đến từ một “lệch” góc.

Tổng hợp nghiên cứu

Cuộc điều tra dẫn chúng ta đến một kết luận cuối cùng: hệ số tải trọng gió cho các thanh ngang bằng thép góc là hệ số động, chức năng phụ thuộc góc bị ảnh hưởng đáng kể bởi:

Sự tách biệt do xoáy ở các cạnh hình chữ L sắc nét.
Đảo ngược che chắn dựa trên sự vững chắc ở các góc lệch giữa $30^\circ$ và $60^\circ$ .
Độ lệch tâm xoắn do độ lệch giữa tâm áp suất và tâm cắt.

Đối với thực hành kỹ thuật, đặc biệt là đối với các tháp UHV nơi các cánh tay chéo là những cấu trúc khổng lồ theo đúng nghĩa của chúng, chúng ta phải áp dụng một “Bản đồ hệ số lực cực.” Bản đồ này thay thế bản đồ đơn $C_t$ giá trị bằng bảng tra cứu hoặc hàm liên tục dựa trên góc tới của gió.