格构式钢管输电塔架体型系数与雷诺数效应的学习体会

文献概况与研究背景

浙江大学沈国辉等人发表于《湖南大学学报》2024年第51卷第3期的这篇论文，聚焦于格构式钢管输电塔架的体型系数（Shape Factor）和雷诺数效应（Reynolds Number Effect）问题。输电塔架作为电力输送的关键基础设施，其风荷载计算直接关系到的结构安全与经济合理性。体型系数是计算风荷载的核心参数之一，它反映了结构物在风作用下的气动阻力特性，受结构几何形状、密实度、雷诺数等多种因素影响。

论文采用天平测力风洞试验方法，在亚临界雷诺数范围内获得了钢管塔架的体型系数，研究了体型系数随密实度（Solidity Ratio）的变化特征，并基于规范数据拟合了从亚临界到超临界条件下的雷诺数折算系数。研究结果与JEC-TR-00007—2015、DL/T 5551—2018、GB 50009—2012、IEC 60826—2020、ASCE MOP 74—2020等多国规范进行了对比分析。

从工程实践角度看，输电塔架的风荷载设计是一个高度复杂的问题。塔架的体型系数不仅影响风荷载的大小，还影响风振响应的计算。体型系数的取值偏大会导致结构过度设计，增加工程造价；取值偏小则可能导致结构在强风作用下失效，危及电网安全。因此，精确确定体型系数对于输电塔架的经济合理设计至关重要。

风洞试验方法与体型系数

论文采用的天平测力风洞试验方法是研究结构风荷载的经典手段。天平测力系统可以精确测量结构模型在风作用下的各个方向的力和力矩，从而直接获得体型系数。与压力扫描法等间接测量方法相比，天平测力法具有测量精度高、数据处理简便等优点，但需要制作精确的缩尺模型并校准天平系统。

体型系数（Cd）的定义为风荷载与动压、迎风面积的比值，反映了结构物的气动阻力特性。对于格构式钢管塔架，体型系数受以下因素影响：

论文的一个重要发现是：在相同密实度下，横担的体型系数大于塔身。其原因是横担杆件的长细比较大，且杆件前后的等效间距比均较大，导致气动阻力增大。这一发现对输电塔架的风荷载设计具有重要指导意义——横担部分的体型系数应单独考虑，不能简单采用与塔身相同的系数。

在试验过程中，需要注意以下技术要点：

1. 模型制作精度：风洞试验模型的几何尺寸应严格按比例缩尺制作，杆件截面形状、间距、连接方式等应与原型一致。模型表面的粗糙度也应与原型相匹配，因为表面粗糙度会影响边界层状态和分离点位置。
2. 天平校准：天平测力系统的校准精度直接影响试验结果的可靠性。建议在每次试验前进行校准，并在试验过程中定期检查天平的零点漂移和灵敏度。
3. 风速与攻角控制：风洞试验应在多个风速和攻角条件下进行，以获得完整的体型系数数据。攻角范围通常覆盖0°至90°，风速应覆盖亚临界和超临界雷诺数范围。
4. 数据后处理：体型系数的计算需要考虑风洞试验中的雷诺数效应，将试验雷诺数折算到原型雷诺数。这一折算过程是体型系数研究中的关键技术环节。

雷诺数效应与规范对比

雷诺数效应是风工程研究中的一个重要问题。雷诺数（Reynolds Number）反映了惯性力与粘性力的比值，直接影响边界层的发展和流动分离行为。对于输电塔架，亚临界雷诺数条件下边界层为层流状态，流动分离较早发生，体型系数较大；超临界雷诺数条件下边界层转变为湍流状态，流动分离推迟，体型系数减小。

论文基于规范数据拟合获得了雷诺数折算系数为0.63+0.72ϕ（其中ϕ为密实度）。这一公式表明，雷诺数折算系数随密实度的增加而增大，即密实度越大，亚临界与超临界条件下体型系数的差异越小。这一结论具有合理的物理意义：密实度大的塔架，其气动阻力主要由整体阻力主导，雷诺数效应的影响相对较小；而密实度小的塔架，局部阻力占比较大，雷诺数效应的影响更为显著。

论文将试验结果与多国规范进行了对比，主要发现如下：

从对比结果可以看出，在亚临界条件下，塔身的体型系数试验值与各国规范值接近，但横担的体型系数试验值普遍大于规范值。这意味着按照现行规范设计的输电塔架，其横担部分可能存在风荷载取值偏小的风险。在超临界条件下，塔身的体型系数与DL/T 5551—2018和GB 50009—2012规范结果接近，而横担的体型系数与IEC 60826—2020和ASCE MOP 74—2020规范结果接近。

这一发现对工程实践具有重要启示：在输电塔架的风荷载设计中，横担部分的体型系数应适当放大，或采用更保守的规范值。特别是在重要输电线路或高风压地区，横担的风荷载设计应给予足够的安全储备。

从钢管制造与焊接的角度看，输电塔架的钢管构件在制造过程中需要注意以下几点：

1. 钢管的尺寸精度：塔架钢管的壁厚偏差直接影响密实度的计算，进而影响体型系数的取值。建议钢管的壁厚偏差控制在±0.15mm以内，以满足体型系数计算的精度要求。
2. 焊接质量：塔架构件的焊接接头质量影响结构的整体刚度和气动性能。焊接变形可能导致构件几何形状偏差，影响体型系数的准确性。建议采用合理的焊接顺序和焊接工艺参数，控制焊接变形在允许范围内。
3. 防腐涂层：塔架钢管的防腐涂层厚度影响构件的有效截面尺寸，进而影响密实度和体型系数。在设计阶段应考虑涂层厚度的影响，或在体型系数计算中扣除涂层厚度。

工程实践启示

这篇论文的研究成果对输电塔架的设计、制造和施工具有重要的指导意义。以下从工程实践角度提出几点建议：

设计阶段：在输电塔架的风荷载计算中，应区分塔身和横担的体型系数，横担部分应采用较大的体型系数值。对于重要线路或高风压地区，建议采用风洞试验获取体型系数，而非简单依赖规范公式。

制造阶段：塔架钢管构件的尺寸精度和焊接质量直接影响体型系数的准确性。建议在制造过程中严格控制钢管壁厚偏差、焊接变形和防腐涂层厚度，确保构件几何形状与设计一致。

施工阶段：塔架的安装质量影响其实际气动性能。建议在施工过程中严格控制构件的安装精度，特别是横担部分的安装角度和间距，避免安装偏差导致体型系数偏离设计值。

运维阶段：塔架在长期服役过程中，由于锈蚀、涂层剥落、构件损坏等原因，其气动性能可能发生变化。建议在运维过程中定期检查塔架的气动性能，必要时进行风荷载重新评估。

学习心得

这篇论文的研究成果让我深刻认识到，风工程是一个涉及流体力学、结构力学、材料科学等多学科的交叉领域。体型系数的精确确定不仅需要风洞试验的精确测量，还需要对流动机理的深入理解。论文中提出的雷诺数折算系数公式，为工程实践中体型系数的亚临界到超临界折算提供了简便的计算方法，具有重要的工程应用价值。

从钢管与焊接技术的角度看，这篇论文也提醒我们，构件的几何精度和制造质量不仅影响结构的承载性能，还影响其气动性能。在输电塔架的制造过程中，应重视尺寸精度控制和焊接质量控制，确保构件的几何形状与设计一致，从而保证体型系数的计算准确性。

总体而言，这篇论文在输电塔架风荷载研究方面提供了有价值的试验数据和理论分析，对于推动输电塔架设计的经济合理性和安全性具有重要的参考价值。