覆冰输电线的舞动是一个相当复杂的课题,其复杂性体现在:(1)它属于流-固耦合振动;(2)气象、地区、结构参数、人工制造等造成的随机性;(3)输电线的几何非线性特征以及塔线耦合效应。因为输电线的档距远大于其直径,所以输电线属于柔性索单元结构。近几十年来,国内外学者基于索单元做了大量与输电线舞动有关的研究,取得了丰富的研究成果。目前针对单档输电线的非线性振动研究较多,关于多档输电线振动的研究成果还较少。Irvine[4]建立了索单元结构的经典理论,对悬索结构的静力学、线性和非线性动力学行为进行了研究,给出了索单元结构任意模态之间可能发生耦合共振的条件,并提出了重要的Irvine系数。该参数是和几何参数有关的重要参数,对索单元结构的动力学特征分析起着至关重要的作用,其相关的研究成果已经被广泛运用于学术界、工业界中。
针对覆冰输电线的非线性舞动特征研究,为了简化理论模型及方便求解理论模型对应的舞动方程,大部分科技学者们都选择忽略弯曲刚度对覆冰输电导线舞动特征的影响。然而,在实际工程中,输电导线的弯曲刚度随着其直径的增加而增加,且弯曲刚度会影响输电导线的舞动频率,进而可能导致输电导线的舞动特征发生改变。因此基于索单元结构来研究特大直径输电导线的舞动特征时忽略其弯曲刚度可能并不合理。基于这一“出发点”,部分学者们重新推导了单档输电导线的舞动方程,重点评估了弯曲刚度对输电导线舞动特征的影响。
赵跃宇等[5]基于哈密顿变分原理推导了索单元结构考虑弯曲刚度影响的三自由度耦合振动方程,结合边界条件和降维法将无穷维自由度系统转变为有限维自由度系统,利用摄动法分析了索单元结构可能存在的内共振模式,通过MATLAB研究了弯曲刚度对索单元结构内共振的影响程度。结果表明:弯曲刚度会使得索单元结构的固有频率增大,进而使得索单元结构发生内共振的条件向左偏移;受弯曲刚度的影响,索单元结构内共振条件下的幅值和拍频的大小都将增大。赵跃宇等[6]基于伽辽金法研究了弯曲刚度对索单元结构面内、面外的一阶频率及高阶频率的影响。其研究结果表明:弯曲刚度对面外频率的影响较大,弯曲刚度对面内频率的影响较小,且弯曲刚度对频率的影响随着模态函数阶次的增加而增大。该研究成果对实际工程有一定的指导价值。
肖一等[7-8]在已有文献的研究基础上,考虑了弯曲刚度对索单元结构静力构型的影响,首先推导了两端固结悬索的面内自由振动解析解,接着推导了两端铰接悬索的面内自由振动解析解,对比了两种边界条件下悬索的动力学行为,并修改了已有文献的研究结论。学者肖一在建立悬索自由振动理论模型时,重点考虑了弯曲刚度对悬索结构振动特性的影响,因此其研究成果在理论上会更为准确。Wu等[9]也推导了考虑弯曲刚度影响的索单元面内外耦合振动的新方程,修正了Irvine提出的索单元面内外耦合振动方程,讨论了新振动方程的适用范围,接着采用有限差分法验证了新振动方程的正确性。因此其研究成果通过修正既有方程并引入弯曲刚度影响,可以更准确地预测结构的振动特性和响应。这对于工程设计、结构优化等方面都具有重要意义。
Yan等[10]建立了考虑弯曲刚度影响的节点六自由度索单元有限元方程,并采用Newton-Raphson迭代法求解了该有限元方程,最后通过数值算例进行了结果分析。算例表明:当覆冰输电导线振动时,导线的弯曲刚度对扭转角影响最为显著。Yan等[11-12]接着进一步考虑了弯曲刚度对输电导线振动性质的影响。算例分析表明:忽略弯曲刚度会使得导线振动时的幅值降低,这一点与文献[5]的研究结果吻合。其研究结果表明忽略弯曲刚度的影响,可能会低估导线的振幅,从而导致未能正确地评估其疲劳寿命或者出现意外事故。因此引入弯曲刚度考虑可以更准确地预测导线振动,从而更好地保障电力系统的稳定性和可靠性。吕建根等[13]在文献[5]的基础上进一步推导了考虑弯曲刚度效应的索单元面内、面外内共振的幅-频响应方程,结合多尺度法和数值法系统地研究了索单元的1∶1和2∶1的内共振模式,获得了较有意义的结论。接着,吕建根等[14]建立了索-梁耦合简化模型,进一步研究了索-梁系统中索单元的非线性响应。算例分析表明:考虑弯曲刚度后,索单元结构的长度对索单元面内基频的影响较大;对于长度较短的索,应考虑弯曲刚度;弯曲刚度会使索单元的幅-频响应曲线、激-频响应曲线向左偏移,偏移的幅度取决于弯曲刚度的大小。该研究成果为后续进一步确定应考虑弯曲刚度的索单元结构长度的范围提供了依据。刘小会等[15]提出了两种不同的动张力计算公式,并研究了这两种计算公式下弯曲刚度对索单元1∶1、2∶1内共振的影响。接着,刘小会等[16-17]在其自身研究的基础上进一步考虑了索单元的气动效应,建立了覆冰索振动的拟静态模型,系统地研究了弯曲刚度对覆冰索振动特征的影响。算例分析表明:对于档距大于300 m的索单元结构,弯曲刚度对相位、幅值的影响较小,对于档距小于300 m的索单元结构,不能忽略弯曲刚度的影响。该研究结果给出了在保证计算效率的同时,尽可能地提高模拟结果精度而考虑弯曲刚度的索单元结构长度的一定范围。该研究成果对于后续类似的模拟分析具有一定的指导价值。
Younespour等[18]为了评估索单元的弯曲刚度对索网平面内动力响应的影响,对现有的双索网分析模型进行了改进,导出了一组闭式解,清楚地揭示了索单元弯曲刚度对两种不同结构索网模态响应的影响。结果表明:索单元的弯曲刚度会通过增加索网的模态频率来影响索网的所有模态,其中对高阶整体模态和局部模态的影响更为显著。如果忽略不计,网络基频可能会出现高达7.1%的误差。此外,索单元的弯曲刚度对局部模态的影响大于对整体模态的影响。其研究结果表明忽略弯曲刚度的影响,可能会产生较大的网络基频误差,从而影响结构的振动特性和响应。因此应引入弯曲刚度考虑以保证计算结果的准确性和可靠性。