输电铁塔是输电线路的关键设备，也是保证电力输送的重要环节。输电铁塔在强风作用下会出现杆件结构变形或断裂，严重时发生整体结构倒塌，造成输电线路损毁和大面积停电，给工业生产和人民日常生活带来极大不便。

输电塔线结构具有较强的几何非线性，在风荷载作用下振动特性较为复杂，再加上风荷载本身的复杂性及随机性等问题使得输电塔线风致动态荷载理论计算无法实现。国内外学者和专家对风荷载进行了相应的研究，并取得了一定成果。目前研究方法主要有现场实测法、风洞试验法、数值仿真计算法和理论分析法。

现场实测法最有效，但测量具有不确定性和随机性，并且周期较长；风洞试验法对风场模拟和风洞模型的设计要求较高，适于结构简单、体积较小的物体，对于结构复杂的物体很难找到能够满足风洞试验要求的材料，无法设计出相应的风洞模型，风洞试验数据的可信度受到影响；数值仿真计算法通常借助有限元分析软件，建立仿真模型，施加风荷载和设置边界条件进行模拟，当仿真模型比较复杂时，边界条件难以确定，且求解过程比较复杂，时间较长，无法预知是否可解；理论分析法利用风场经验模型进行风场仿真，计算输电线路的气动绕流特性，该方法受限于经验模型的准确性，未全面考虑风场的复杂流体效应，计算结果偏差较大。

针对目前输电铁塔风荷载研究方法存在的问题，本文提出一种分段输电铁塔模型的风洞试验方法，选取全尺寸的分段铁塔模型进行不同风速和迎风角下的风洞试验，获得了风荷载随风速和迎风角的变化规律以及铁塔整体风荷载竖向力分布规律。

本文采用的全尺寸分段模型试验方法能够弥补传统的输电铁塔力学特性研究中缩尺风洞模型试验和真型力学试验的不足，研究成果可为输电线路铁塔防风减灾提供理论依据。

图1 输电铁塔分段模型

结论

本文采用风洞试验研究了分段输电铁塔模型在不同风速和迎风角时的纵向风荷载，研究了分段输电铁塔模型的风荷载特性与风速和迎风角的关系，分析了不同风速下分段铁塔的风荷载分布特性，结论如下：

1）分段铁塔风洞模型竖向力随风速的增加而单调增加，通过数据拟合分析可得到在低风速段近似符合指数变化规律，中高风速段符合线性变化规律。

2）分段铁塔模型风荷载随迎风角的变化而变化，近似符合正弦变化规律。考虑到受风面积与迎风角也近似符合正弦规律，说明分段模型的空间结构对其整体受力影响较小，而且不同分段铁塔模型的竖向风荷载波峰或波谷对应的迎风角不同，说明在风向不定的实际状况下输电铁塔的最大受力位置会出现较大的变化。

3）随风速的增加，输电铁塔风荷载竖向力发生明显变化。当风速较低时，竖向力最大值出现在输电铁塔塔腿处，且其值较小，不影响输电铁塔的安全运行；当风速较高时，输电铁塔各部分的竖向力都比较大，其中塔顶和地线横担部位受到的竖向风力最大，塔顶风速50m/s时竖向力将超过20kN。

4）输电铁塔的受力平衡状态与其众多冗余约束相关，对铁塔局部结构的风荷载进行分析，能够在一定程度上减少冗余约束的影响，使输电铁塔的风荷载特性研究更加精确化和系统化。

5）利用有限元仿真软件Ansys对风洞试验进行仿真计算，计算结果与风洞试验结果有较大差异，考虑到仿真建模存在一定的局限性，因此全尺寸分段模型的风洞试验结果对铁塔防风研究具有重要意义。如何有效利用仿真与试验研究结果有待于进一步开展工作。