Bagaimana meningkatkan rintangan angin bagi menara penghantaran kuasa?

Mekanisme Beban Angin yang Bertindak pada Menara Transmisi

Mekanisme beban angin menyebabkan tegasan kritikal pada menara transmisi kuasa, yang memerlukan pemahaman tepat untuk rekabentuk rintangan angin yang berkesan. Interaksi aerodinamik menghasilkan corak daya yang kompleks—terutamanya pada struktur kekisi terbuka—di mana aliran turbulen, pelepasan vorteks, dan penguatan dinamik bertindih untuk mencabar integriti struktur semasa kejadian angin kencang.

Pemisahan Aliran Turbulen dan Ketidakseimbangan Tekanan di Sekeliling Permukaan Menara Kekisi

Apabila angin bergerak melalui menara kekisi, ia mencipta kawasan turbulensi dan taburan tekanan yang tidak sekata pada permukaan. Perbezaan tekanan ini menghasilkan daya seretan yang besar, menyebabkan beban tambahan pada sambungan struktur dan bahagian rangka yang nipis—kesan ini terutamanya ketara apabila aliran udara terperangkap di dalam struktur dalaman menara. Semasa tiupan kencang, perbezaan tekanan antara dua sisi menara yang bertentangan sering melebihi 30%, yang mempercepat proses haus dan rosak pada titik sambungan penting tersebut. Kajian daripada ujian terowong angin menyokong pemerhatian ini, menunjukkan bahawa ketidakseimbangan tekanan sedemikian merupakan salah satu punca utama kitaran tegasan berulang pada struktur penghantaran kekisi, sebagaimana dilaporkan dalam Journal of Wind Engineering pada tahun 2017. Untuk mengatasi masalah ini, jurutera mula dengan menyesuaikan jarak antara lengan rentas. Penyesuaian rekabentuk ini membantu memecahkan corak aliran udara yang tersusun dan mengurangkan perbezaan tekanan sebelum ia merebak ke seluruh rangka menara.

Kesan Pengelupasan Vorteks, Pelingkungan Aerodinamik, dan Penguatan Dinamik

Apabila angin mengalir melalui elemen menara, ia menghasilkan fenomena yang dikenali sebagai pelepasan vorteks, yang seterusnya menimbulkan daya angkat dan daya seret bolak-balik pada struktur tersebut. Kadang kala, daya-daya ini sejajar dengan frekuensi getaran semula jadi struktur, menyebabkan masalah. Objek di hulu seperti menara lain berdekatan atau bahkan ciri-ciri landskap mencipta apa yang dipanggil oleh jurutera sebagai bayangan aerodinamik. Bayangan ini mengganggu corak angin normal dan sebenarnya memburukkan keadaan turbulensi di lokasi tertentu. Gabungan semua faktor ini boleh meningkatkan secara ketara tindak balas struktur. Ujian di tapak telah menunjukkan bahawa apabila keadaan ini berlaku, tekanan terhadap bahan boleh meningkat sehingga sekitar 40%, berdasarkan kajian yang dirujuk dalam ASCE Manual 74 tahun 2010. Angin yang datang dari sudut tertentu menjadikan kesan bayangan ini lebih ketara lagi. Oleh sebab itu, jurutera perlu memasang sistem peredam seperti strakes heliks yang dibalut di sekeliling tiang atau peredam jisim terpantun (tuned mass dampers) yang biasa dilihat pada bangunan tinggi. Sistem-sistem ini membantu memecahkan corak vorteks sebelum ia menjadi tidak terkawal dan menyebabkan kerosakan melalui kesan rantaian reaksi ini.

Modus Kegagalan Kritikal dan Kerentanan Struktur dalam Peristiwa Berangin Tinggi

Kelengkungan Sambungan dan Ketidakstabilan Anggota: Pengajaran daripada Ribut Tropika Mangkhut (2018)

Angin berkelajuan 200 km/j dari Taufan Mangkhut mendedahkan kelemahan serius dalam cara menara kekisi disambungkan, menyebabkan reaksi berantai runtuhnya menara di seluruh rangkaian bekalan elektrik Guangdong. Daya angin yang bertindak secara eksentrik pada sambungan baut mengakibatkan kelengkungan beransur-ansur pada komponen struktur bersudut, terutamanya ketara di bahagian persimpangan lengan rentas di mana tegasan lentur dan daya mampatan secara serentak melebihi kekuatan sambungan. Apabila dianalisis kesan selepas kejadian tersebut, kira-kira tiga perempat daripada semua kegagalan menara semasa Mangkhut disebabkan oleh masalah sambungan ini, mengakibatkan kerugian melebihi 1.2 bilion dolar Amerika Syarikat menurut kajian yang diterbitkan oleh Chen dan rakan-rakan pada tahun 2022. Yang membezakan kejadian ini daripada kegagalan komponen biasa ialah isu sambungan tersebar dengan cepat ke seluruh struktur kekisi. Oleh sebab itu, piawaian industri terkini seperti IEC 61400-24 tahun 2019 kini menghendaki jurutera menjalankan analisis dinamik tak linear semasa mereka merekabentuk sambungan untuk kawasan yang kerap dilanda taufan.

Penurunan Berasaskan Keletihan vs. Kehancuran Statik: Mengapa Penilaian Menara Moden Mesti Berkembang

Kebanyakan kaedah tradisional memberi tumpuan kepada had kehancuran statik, tetapi mengabaikan kerosakan keletihan beransur-ansur yang disebabkan oleh pendedahan berulang terhadap angin. Menurut kajian terkini, kira-kira 60 peratus kegagalan yang berkaitan dengan angin sebenarnya disebabkan oleh retakan halus yang merebak di kawasan tumpuan tegas, dan bukannya peristiwa beban berlebihan secara tiba-tiba seperti yang dinyatakan dalam Laporan Ketahanan Tahunan EPRI 2023. Masalah ini menjadi lebih serius di sepanjang pesisir pantai kerana kakisan air masin bekerja bersama-sama dengan kitaran tegas berterusan, sehingga mengurangkan tempoh bahan mampu menahan daya-daya ini hingga hampir separuh. Memandangkan pemahaman ini, banyak syarikat utiliti terkemuka kini telah mula menggunakan pendekatan penilaian yang tahan terhadap kerosakan, bukan sekadar memeriksa kekuatan sahaja. Mereka menggantikan teknik pemeriksaan lama dengan ujian ultrasonik susunan fasa lanjutan yang mampu mengesan ketidaksempurnaan tersembunyi di bawah permukaan sebelum retakan tersebut membesar sehingga tidak boleh diabaikan.

Strategi Reka Bentuk yang Telah Terbukti untuk Meningkatkan Rintangan Angin Menara

Penyempurnaan Aerodinamik: Pengoptimuman Geometri Lengan Silang dan Teknik Pengurangan Keluasan

Apabila jurutera mengubah bentuk lengan rentas, mereka dapat mengurangkan jumlah angin yang menghentam permukaan hadapan dan menghalang pembentukan pusaran udara yang mengganggu. Angka-angka ini turut menyokong pendekatan tersebut: bentuk elips sebenarnya dapat mengurangkan getaran akibat aliran udara berpusing sebanyak kira-kira 15 hingga 20 peratus berbanding reka bentuk kotak tradisional, menurut kajian dari NREL pada tahun 2023. Trik lain ialah mengurangkan jumlah luas keseluruhan bahagian yang terdedah kepada angin. Ini melibatkan penghapusan beberapa anggota struktur di mana-mana sahaja boleh dilakukan dan membuat lubang pada komponen-komponen yang tidak perlu menanggung beban. Perubahan-perubahan ini mengurangkan seretan sebanyak kira-kira 10 hingga 14 peratus sambil mengekalkan kekuatan dan kestabilan struktur pada tahap yang sama. Model komputer yang dikenali sebagai simulasi CFD menguji semua penambahbaikan ini untuk memastikan ia berfungsi dengan baik walaupun angin datang dari pelbagai sudut — dari 0 darjah (tegak lurus) hingga 180 darjah (berhadapan langsung). Bagi menara yang sangat tinggi — lebih daripada lima puluh meter — di kawasan yang kerap dilanda taufan, memastikan nisbah bahan pejal kekal di bawah 0.3 dengan memperluaskan jarak antara komponen struktur memberikan kesan yang besar. Ini membantu mengurangkan gegaran tidak diingini, terutamanya dalam keadaan cuaca yang tidak menentu apabila angin bertiup dari pelbagai arah secara serentak.

Penguatan Struktur: Peningkatan Pengukuhan, Pengerasan Sambungan, dan Integrasi Peredaman

Apabila mengukuhkan struktur terhadap kegagalan, jurutera memberi tumpuan kepada kawasan bermasalah dengan menggunakan sistem pengikat segitiga yang membantu menyebarkan daya angin dari sisi. Meningkatkan pengikat pepenjuru boleh meningkatkan kekukuhan sisi sehingga sekitar 25 hingga malah 30 peratus. Susunan pengikat-K berfungsi secara khusus baik dalam menghalang anggota mampatan daripada melengkung apabila menghadapi tiupan angin yang sangat kuat, sebagaimana ditetapkan dalam piawaian seperti IEC 61400-24 tahun 2019. Mengukuhkan sambungan melibatkan langkah-langkah seperti menambah pelat pengaku, mengetatkan baut berkekuatan tinggi sebelum pemasangan, dan memperkuat pelat tapak. Pendekatan ini mengurangkan masalah putaran dan menurunkan risiko permulaan retakan akibat kemerosotan kira-kira empat puluh peratus. Untuk perlindungan tambahan terhadap gegaran yang disebabkan oleh angin, kaedah redaman tambahan digunakan. Kaedah ini termasuk penyerap jisim terkawal (tuned mass dampers) atau peranti yang diisi cecair likat yang menyerap kira-kira antara lima belas hingga dua puluh lima peratus tenaga kinetik semasa gegaran akibat angin yang mengganggu. Secara keseluruhan, pendekatan berbeza ini mendorong titik kegagalan struktur melebihi kelajuan angin sebanyak lima puluh lima meter sesaat. Ujian berskala penuh telah mengesahkan keberkesanan ini di bawah keadaan ribut taufan tiruan, yang memberikan keyakinan kepada jurutera terhadap rekabentuk mereka.

Soalan Lazim

Apakah itu pelepasan vorteks?

Pelepasan vorteks berlaku apabila angin melalui suatu struktur, menghasilkan zon tekanan rendah secara berselang-seli yang mencipta pergerakan bolak-balik, seterusnya menghasilkan daya angkat dan daya seret pada struktur tersebut.

Bagaimanakah bayangan aerodinamik dapat memberi kesan terhadap menara penghantaran?

Bayangan aerodinamik mengganggu corak angin normal, meningkatkan keganasan turbulensi dan menambah tegasan pada struktur menara, khususnya di kawasan di belakang halangan seperti menara lain atau ciri-ciri landskap.

Apakah beberapa strategi rekabentuk untuk meningkatkan rintangan terhadap angin dalam menara penghantaran?

Strategi rekabentuk termasuk pengoptimuman geometri lengan silang, teknik pengurangan luas, penambahan peningkatan pengukuhan, pengerasan sambungan, dan integrasi peredam untuk menyebarkan daya angin serta mencegah kelemahan struktur.