特高壓雙回鼓型鋼管塔地震反應(yīng)譜分析

李 娜,尹孟然,唐春雨

(1.華北電力大學(xué) 機械工程系,河北 保定 071003; 2.哈爾濱電氣動力裝備有限公司 設(shè)計部,哈爾濱 150086)

特高壓輸電的電壓等級高,電能損耗小,是我國遠(yuǎn)距離電能輸送的重要方式[1].隨著特高壓輸電線路電壓等級的提高,其塔身的高度和檔距也相應(yīng)提高,整體柔性也隨之增大,使特高壓輸電塔對載荷和沖擊的影響更加敏感[2-4].

地震具有強大的破壞性,對電力設(shè)施的損壞十分嚴(yán)重,造成極大的生命財產(chǎn)損失[5-7].在2008年四川汶川發(fā)生的大地震中,輸電線路的主要破壞表現(xiàn)為滑坡、滾石等造成的輸電線路?？彩軗p、塔身砸壞、變形、傾斜和傾倒,多條線路由于地震導(dǎo)致故障跳閘、停運.其中,110 kV線路倒塔20多基,局部受損16基;500 kV茂譚線8基、220 kV茂永線2基鐵塔因滑坡?lián)p毀;同時,茂縣山區(qū)的220 kV線路所經(jīng)地形發(fā)生巨大變化,16基鐵塔全部損毀[8-11].

我國幅員遼闊,場地類型較多,很多地區(qū)都處于火山地震帶,地震較為頻繁.尤其是特高壓輸電,隨著輸電電壓等級的提高,輸電塔的高度和重量也隨之增加,地震載荷對結(jié)構(gòu)的影響必然增大.現(xiàn)階段我國對特高壓輸電桿塔的抗震設(shè)計并不明確,在《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50260—2013)和《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5154—2002)僅對500 kV 以下桿塔結(jié)構(gòu)做出規(guī)定:8度及8度以下時,自立式鐵塔可不進(jìn)行抗震驗算.為此,對特高壓輸電線路進(jìn)行地震響應(yīng)分析,在特高壓輸電線路設(shè)計時進(jìn)行抗震設(shè)計是十分必要的.

本文以特高壓雙回鼓型鋼管塔為研究對象,建立其有限元模型,分析其模態(tài)頻率及模態(tài)振型.通過對模型進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析,研究在地震作用下特高壓鋼管塔內(nèi)位移及應(yīng)力規(guī)律,并指出在地震作用下特高壓鋼管塔薄弱的部位,為特高壓雙回鼓型鋼管塔的抗震設(shè)計提供了依據(jù).

1 輸電鐵塔分析模型

1.1 特高壓雙回鼓型鋼管塔

研究對象選用皖電東送1 000 kV淮南至上海特高壓交流輸電示范工程的SZ3021特高壓雙回鼓型鋼管塔,建立輸電塔有限元模型進(jìn)行分析.該鋼管塔呼稱高度為45m,整體塔高為101 m,塔底根開尺寸為19.71 m.輸電塔主要由Q235和Q345兩種鋼管構(gòu)件組成,只有塔頭和塔腿的輔材使用了Q235角鋼構(gòu)件.如圖1(a)和圖1(b)所示為特高壓鋼管塔順線路方向和垂直線路方向的立面圖.

1.2 單元及邊界條件

本文利用ANSYS分析軟件,采用梁桿混合模型進(jìn)行建立輸電塔有限元模型.文獻(xiàn)[12]驗證了梁桿混合模型的正確性,梁桿混合模型能較合理地反映結(jié)構(gòu)的受力情況,且能很好地處理空間桁架體系的平面節(jié)點問題.輸電塔主材、部分斜材(避免平面節(jié)點問題處的斜材)以及橫隔材采用Beam4空間梁單元進(jìn)行模擬,其余斜材及輔材采用Link8空間桿單元進(jìn)行模擬,輸電塔的4個塔腿支座與地面連接為全約束.輸電塔有限元模型如圖1(c)所示.

圖1 特高壓雙回鼓型鋼管塔有限元模型Fig.1 Transmission tower finite element model

1.3 載荷分析

對特高壓雙回鼓型塔進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析,在計算中首先要確定地震影響系數(shù)α,根據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50260—2013),Ⅱ類場地下地震影響系數(shù)為

α=

(1)

式中:αmax為地震影響系數(shù)最大值;Tg為特征周期;T為結(jié)構(gòu)自振周期;γ為衰減指數(shù);η1為直線的下降段斜率調(diào)整系數(shù);η2為阻尼調(diào)整系數(shù).

對于其他類場地條件,地震影響系數(shù)為

(2)

式中:η3為地震影響系數(shù)最大值場地調(diào)整系數(shù).

由式(1)和式(2)計算得出不同地震烈度、不同場地類別下的地震影響系數(shù),再根據(jù)地震影響系數(shù)α與加速度反應(yīng)譜Sa之間的關(guān)系α=Sa/g,即可得出加速度反應(yīng)譜.

2 模態(tài)分析

對建立的輸電塔有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析,可以確定結(jié)構(gòu)的振動特性,得到反映結(jié)構(gòu)動力特性的自振頻率和振型.進(jìn)行模態(tài)分析得到鋼管塔的前12階自振頻率和振型特征如表1所示,前3階模態(tài)振型如圖2所示.由表1和圖2可以看出:該鋼管塔的1階、2階模態(tài)振型分別為橫向和縱向的彎曲,模態(tài)頻率相差不大,說明該鋼管塔的橫向、縱向剛度相差不大;第3階振型為扭轉(zhuǎn)振型,扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在彎曲振型之后.

表1 前12階自振頻率及振型特征Tab.1 Natural frequencies and modal characteristics of the first 12 orders

圖2 前3階模態(tài)振型Fig.2 Sketch map of the first three mode

由輸電塔的前12階模態(tài)分析可以看出：整個鋼管塔在中橫擔(dān)以下部位變形較小,中橫擔(dān)以上部位變形較大,地線橫擔(dān)及上橫擔(dān)較易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,地線橫擔(dān)的變形尤為嚴(yán)重.因此，在鋼管塔抗震分析時,中橫擔(dān)以上的部位應(yīng)重點研究.

3 鋼管塔地震反應(yīng)譜分析

3.1 地震波輸入方向?qū)︿摴芩憫?yīng)的影響

為了研究地震波輸入方向?qū)︿摴芩卣痦憫?yīng)的影響,本文對前述鋼管塔模型在地震烈度為8度,I類場地條件下進(jìn)行了不同角度輸入地震波的地震反應(yīng)譜分析,地震波輸入角度分別為0°(垂直線路方向),30°,45°,60°,90°(順線路方向).分析中使用Block Lanczos法提取鋼管塔有限元模型的前12階頻率和模態(tài)振型,各階模態(tài)組合方式選擇完全二次組合法.

分析表明：無論以哪種角度輸入地震波,鋼管塔的最大位移出現(xiàn)在地線掛點處.在以0°,30°方向輸入地震波時,最大應(yīng)力出現(xiàn)在塔頭斜材的位置上;在以45°,60°,90°方向輸入地震波時,最大應(yīng)力出現(xiàn)在中橫擔(dān)上第1節(jié)間的主材上.

不同地震波輸入方向下鋼管塔位移和應(yīng)力的最大值如表2所示.可以看出:當(dāng)沿0°方向輸入地震波時,該鋼管塔的位移和應(yīng)力達(dá)到最大值,此時的結(jié)構(gòu)處于最危險狀態(tài).

表2 不同地震波輸入方向下輸電塔最大位移及應(yīng)力Tab.2 The maximum displacement and stress of the transmission tower under different input directions of seismic waves

3.2 不同地震烈度及場地條件下鋼管塔反應(yīng)譜分析

選?、?Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ 4類場地條件和6,7,8,9 4種地震烈度對特高壓鋼管塔進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析.根據(jù)前述分析結(jié)果,對鋼管塔沿0°方向輸入地震波進(jìn)行反應(yīng)譜分析.圖3所示為4類不同場地、4種不同地震烈度下鋼管塔地線掛點位移和鋼管塔內(nèi)最大應(yīng)力.

圖3 不同場地及地震烈度下輸電塔響應(yīng)Fig.3 Transmission tower responses at different sites and seismic intensities

由圖3(a)可知：在同一地震烈度下,從Ⅰ類場地到Ⅳ類場地輸電塔地線掛點位移依次增大;在同一場地條件下,從6度到9度地震烈度輸電塔地線掛點位移依次增大.因此,對于該鋼管塔,最嚴(yán)重的工況組合是Ⅳ類場地和9度地震動.

由圖3(b)可知:在同一地震烈度下,從Ⅰ類場地到Ⅳ類場地輸電塔內(nèi)最大應(yīng)力依次增大;在同一場地條件下,從6度到9度地震烈度輸電塔內(nèi)最大應(yīng)力依次增大.在不同地震烈度下,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ類場地輸電塔內(nèi)應(yīng)力最大的單元為塔頭處斜材單元,Ⅳ類場地輸電塔內(nèi)應(yīng)力最大的單元為中橫擔(dān)上第2節(jié)間主材單元.由此可以看出,中橫擔(dān)以上的部位是鋼管塔地震響應(yīng)的危險部位.

3.3 鋼管塔沿塔身高度的位移響應(yīng)

對9度地震烈度下鋼管塔沿塔身高度的位移響應(yīng)進(jìn)行研究,分別在4類場地下沿0°方向輸入地震波,分別計算5.17,15.5,20.5,26.6,39.0,50.5,71.5,92.0,95.5,101 m塔身高度下的位移響應(yīng),得到的鋼管塔沿塔身高度的位移響應(yīng)曲線如圖4所示.

由圖4可以看出：鋼管塔總體位移從Ⅰ類場地到Ⅳ類場依次增大.在下橫擔(dān)以下部位,4類場地下鋼管塔的位移都很小且大小幾乎相同,在下橫擔(dān)以上部位鋼管塔的位移隨著塔身的增高而明顯增大.由此可以看出,在地震作用下,下橫擔(dān)以下的部位較安全,下橫擔(dān)以上的部位需要加強.

圖4 輸電塔沿塔身高度的位移Fig.4 Transmission tower displacement along the tower height

4 結(jié)論

(1) 由鋼管塔的模態(tài)分析可以看出,鋼管塔的上橫擔(dān)和地線橫擔(dān)容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,地線橫擔(dān)發(fā)生的變形尤為嚴(yán)重.

(2) 在以0°(垂直線路)方向輸入地震波時.鋼管塔的位移和應(yīng)力將達(dá)到最大值.最大位移出現(xiàn)在地線掛點處,最大應(yīng)力出現(xiàn)在塔頭斜材位置處.

(3) 鋼管塔地線掛點位移隨地震烈度增大而增大,且從Ⅰ類場地到Ⅳ類場依次增大.鋼管塔內(nèi)最大應(yīng)力隨地震烈度增大而增大,且從Ⅰ類場地到Ⅳ類場依次增大.Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ類場地輸電塔內(nèi)應(yīng)力最大的單元為塔頭處斜材,Ⅳ類場地輸電塔內(nèi)應(yīng)力最大的單元為中橫擔(dān)上第2節(jié)間主材.

(4) 在下橫擔(dān)以下部位,4類場地下鋼管塔的位移都很小且大小幾乎相同,在下橫擔(dān)以上部位鋼管塔的位移隨著塔身的增高而明顯增大.

(5) 由上述結(jié)論可知,在地震動的作用下鋼管塔下橫擔(dān)以下的部位較安全,下橫擔(dān)以上,尤其是中橫擔(dān)以上的部位變形較明顯,在塔頭處和上中橫擔(dān)之間的部分構(gòu)件出現(xiàn)了最大應(yīng)力,在進(jìn)行抗震分析時需要注意,在必要時需對薄弱的構(gòu)件進(jìn)行加強.