強風(fēng)作用下高柔角鋼輸電鐵塔風(fēng)致振動研究

張志強

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司湛江供電局,湛江 524005)

輸電塔線體系是重要的生命線工程結(jié)構(gòu)，它們長期在野外復(fù)雜地形地區(qū)服役，容易多發(fā)由于惡劣環(huán)境和荷載引起的損傷破壞事故。據(jù)國內(nèi)外相關(guān)統(tǒng)計，在輸電線路發(fā)生的災(zāi)害事故中，強風(fēng)引發(fā)的損傷破壞占據(jù)了很大比例[1,2]。近年來我國常有輸電鐵塔的強臺風(fēng)損傷破壞事故。這些事故中輸電線路已有多處鐵塔基礎(chǔ)發(fā)生倒塌、傾斜或桿件開裂破壞等，如2008年“黑格比”臺風(fēng)給廣東陽江電網(wǎng)造成了很大損害，2012年強臺風(fēng)“韋森特”造成珠海、江門、陽江等市電網(wǎng)設(shè)備受損嚴(yán)重，2015年強臺風(fēng)“蘇迪羅”造成福建電網(wǎng)大量災(zāi)害事故。輸電線路的強臺風(fēng)倒塌災(zāi)害造成了重大的經(jīng)濟損失和次生災(zāi)害[3,4]。因此，研究輸電塔線體系的風(fēng)致振動特點，系統(tǒng)掌握其強臺風(fēng)破壞機理，可以了解目前輸電線路設(shè)計建造和維護過程中的不足，可以進一步提出相關(guān)的加固處置措施，這具有非常重要的實際工程意義。但目前對輸電塔線體系風(fēng)致響應(yīng)的研究還不完善。基于此，以南部沿海某實際輸電塔線體系為工程背景，研究了角鋼輸電鐵塔的風(fēng)致響應(yīng)問題，為輸電桿塔的抗風(fēng)防災(zāi)提供參考。

1 塔線體系模型及運動方程

基于有限元理論，輸電鐵塔桿件可采用梁單元進行模擬。輸電線通?？刹捎盟鲉卧M行模擬，進一步的組合鐵塔和輸電線的剛度矩陣可得輸電塔線體系的整體矩陣[5]

(1)

(2)

式中，nc為塔線體系中導(dǎo)線的數(shù)量；M為輸電塔線體系的總質(zhì)量矩陣；K為輸電塔線體系的總剛度矩陣。Mt為鐵塔質(zhì)量矩陣；Kt為鐵塔剛度矩陣；Ml為輸電線質(zhì)量矩陣；Kl為輸電線剛度矩陣。

輸電塔線體系在風(fēng)荷載作用下的運動方程可表示為

(3)

式中,x為塔線體系節(jié)點位移矩陣；M為塔線體系整體質(zhì)量矩陣；C為塔線體系整體阻尼矩陣；K為塔線體系整體剛度矩陣；P為整體坐標(biāo)系下的風(fēng)荷載向量。

2 風(fēng)致響應(yīng)分析

由于輸電線的影響，塔線體系是一種強非線性體系，其在強風(fēng)荷載和自重作用下的動力響應(yīng)計算必須采用非線性迭代算法

(4)

式中,R為塔線體系的總荷載向量，其中包括風(fēng)荷載和自重荷載；Rs為初應(yīng)力等效節(jié)點荷載向量。

采用Newton-Rapshon迭代法進行輸電塔線體系的非線性反應(yīng)分析。首先將桿塔和輸電導(dǎo)線的剛度矩陣組集，則可得塔線體系在自重和強風(fēng)荷載作用下的受力平衡方程

(5)

式中,KL和KNL分別為塔線體系的線性剛度矩陣和非線性剛度矩陣。

通過計算可得切線剛度矩陣并計算不平衡力向量，則第j+1步的塔線體系位移可表示為

xj+1=xj+Δxj

(6)

若不平衡力足夠小并滿足設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值則計算完畢。如果不滿足設(shè)定的收斂準(zhǔn)則，則重復(fù)以上步驟直至滿足收斂準(zhǔn)則為止。

3 工程實例

某220 kV角鋼輸電鐵塔位于廣東南部沿海地區(qū)，塔高62.5 m。該塔為直線塔，塔型為KGU，桿件截面為L型角鋼，底部根開7.5×7.5 m。塔的呼高為45 m。塔腿高度相等，接腿高度為2.28 m，橫擔(dān)以上高度為17.5 m，塔總高度為62.5 m。該塔兩側(cè)所連的輸電線為不等長檔距，短檔距為490 m，長檔距為530 m，兩邊各連導(dǎo)線6相，導(dǎo)線型號為2×LGJQRe-300。地線2根，型號為GJ-50。桿塔材料為Q235和Q345鋼，彈性模量Es=2.01×1011N/m2，密度ρ=7.85×103kg/m3，泊松比0.25，構(gòu)件截面為等肢角鋼。圖1顯示

了該角鋼輸電鐵塔結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為輸電塔線體系有限元模型，該塔共有470個節(jié)點，1 370個單元。輸電塔線體系出平面方向橫向為x軸，在平面方向縱向為y軸,沿塔高為z向。該文首先分析計算了該塔的動力特性，結(jié)果表明由于導(dǎo)線的偶聯(lián)效應(yīng)，輸電塔的振動頻率發(fā)生了一定程度的變化，各階頻率變化幅度約為1%～10%，塔線體系的偶聯(lián)效應(yīng)的影響較為顯著。

分析研究表明強風(fēng)荷載沿著平面外方向作用時，結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)明顯大于沿著平面內(nèi)方向作用的響應(yīng)。因此論文在此重點給出了強風(fēng)沿平面外方向作用時的塔線體系風(fēng)致響應(yīng)分析結(jié)果。圖3和圖4分別給出了塔頂節(jié)點和塔身中部節(jié)點的動力響應(yīng)時程曲線。表1則給出了輸電塔線體系不同位置的風(fēng)振響應(yīng)峰值結(jié)果。計算結(jié)果表明：該文所研究的角鋼輸電鐵塔其塔頂?shù)娘L(fēng)振響應(yīng)遠遠大于塔身的風(fēng)振響應(yīng)。塔頂平面外方向的位移可達1.189 m。而塔身中部節(jié)點6114的平面外方向的峰值位移為0.255 m。顯然通過對比不同位置的風(fēng)致位移峰值可知：該輸電塔的風(fēng)致位移表現(xiàn)為彎曲變形特征。而速度和加速度風(fēng)致響應(yīng)結(jié)果與位移類似，隨著高度的增加峰值速度和加速度逐漸增加。

表1 輸電塔線體系不同位置的風(fēng)振響應(yīng)峰值

4 結(jié) 語

該文研究了沿海地區(qū)某高柔角鋼輸電桿塔的風(fēng)致響應(yīng)特點。首先基于有限元理論建立了輸電鐵塔的有限元模型，在此基礎(chǔ)上考慮導(dǎo)地線作用建立了輸電塔線體系的三維有限元模型。進一步的計算了塔線體系的風(fēng)致振動響應(yīng)。研究表明：該輸電塔的風(fēng)致位移表現(xiàn)為彎曲變形特征。而速度和加速度風(fēng)致響應(yīng)結(jié)果與位移類似，隨著高度的增加峰值速度和加速度逐漸增加。