鋼管輸電鐵塔風(fēng)致振動(dòng)疲勞損傷機(jī)理及其防治措施研究現(xiàn)狀與展望

黨 睿，賈 秩，舒前進(jìn)

（1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，烏魯木齊 830000；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司，太原 030021；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展以及人們對(duì)電力供應(yīng)需求量的增高，特高壓輸電鐵塔的建設(shè)變得極為重要，其安全性與耐久性也越來越受到人們的重視與關(guān)注。而鋼管體型良好、迎風(fēng)系數(shù)小、截面回轉(zhuǎn)半徑大且輕質(zhì)高強(qiáng)，具有較好的各向同性；在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)受力簡(jiǎn)單、路徑明確，能夠有效減小塔身風(fēng)荷載，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因而被廣泛應(yīng)用于大部分輸電線路鐵塔中。目前，隨著我國(guó)同塔多回路工程、大截面導(dǎo)線工程、大跨越鐵塔及特高壓輸電鐵塔的不斷建設(shè)，塔身所承受的荷載越來越大；而鐵塔又屬于高聳風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，其風(fēng)荷載效應(yīng)非常突出。近年來，因風(fēng)荷載造成的輸電鐵塔倒塌事故頻出。因此，如何準(zhǔn)確計(jì)算鐵塔風(fēng)荷載對(duì)于鐵塔的振動(dòng)變形與疲勞損傷就顯得尤為重要?；谝陨媳尘?，本文分別闡述了國(guó)內(nèi)外鋼管輸電鐵塔的風(fēng)致振動(dòng)和疲勞損傷研究現(xiàn)狀，總結(jié)當(dāng)前研究所得出的桿塔風(fēng)致響應(yīng)影響規(guī)律以及防治措施，指出目前存在的不足和后續(xù)可能的研究方向，從而達(dá)到減少鐵塔在風(fēng)荷載下的振動(dòng)與疲勞破壞、提高鐵塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、延長(zhǎng)鐵塔壽命的目的。

1 輸電鐵塔的風(fēng)致疲勞性能研究

風(fēng)荷載是輸電鐵塔的主要設(shè)計(jì)荷載。風(fēng)荷載會(huì)導(dǎo)致桿塔的整體振動(dòng)以及局部鋼管桿件的渦激振動(dòng)，在節(jié)點(diǎn)板和鋼管相交或鄰近的范圍內(nèi)產(chǎn)生局部破壞，久而久之出現(xiàn)疲勞破壞，影響鐵塔主體結(jié)構(gòu)安全。因此，對(duì)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)振疲勞分析有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)輸電塔的風(fēng)致疲勞性能進(jìn)行了研究。

關(guān)于輸電塔系風(fēng)振疲勞的研究，是從1966 年Davenport 在研究風(fēng)致疲勞問題引入了高斯假定開始的。

在鐵塔節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)研究上，龍翔等[1]對(duì)輸電塔架的K 型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)：從靜載應(yīng)變的分析結(jié)果來看，測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化大致成線性，在循環(huán)荷載的反復(fù)加載下，沒有出現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象，構(gòu)件偏于安全。

在鐵塔風(fēng)致疲勞壽命的預(yù)測(cè)方法上，Mikitarenko等[2]總結(jié)了國(guó)外多地的鐵塔倒塌事件，認(rèn)為風(fēng)荷載是導(dǎo)致其破壞破壞的主要原因，對(duì)鐵塔的疲勞壽命及耐久性作出了評(píng)價(jià)。汪之松等[3]針對(duì)某自立式輸電桿塔的風(fēng)振疲勞性能進(jìn)行了塔線耦合體系建模，隨后進(jìn)行了隨機(jī)風(fēng)荷載的數(shù)值模擬并對(duì)耦合塔線體系進(jìn)行了非線性時(shí)程分析，得到了鐵塔的疲勞危險(xiǎn)桿件，并運(yùn)用線性累計(jì)損傷法對(duì)其進(jìn)行了疲勞壽命評(píng)估。饒俊[4]總結(jié)了隨機(jī)風(fēng)荷載的模擬方法以及常用的疲勞壽命估算方法，并完整地闡述了風(fēng)振時(shí)域分析的一般性步驟，最后對(duì)某雙回路直線塔進(jìn)行了風(fēng)振頻域分析，得到了影響桿件和連接件疲勞壽命的可能影響因素，并對(duì)鐵塔的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。周春良等[5]對(duì)隨機(jī)風(fēng)荷載的計(jì)算方法以及鋼塔架的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了理論分析，采用等效窄帶法進(jìn)行了鐵塔疲勞壽命的計(jì)算并進(jìn)一步研究了鋼塔架的風(fēng)振疲勞累計(jì)損傷。孫成等[6]模擬了某鐵塔輸電線路的瞬時(shí)風(fēng)荷載并對(duì)其進(jìn)行風(fēng)振時(shí)程分析，而后通過Miner 線性累積損傷理論對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，得到了在不同風(fēng)荷載下鐵塔的疲勞部位，最后通過雨流法和S-N 曲線計(jì)算了關(guān)鍵部位的疲勞壽命。Toshinaga 等[7]對(duì)一個(gè)大型輸電塔架進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)地觀測(cè)，分析了大型輸電塔架在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)特征。Wyatt[8]分析了塔架對(duì)風(fēng)致疲勞的敏感性，研究表明：當(dāng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)良好時(shí)，可以有效減少陣風(fēng)對(duì)于鐵塔的疲勞破壞。Dionne 等[9]進(jìn)行了基于頻域方法的結(jié)構(gòu)風(fēng)振疲勞壽命計(jì)算研究。

總的來說，對(duì)于鐵塔的疲勞分析，首先是基于風(fēng)荷載下的風(fēng)振時(shí)程模擬，得出鐵塔的疲勞損傷關(guān)鍵部位，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果運(yùn)用疲勞累積損傷Miner 準(zhǔn)則、雨流法或頻域方法來估算鐵塔的疲勞壽命。在鐵塔的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法的選取上，各方法均有自己的局限性：如目前常用于輸電鐵塔風(fēng)振疲勞計(jì)算的Miner 準(zhǔn)則未考慮低于疲勞極限的應(yīng)力影響，會(huì)得出比較偏于危險(xiǎn)的結(jié)果。而雨流計(jì)數(shù)法用來估算鐵塔構(gòu)件的疲勞壽命在計(jì)算量上非常巨大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)并不方便。頻域分析的計(jì)算方法，可以由激勵(lì)荷載譜和結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)方便地得到結(jié)構(gòu)的響應(yīng)來估算鐵塔的疲勞壽命。此外，在疲勞強(qiáng)度測(cè)試中，一般只考慮風(fēng)荷載的理想狀態(tài)，未考慮其他因素的影響，這就導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。且當(dāng)前對(duì)于鐵塔風(fēng)振疲勞的研究試驗(yàn)大多只針對(duì)1～2 種特定的塔型并基于特定的工程實(shí)例來進(jìn)行研究[10]，未來應(yīng)考慮不同塔型以及不同地貌特征下的普遍情況并綜合考慮導(dǎo)線、金具以及其他外力因素的耦合作用，從而得到更普遍的鐵塔風(fēng)致疲勞規(guī)律。

2 輸電鐵塔的風(fēng)振響應(yīng)規(guī)律研究

對(duì)于大跨越鐵塔來說，其桿塔結(jié)構(gòu)高、橫擔(dān)長(zhǎng)，質(zhì)量和剛度沿高度的不均勻性更明顯。因此，風(fēng)荷載對(duì)大跨越鐵塔結(jié)構(gòu)的彎曲、扭轉(zhuǎn)作用都十分顯著。風(fēng)荷載影響下的輸電鐵塔結(jié)構(gòu)體系，其自振頻率趨近于風(fēng)的卓越頻率，這就會(huì)使得鐵塔的風(fēng)振響應(yīng)變得十分敏感。在輸電鐵塔及塔線體系的風(fēng)振響應(yīng)研究中更多是通過時(shí)域分析方法，得到多種參數(shù)的時(shí)程曲線，可以較為全面地反應(yīng)風(fēng)荷載作用下桿塔及線路的動(dòng)力特性和幾何非線性。學(xué)者們對(duì)輸電鐵塔的風(fēng)振響應(yīng)規(guī)律已有一定的研究。

劉慧群等[11]對(duì)輸電鐵塔的順風(fēng)風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算方法進(jìn)行了理論分析，并基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，擬合得到了塔架的一階線性廣義荷載譜并對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化。夏闖娜[12]對(duì)單塔以及塔線體系分別進(jìn)行了有限元建模，并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性與風(fēng)振時(shí)程分析，得到了單塔與塔線體系相比分別在位移均方根和加速度均方根上的變化規(guī)律。龔靖等[13]建立了大跨越輸電鐵塔的有限元模型并對(duì)其進(jìn)行了風(fēng)荷載下的抗風(fēng)時(shí)程分析，研究表明，塔中混凝土灌注量的增加可以增加鐵塔剛度，進(jìn)而減少風(fēng)荷載下的塔頂位移。鞠彥忠等[14]以某四回路鋼管角鋼組合塔為對(duì)象，利用有限元進(jìn)行風(fēng)速時(shí)程模擬，比較了不同風(fēng)速譜下與目標(biāo)譜的擬合結(jié)果，得到了輸電塔的脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)規(guī)律。付興等[15]模擬了臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)對(duì)某鐵塔進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析，并基于慣性力法獲取了鐵塔的風(fēng)振系數(shù)及塔線的耦聯(lián)效應(yīng)，研究表明，臺(tái)風(fēng)相比于良態(tài)風(fēng)，順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)更大，且導(dǎo)線會(huì)放大鐵塔的基頻。屈訟昭等[16]運(yùn)用隨機(jī)振動(dòng)線性濾波器模擬脈動(dòng)風(fēng)荷載，得到了鐵塔的風(fēng)振系數(shù)，得到了在不同風(fēng)振系數(shù)下的主材內(nèi)力變化規(guī)律。竇漢嶺等[17]基于諧波合成法和New Mark 法對(duì)輸電塔線體系進(jìn)行了風(fēng)振響應(yīng)時(shí)程分析。研究發(fā)現(xiàn)，在一定風(fēng)速范圍內(nèi)，塔內(nèi)側(cè)位移大于外側(cè)，節(jié)點(diǎn)位移隨節(jié)點(diǎn)高度的增加而變大。

風(fēng)荷載主要分為靜力風(fēng)以及脈動(dòng)風(fēng)對(duì)鐵塔的破壞。目前主要采用控制風(fēng)振系數(shù)以及背風(fēng)面荷載遮擋系數(shù)來確定風(fēng)荷載的取值，采用風(fēng)洞試驗(yàn)法和數(shù)值分析法或時(shí)域分析方法得到塔線體系在不同類型風(fēng)荷載下的振動(dòng)規(guī)律。但當(dāng)前對(duì)于鐵塔風(fēng)振的模擬還存在不足：一方面，對(duì)于風(fēng)致響應(yīng)機(jī)制的研究還略有不足，在輸電線路的設(shè)計(jì)中，塔與線進(jìn)行了割裂設(shè)計(jì)，這就導(dǎo)致無法考慮他們之間所產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，使得風(fēng)振計(jì)算結(jié)果偏于保守[18]；另一方面，對(duì)于鐵塔體系有限元模型作了較多簡(jiǎn)化，沒有全面考慮線路中導(dǎo)線檔距、轉(zhuǎn)角的影響。因此，未來應(yīng)重點(diǎn)考慮塔與線之間的耦合效應(yīng)分析，從而更加真實(shí)還原鐵塔在風(fēng)荷載下的力學(xué)行為。

3 輸電鐵塔的風(fēng)振疲勞控制措施研究

輸電塔線體系由輸電鐵塔和線路共同組成，其體系跨度很大。鐵塔的動(dòng)力響應(yīng)會(huì)具有顯著的幾何非線性和一定的隨機(jī)性。風(fēng)災(zāi)是引發(fā)輸電鐵塔發(fā)生局部損害或者整體倒塌的重要因素。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)荷載下的鐵塔結(jié)構(gòu)風(fēng)振疲勞控制措施進(jìn)行了研究。

在風(fēng)致疲勞控制措施研究中，Long 等[19]研究了風(fēng)荷載對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的疲勞影響規(guī)律，得出導(dǎo)致葉片疲勞損壞的最大誘因是較低的構(gòu)件剛度以及隨機(jī)荷載，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施來改善葉片的疲勞壽命。Ronaldo 等[20]在塔架上安裝鐘擺阻尼器并建立三維有限元模型對(duì)阻尼器的安放位置、安放方式等參數(shù)進(jìn)行分析；提出了一種風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定性評(píng)估方法；揭示了鐵塔在風(fēng)荷載下的動(dòng)力特性與坍塌機(jī)理。Havard等[21]分析了阻尼器對(duì)塔架疲勞破壞的影響，研究表明：在風(fēng)荷載相近時(shí)，有阻尼器的輸電塔架具有更好的疲勞性能。

袁俊等[22]對(duì)某大跨越輸電鋼管鐵塔進(jìn)行了基于Davenport 風(fēng)譜的隨機(jī)風(fēng)荷載模擬，風(fēng)振響應(yīng)結(jié)果得出了塔上各點(diǎn)的加速度以及位移變化規(guī)律，最后比選了粘彈性阻尼器與調(diào)諧阻尼器的減震效果。李黎等[23]對(duì)加設(shè)橡膠鉛芯阻尼器的輸電鐵塔進(jìn)行了基于不同風(fēng)向角風(fēng)荷載下的風(fēng)振時(shí)程分析，得到了阻尼器的最佳布置位置以及橫、順線的風(fēng)振變化規(guī)律。柳國(guó)環(huán)[24]考慮了導(dǎo)線幾何剛度時(shí)變的特性，對(duì)有無調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的單塔以及塔線體系的風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行了分析。楊靖波等[25]分別對(duì)鋼管塔的順風(fēng)向振動(dòng)控制和微風(fēng)振動(dòng)控制分別提出采用TMD 粘彈性阻尼器和在結(jié)構(gòu)上增加旋渦干擾裝置來減少鐵塔的風(fēng)振響應(yīng)，并驗(yàn)證了其優(yōu)異的耗能效果。

總的來說，對(duì)于輸電鐵塔的風(fēng)振響應(yīng)控制，主要采用不同材料的阻尼器或者從結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行優(yōu)化。然而，強(qiáng)風(fēng)具有隨機(jī)性，按照傳統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不具備自我調(diào)節(jié)能力，不能及時(shí)作出相應(yīng)調(diào)整。目前對(duì)于桿塔脈動(dòng)風(fēng)致響應(yīng)的影響規(guī)律研究還不夠透徹。因此，需要?jiǎng)?chuàng)新更多輔助措施來減少鐵塔在風(fēng)荷載下的振動(dòng)與疲勞破壞，提高鐵塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，延長(zhǎng)鐵塔壽命。

4 結(jié)論與展望

本文對(duì)輸電線路鐵塔的風(fēng)振響應(yīng)規(guī)律、疲勞性能以及風(fēng)振響應(yīng)控制措施的研究進(jìn)展作了詳細(xì)闡述?？倎碚f，現(xiàn)有的研究已取得較多成果，但仍存在諸多不足，有待開展進(jìn)一步的深入研究，主要包括以下幾個(gè)方面。

1）在風(fēng)致振動(dòng)控制研究方面，當(dāng)前對(duì)于輸電鐵塔風(fēng)致響應(yīng)控制的研究工作都主要集中在各類材料的阻尼器的性能研究上。未來可側(cè)重于阻尼器的設(shè)計(jì)參數(shù)選取與布置位置的優(yōu)化研究。

2）在風(fēng)致疲勞壽命分析方面，輸電鐵塔導(dǎo)線和金具相關(guān)的風(fēng)振疲勞，也是值得關(guān)注的問題。

3）現(xiàn)有的風(fēng)荷載模擬研究，很多僅考慮豎直方向的風(fēng)速空間相關(guān)性，而忽略了橫向的相關(guān)性。未來的研究，可以進(jìn)一步研究對(duì)風(fēng)載模型的調(diào)整以及風(fēng)載數(shù)據(jù)庫(kù)的收集統(tǒng)計(jì)分析，以獲得各類不同風(fēng)載工況下的風(fēng)振特性。

4）用于減弱或者消除風(fēng)振影響的結(jié)構(gòu)措施，是否會(huì)影響原結(jié)構(gòu)在其他工況下的安全性，有必要結(jié)合線路結(jié)構(gòu)的具體特征開展相應(yīng)的研究。