張志強(qiáng)

(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(zhǎng)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(guó)內(nèi)外相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在輸電線路發(fā)生的災(zāi)害事故中，強(qiáng)風(fēng)引發(fā)的損傷破壞占據(jù)了很大比例[1,2]。近年來(lái)我國(guó)常有輸電鐵塔的強(qiáng)臺(tái)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(kāi)裂破壞等，如2008年“黑格比”臺(tái)風(fēng)給廣東陽(yáng)江電網(wǎng)造成了很大損害，2012年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“韋森特”造成珠海、江門(mén)、陽(yáng)江等市電網(wǎng)設(shè)備受損嚴(yán)重，2015年強(qiáng)臺(tái)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(qiáng)臺(tái)風(fēng)倒塌災(zāi)害造成了重大的經(jīng)濟(jì)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(dòng)特點(diǎn)，系統(tǒng)掌握其強(qiáng)臺(tái)風(fēng)破壞機(jī)理，可以了解目前輸電線路設(shè)計(jì)建造和維護(hù)過(guò)程中的不足，可以進(jìn)一步提出相關(guān)的加固處置措施，這具有非常重要的實(shí)際工程意義。但目前對(duì)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(shí)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(wèn)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(yùn)動(dòng)方程

基于有限元理論，輸電鐵塔桿件可采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。輸電線通?？刹捎盟鲉卧M(jìn)行模擬，進(jìn)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(yùn)動(dòng)方程可表示為

(3)

式中,x為塔線體系節(jié)點(diǎn)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(qiáng)非線性體系，其在強(qiáng)風(fēng)荷載和自重作用下的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)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(diǎn)荷載向量。

采用Newton-Rapshon迭代法進(jìn)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(qiáng)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(guò)計(jì)算可得切線剛度矩陣并計(jì)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(jì)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(shí)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(zhǎng)型角鋼，底部根開(kāi)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(zhǎng)檔距，短檔距為490 m，長(zhǎng)檔距為530 m，兩邊各連導(dǎo)線6相，導(dǎo)線型號(hào)為2×LGJQRe-300。地線2根，型號(hào)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(gè)節(jié)點(diǎn)，1 370個(gè)單元。輸電塔線體系出平面方向橫向?yàn)閤軸，在平面方向縱向?yàn)閥軸,沿塔高為z向。該文首先分析計(jì)算了該塔的動(dòng)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(dòng)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(qiáng)風(fēng)荷載沿著平面外方向作用時(shí)，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(diǎn)給出了強(qiáng)風(fēng)沿平面外方向作用時(shí)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(diǎn)和塔身中部節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)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(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于塔身的風(fēng)振響應(yīng)。塔頂平面外方向的位移可達(dá)1.189 m。而塔身中部節(jié)點(diǎn)6114的平面外方向的峰值位移為0.255 m。顯然通過(guò)對(duì)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(yǔ)

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(diǎn)。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(jìn)一步的計(jì)算了塔線體系的風(fēng)致振動(dòng)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。