張騫,葉震,蔡建國,余亮,馮健
(1. 東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室,江蘇南京,210096;2. 華東建筑設(shè)計研究總院,上海,200002;3. 江蘇省電力設(shè)計院,江蘇南京,211102)
特高壓直流輸電線路因輸送容量大和距離遠(yuǎn)等突出優(yōu)勢逐漸得到廣泛關(guān)注,但是由于線路承擔(dān)電壓等級較高、電氣間隙較大,對結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計提出了更高要求,需要輸電塔高度更高、橫擔(dān)更長、承擔(dān)荷載更大。目前,在±800 kV特高壓直流輸電線路的研究基礎(chǔ)上,國內(nèi)外已經(jīng)開展±1 100 kV 特高壓輸電線路的研究。對于輸電塔結(jié)構(gòu),風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)破壞的主要因素[1],已經(jīng)逐步開展風(fēng)振響應(yīng)特性的仿真時程分析[2-4]和風(fēng)洞試驗研究[5-9],但是由于±1 100 kV 特高壓直流輸電塔的結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)較晚,學(xué)者很少研究該結(jié)構(gòu)體系的風(fēng)振響應(yīng)特性。±1 100 kV 特高壓直流輸電塔結(jié)構(gòu)相對于普通的輸電塔結(jié)構(gòu)最突出的特點是橫擔(dān)較長,結(jié)構(gòu)的一階振型模式不再是平面內(nèi)的彎曲而是整體扭轉(zhuǎn),目前針對輸電塔橫擔(dān)部分的風(fēng)振響應(yīng)的研究也較少。夏亮等[10-12]通過對長橫擔(dān)輸電塔的風(fēng)洞試驗,發(fā)現(xiàn)在脈動風(fēng)作用下塔身發(fā)生整體彎曲振動,同時塔頭發(fā)生明顯的扭轉(zhuǎn)振動,而且橫擔(dān)處的加速度響應(yīng)明顯大于塔身相同高度處的響應(yīng)。聶建波等[13]通過對±800 kV 特高壓T 型長橫擔(dān)輸電塔進(jìn)行時域法和頻遇法分析,指出橫擔(dān)部位的風(fēng)振系數(shù)約為等高度塔身部位風(fēng)振系數(shù)的1.3倍。目前,輸電塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)致扭轉(zhuǎn)效應(yīng)研究較少,而且國內(nèi)對高層建筑的風(fēng)致扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的研究方式主要為風(fēng)洞試驗[14-17],分析結(jié)果過度依賴于建筑結(jié)構(gòu)形式,不具有普遍適用性。LIANG 等[18]針對于高層建筑提出的扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載計算方法過于簡化、誤差較大,不足以推廣應(yīng)用。對于特高壓直流輸電塔結(jié)構(gòu),由于長懸臂的特點,風(fēng)致扭轉(zhuǎn)效應(yīng)將對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的不利影響,不可忽略。為此,本文作者首先分析了風(fēng)荷載作用下長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)響應(yīng)的原因;然后,采用有限元動力時程分析方法計算特高壓長懸臂輸電塔的風(fēng)振響應(yīng);最后,采用等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)的方法分析扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,并研究風(fēng)向角和輸電塔橫擔(dān)總長度對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。
對于對稱的長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu),可以采用如圖1所示的簡化模型進(jìn)行概念設(shè)計分析,其中,塔高為H,橫擔(dān)總長為2L,風(fēng)荷載施加在等效的質(zhì)量點上。
圖1 長懸臂輸電塔概念分析模型Fig.1 Conceptual analysis model of the long cantilever transmission tower
目前對長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)尚未有成熟的設(shè)計分析方法,本文采用動力時程法分析風(fēng)荷載作用下輸電塔結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。采用多維的自回歸模型(VAR 模型)結(jié)合風(fēng)速譜模擬輸電塔結(jié)構(gòu)的脈動風(fēng)[19],M個空間相關(guān)點脈動風(fēng)速時間序列V(x,y,z,t)的VAR模型為
式中:p為VAR 模型的階數(shù);k=1,2,…,p;ψk為VAR模型的M×M階自回歸系數(shù)矩陣;Δt為時間步長;N(t)為獨立隨機(jī)過程向量。
對于多維平穩(wěn)時間序列模型,橫擔(dān)上左右兩側(cè)對稱點的風(fēng)速時程由于空間位置的相干性,不再保持一致,橫擔(dān)上左右對稱點A與B的風(fēng)速時間序列的協(xié)方差矩陣R(kΔt)可以通過功率譜密度函數(shù)結(jié)合維納—辛欽公式得到
式中:n為脈動風(fēng)頻率;i和j分別為節(jié)點A和B的;Sij(n)在i=j時為自功率譜密度函數(shù),在i≠j時為互功率譜密度函數(shù),兩者之間的關(guān)系為
式中:ρij(n)為空間位置的相關(guān)函數(shù),可以表示為
式中:Cx,Cy和Cz分別為空間任意2點x,y和z方向的指數(shù)衰減系數(shù),取值分別為8,16和10;v(zi)和v(zj)分別為i和j這2點對應(yīng)的平均風(fēng)速。
由上述分析可知,對稱點A與B同一時刻的協(xié)方差矩陣R(0)為
對稱點A與B相同時刻的風(fēng)速序列的相關(guān)系數(shù)λAB為
結(jié)合式(6)和式(4)可以發(fā)現(xiàn):對稱點A和B的風(fēng)速時間序列非對稱,且隨著A與B之間的距離增大,兩者之間的相關(guān)性減弱,對稱點的風(fēng)壓時程和風(fēng)荷載時程也不一樣,因此,即使作用在對稱的長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)上,經(jīng)過動力計算后也會產(chǎn)生非對稱的響應(yīng),即扭轉(zhuǎn)響應(yīng),而目前在以風(fēng)振系數(shù)為基礎(chǔ)的擬靜力風(fēng)振響應(yīng)計算中并沒有考慮到這種響應(yīng)。
為了便于分析影響結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)響應(yīng)的因素,將對稱的長懸臂輸電塔模型進(jìn)行等效,橫擔(dān)的等效截面慣性矩為I,彈性模量為E,將塔身部分等效為一個扭轉(zhuǎn)彈簧,剛度為kT,如圖2所示。
圖2 橫擔(dān)扭轉(zhuǎn)分析模型Fig.2 Analysis model of cross arm torsion
將對稱點的風(fēng)荷載分解成對稱部分和反對稱部分,扭轉(zhuǎn)響應(yīng)主要由反對稱部分產(chǎn)生,根據(jù)風(fēng)速的模擬過程可知,反對稱荷載時程的期望E(q(t))=0??紤]到結(jié)構(gòu)的對稱性,并將結(jié)構(gòu)質(zhì)量對稱等效在點A和B上,則該單自由度體系的動力學(xué)方程和相應(yīng)的等效剛度分別為
式中:m為等效質(zhì)點質(zhì)量;u(t),q(t)和分別為等效質(zhì)點A與B的位移時程、荷載時程和加速度時程。
根據(jù)Duhamel積分的離散形式,可知橫擔(dān)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的位移為
式中:ω為扭轉(zhuǎn)振型頻率。根據(jù)式(8)可知:長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)與橫擔(dān)總長度、橫擔(dān)高度、結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和結(jié)構(gòu)基頻等因素相關(guān),而且這些因素相互影響,增加了分析的復(fù)雜性。
特高壓長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。塔身部分的總高度H為66.7 m,瓶口寬度為10.0 m,根開為17.2 m,橫擔(dān)部分總長度為69.0 m,結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為184.7 t。塔身部分從下到上結(jié)構(gòu)包絡(luò)尺寸逐漸減小,橫擔(dān)部分從根部到端部結(jié)構(gòu)包絡(luò)尺寸也逐漸減小。計算風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速為43 m/s,場地類型為B類。
圖3 輸電塔結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Transmission tower model
特高壓長懸臂輸電塔的第1階模態(tài)為繞Z軸扭轉(zhuǎn),如圖4所示,對應(yīng)頻率為1.21 Hz,第2階模態(tài)為XZ平面內(nèi)彎曲,頻率扭平比為1.25,而常規(guī)非長懸臂的輸電塔結(jié)構(gòu)的第1階模態(tài)為平面內(nèi)彎曲且頻率扭平比小于0.9,兩者的動力特性不一致。
圖4 長懸臂輸電塔的第1階自振模式Fig.4 First order vibration mode of long cantilever transmission tower
對長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)振分析時,忽略輸電線的影響。首先,將輸電塔的塔身和橫擔(dān)分別沿高度和寬度進(jìn)行區(qū)間劃分,采用VAR 法結(jié)合Davenport 風(fēng)速譜模擬得到區(qū)間內(nèi)計算點的風(fēng)速時程,其中模擬風(fēng)速的總時間為2 000 s,時間間隔Δt為0.1 s,VAR模型階數(shù)p為4。將模擬得到風(fēng)速時程轉(zhuǎn)化為節(jié)點風(fēng)荷載時程,采用ABAQUS 分析長懸臂輸電塔風(fēng)荷載動力時程,得到節(jié)點的位移響應(yīng)時程。然后,計算各區(qū)間的位移響應(yīng)均方根??紤]結(jié)構(gòu)阻尼,動力時程分析采用瑞利阻尼系數(shù),根據(jù)結(jié)構(gòu)前兩階頻率計算得到的質(zhì)量系數(shù)和剛度系數(shù)分別為0.2和0.002。橫擔(dān)區(qū)間的位移響應(yīng)由于塔身彎曲、塔身扭轉(zhuǎn)和橫擔(dān)彎曲3部分組成。由于橫擔(dān)本身不存在扭轉(zhuǎn)變形,可以根據(jù)文獻(xiàn)[20]得到各區(qū)段的風(fēng)振系數(shù),如表1所示,其中,橫擔(dān)兩側(cè)對稱位置的風(fēng)振系數(shù)一致。由表1可見:整體上隨著與橫擔(dān)中心的距離增大,對應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)增大。
表1 橫擔(dān)各區(qū)間中心處計算風(fēng)振系數(shù)Table 1 Wind vibration coefficient in the center of cross arm sections
對稱長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)在非一致風(fēng)荷載作用下,橫擔(dān)會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形,在風(fēng)荷載時程作用下,長懸臂輸電塔橫擔(dān)各對稱點(A,B,C和D)相對于橫擔(dān)中心處O(塔身頂部)的Y方向位移時程(UAO,UBO,UCO和UDO順風(fēng)方向)如圖5所示。
整個時程范圍內(nèi)(0~2 000 s)位移時程的規(guī)律一致,為便于說明只選取80~100 s位移時程曲線,其中,UO表示橫擔(dān)中心處Y方向的位移。
圖5 橫擔(dān)上部分對稱點的位移時程曲線Fig.5 Displacement time history curves of some symmetrical points on the cross arm
根據(jù)圖5可知:橫擔(dān)上對稱點相對于中心點的位移雖然隨著時間不斷變化,但是呈現(xiàn)出近似反對稱的規(guī)律,且橫擔(dān)Y方向上的相對位移相對于中心點處的實際位移較大,表明橫擔(dān)繞中心點發(fā)生的整體扭轉(zhuǎn)變形較大,扭轉(zhuǎn)為橫擔(dān)的主要變形模式。某時刻輸電塔橫擔(dān)Y方向位移U2如圖6 所示。由圖6 可見:輸電塔在Y方向平動的同時繞Z軸發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)變形,而這種變形模式無法利用現(xiàn)有的風(fēng)振系數(shù)分析方法得到。
圖6 某時刻橫擔(dān)Y方向變形示意Fig.6 Deformation sketch of the cross arm in Y direction at a certain time
考慮到動力計算結(jié)果的離散性,進(jìn)行7次風(fēng)荷載動力時程計算,選取結(jié)果的平均值進(jìn)行分析??紤]到橫擔(dān)扭轉(zhuǎn)的方向性,橫擔(dān)扭轉(zhuǎn)對應(yīng)的Y方向位移7次最大值的平均值沿橫擔(dān)方向的分布關(guān)系如圖7所示。由圖7可見:采用的位移平均值在橫擔(dān)上呈線性分布,順時針和逆時針的擬合系數(shù)均達(dá)到0.95, 相應(yīng)的轉(zhuǎn)角分別為0.010 2 rad 和0.011 2 rad,采用平均值0.010 7 rad 為該長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角,表征時程風(fēng)荷載作用下橫擔(dān)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
為了在設(shè)計中考慮到輸電塔結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),基于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)等效原則在現(xiàn)有的風(fēng)振系數(shù)計算的基礎(chǔ)上定義等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)βr,保證動力時程風(fēng)荷載和相應(yīng)的等效扭轉(zhuǎn)靜力風(fēng)荷載產(chǎn)生的橫擔(dān)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)相同。假定橫擔(dān)上各處的等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)相同,在塔頭兩側(cè)的橫擔(dān)上風(fēng)荷載方向相反,則可以組合出順時針扭轉(zhuǎn)和逆時針扭轉(zhuǎn)2種橫擔(dān)扭轉(zhuǎn)工況。
圖7 時程風(fēng)荷載作用下橫擔(dān)扭轉(zhuǎn)變形Fig.7 Torsional deformation of the cross arm under time history wind load
首先,給待分析的長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)施加等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)為1.0時對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)荷載,即按照文獻(xiàn)[21]中風(fēng)荷載計算公式得到每個節(jié)點的靜風(fēng)荷載;然后,將每個節(jié)點的靜風(fēng)荷載乘以等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù),并使塔頭左右橫擔(dān)節(jié)點的靜風(fēng)荷載方向相反,利用ABAQUS 計算橫擔(dān)的扭轉(zhuǎn)變形和扭轉(zhuǎn)角,如圖8 所示,此時的扭轉(zhuǎn)角為0.014 3 rad。在等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)陣系數(shù)對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)荷載作用下,橫擔(dān)發(fā)生整體扭轉(zhuǎn)變形,此時橫擔(dān)的扭轉(zhuǎn)變形和等效的扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)之間基本為線性關(guān)系,則該長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)橫擔(dān)部分的等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)βr=0.75。
圖8 不同等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)時的輸電塔結(jié)構(gòu)變形Fig.8 Deformation of transmission tower with different equivalent torsional wind vibration coefficients
在橫擔(dān)中部、橫擔(dān)根部、塔身底部、塔身中部和塔身頂部5個部位的主材和斜材中分別選取代表性桿件,分析等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)對應(yīng)的荷載工況對桿件內(nèi)力的影響。以塔身底部斜材的一次時程分析為例,不同工況作用下的桿件應(yīng)力計算結(jié)果如圖9所示。由圖9可見:不考慮等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)時,塔身底部斜材靜力計算結(jié)果對時程分析得到的應(yīng)力水平的包絡(luò)程度較小,為75.34%,附加的扭轉(zhuǎn)工況提高了斜材內(nèi)力,增大對動力時程計算結(jié)果的包絡(luò)程度,達(dá)到93.95%,多次時程計算結(jié)果如表2所示。
圖9 塔身底部斜材應(yīng)力計算結(jié)果對比Fig.9 Comparisons of stress calculation results of the oblique member in the bottom part of tower body
表2 底部斜材應(yīng)力包絡(luò)程度對比Table 2 Comparisons on stress envelop of the bottom oblique member %
對于輸電塔主材和斜材的應(yīng)力計算結(jié)果對比如圖10所示。由圖10可見:考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)后,斜材桿件的應(yīng)力提升較大,對動力時程分析結(jié)果的包絡(luò)增大,而且塔身部分的斜材桿件比橫擔(dān)部分的斜材桿件的包絡(luò)程度的增幅效應(yīng)明顯。對于主材,考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)后橫擔(dān)部分桿件的包絡(luò)程度增加效果比塔身部分桿件的大,但是整體上比斜材桿件的小。綜上可知:考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)可以增加桿件設(shè)計的可靠度,尤其是對塔身部分的斜材桿件設(shè)計可靠度提升效果明顯,考慮扭轉(zhuǎn)荷載的靜力計算結(jié)果對動力時程計算結(jié)果的包絡(luò)程度均在90%以上。
圖10 輸電塔桿件應(yīng)力包絡(luò)程度對比Fig.10 Comparisons on stress envelop of the transmission tower members
按照文獻(xiàn)[21],采用風(fēng)向角分別為45°,60°和90°時的風(fēng)荷載時程對輸電塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力計算,分析各種風(fēng)向角時輸電塔結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)如表3所示。由表3可見:不同風(fēng)向角時,長懸臂輸電塔的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)與垂直于橫擔(dān)方向(Y方向)的風(fēng)荷載分配系數(shù)呈線性正相關(guān),而與平行于橫擔(dān)方向的風(fēng)荷載分配系數(shù)(X方向)無關(guān),即橫擔(dān)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)只由垂直于橫擔(dān)方向的風(fēng)荷載產(chǎn)生。
不同風(fēng)向角時,等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)與扭轉(zhuǎn)角呈線性正相關(guān)關(guān)系,45°和60°風(fēng)的等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)分別為0°風(fēng)的等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)的70%,90°風(fēng)時,沒有垂直于橫擔(dān)方向的風(fēng)荷載分量,基本不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng),可以認(rèn)為等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)為0。
表3 不同風(fēng)向角時輸電塔結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)Table 3 Torsional effect of the transmission tower under different wind direction angles
由第1節(jié)分析可知,橫擔(dān)總長度對長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)影響較大,本節(jié)不斷改變長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)的橫擔(dān)總長度,計算輸電塔結(jié)構(gòu)在0°風(fēng)作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),其中,塔身信息不發(fā)生改變。表4所示為改變橫擔(dān)總長度后的輸電塔結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)陣型特征。由表4 可見:隨著橫擔(dān)總長度減小,扭轉(zhuǎn)頻率逐漸增大,扭轉(zhuǎn)振型的階次逐漸提高,相應(yīng)的頻率扭平比逐漸降低。輸電塔結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)與橫擔(dān)總長度之間的關(guān)系如圖11所示。
表4 不同橫擔(dān)總長度時的扭轉(zhuǎn)振型特征Table 4 Torsional vibration mode characteristics with different lengths of the cross arm
圖11 橫擔(dān)總長度對扭轉(zhuǎn)角和等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)的影響Fig.11 Influence of total length of cross arms and torsional angle on the equivalent torsional wind vibration coefficient
由圖11 可見:隨著橫擔(dān)長度減小,橫擔(dān)部分的扭轉(zhuǎn)角也逐漸減小,即橫擔(dān)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對輸電塔結(jié)構(gòu)的影響逐漸減小;且隨著橫擔(dān)長度減小,等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)先逐漸減小,在橫擔(dān)總長度小于54.72 m 后穩(wěn)定在0.55 附近,此時結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振型不再是一階振型。因此,當(dāng)輸電塔結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振型為低階振型時,會促進(jìn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
1)由于空間效應(yīng),作用于長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載會在橫擔(dān)上產(chǎn)生非對稱荷載,造成長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。采用扭轉(zhuǎn)角表征長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng),并通過定義等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)描述附加的扭轉(zhuǎn)荷載。
2)考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的靜力風(fēng)振分析可以提高塔身和橫擔(dān)的主材和斜材桿件的設(shè)計可靠度,其中對塔身部分斜材的可靠度提高最大。
3)不同風(fēng)向角時的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和橫擔(dān)風(fēng)荷載Y方向的分配系數(shù)呈正線性相關(guān),和X方向的分配系數(shù)無關(guān),橫擔(dān)的扭轉(zhuǎn)完全由垂直于橫擔(dān)方向上的風(fēng)荷載產(chǎn)生。
4)當(dāng)長懸臂輸電塔結(jié)構(gòu)的橫擔(dān)總長度減小時,結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)也逐漸減小,而等效扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)先減小后趨于平緩,拐點位置和結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振型對應(yīng)的階數(shù)相關(guān)。