劉乾

(湖北省電力裝備有限公司，武漢 430060)

1 引言

輸電桿塔和導(dǎo)線共同構(gòu)成的塔線體系是輸電線路的核心架構(gòu)[1]，塔線體系的安全穩(wěn)定性電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性息息相關(guān)。塔體一般采用鋼材的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)建成，符合桿塔輕質(zhì)高柔的特殊要求，在保證堅(jiān)固穩(wěn)定的同時(shí)盡量減少耗材，也正因此增加了桿塔對(duì)風(fēng)荷載的敏感性[2]。大風(fēng)災(zāi)害會(huì)導(dǎo)致桿塔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的風(fēng)致響應(yīng)，塔身局部鋼構(gòu)件容易發(fā)生明顯的變形，嚴(yán)重時(shí)甚至斷裂[3]。導(dǎo)線具有明顯柔性特性，導(dǎo)線在風(fēng)荷載的影響下表現(xiàn)出非線性幾何特性使塔線體系在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)特征變得更加復(fù)雜[4]。

隨著遠(yuǎn)距離超高壓及特高壓輸電技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)際工程中，塔身越來越高，檔距也越來越大，塔線體系的抗風(fēng)性能更顯得尤為重要[5]，對(duì)此，本文通過研究和分析導(dǎo)線對(duì)塔線體系受到最不利風(fēng)向的影響，為輸電塔線體系風(fēng)致響應(yīng)提供一定的理論參考。

2 有限元方法簡(jiǎn)介

在解決復(fù)雜的結(jié)構(gòu)工程時(shí)，通常采用有限元的方法，有限元方法顧名思義是將連續(xù)區(qū)域的計(jì)算對(duì)象有限的劃分成大量微小單元進(jìn)行逼近計(jì)算的方法，在進(jìn)行實(shí)際計(jì)算時(shí)，計(jì)算對(duì)象并非實(shí)際工程中的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而是由同類材料構(gòu)成的多個(gè)微小單元[6]。然后依據(jù)每個(gè)單元的結(jié)構(gòu)特性近似求解，進(jìn)一步獲得由每個(gè)單元組成的整體特征，最后加以邊界條件，逐個(gè)得到各單元的響應(yīng)值。

相對(duì)于其他分析方法，有限元分析法適應(yīng)性比較好，特別適用于分析多物理場(chǎng)與幾何條件耦合的復(fù)雜問題，在復(fù)雜的幾何模型下求解結(jié)構(gòu)力學(xué)問題優(yōu)勢(shì)明顯，以至于如今普遍使用的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析應(yīng)用軟件均建立在有限元分析方法的基礎(chǔ)上[7]。

3 導(dǎo)線對(duì)塔體響應(yīng)最不利風(fēng)向的影響

3.1 導(dǎo)線檔距對(duì)最不利風(fēng)向分析的影響

建立無導(dǎo)線和有導(dǎo)線且檔距分別為300m、600m及800m的塔體模型，利用有限元分析方法計(jì)算模型最大主材軸力和最大位移響應(yīng)，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 最大主材軸力

圖2 最大位移響應(yīng)

根據(jù)上圖的結(jié)果，對(duì)比有導(dǎo)線和無導(dǎo)線的風(fēng)致響應(yīng)情況，塔線體系的主材軸力和最大位移響應(yīng)明顯比無導(dǎo)線的塔體模型大，由此說明，導(dǎo)線增加了塔體的風(fēng)致響應(yīng)。在塔線體系中，導(dǎo)線檔距越大，塔體主材軸力和塔體結(jié)構(gòu)位移的最值會(huì)進(jìn)一步增大，但當(dāng)風(fēng)向沿著導(dǎo)線的方向時(shí)，即90°時(shí)，導(dǎo)線對(duì)塔體風(fēng)致響應(yīng)的影響達(dá)到最小化。

此外，在檔距較大的塔線體系中，塔線體系的最不利風(fēng)向大致出現(xiàn)在與導(dǎo)線垂直的橫向風(fēng)。在大檔距輸電線路的實(shí)際工程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注橫向風(fēng)對(duì)塔線體系的影響。

3.2 導(dǎo)線轉(zhuǎn)角對(duì)最不利風(fēng)向分析的影響

建立固定檔距不同轉(zhuǎn)角的塔線體系模型，設(shè)置檔距為300m，轉(zhuǎn)角分別為 0°、10°、20°和 30°。 利用有限元分析方法計(jì)算模型最大主材軸力和最大位移響應(yīng)，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 最大主材軸力

圖4 最大位移響應(yīng)

由上圖可知，對(duì)比有轉(zhuǎn)角和無轉(zhuǎn)角的塔線模型，無轉(zhuǎn)角模型下，塔體的風(fēng)致響應(yīng)曲線以90°為中心線對(duì)稱；有轉(zhuǎn)角的模型中，其主材軸力和最大位移響應(yīng)隨不同風(fēng)向的變化出現(xiàn)不同的特征，且不對(duì)稱。對(duì)比不同轉(zhuǎn)角的塔線模型，當(dāng)風(fēng)向處于30°至180°間時(shí)，轉(zhuǎn)角越大，塔線體系的風(fēng)致響應(yīng)越大。

當(dāng)風(fēng)向處于0°至30°間時(shí)，導(dǎo)線轉(zhuǎn)角與系統(tǒng)風(fēng)致響應(yīng)關(guān)系曲線呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。對(duì)比風(fēng)向角為0°時(shí)塔體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的主材軸力，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 主材軸力

根據(jù)圖5可知，轉(zhuǎn)角逐漸增大的過程中，導(dǎo)線與風(fēng)荷載的抵消作用先慢慢增大，塔體主材軸力開始減小，當(dāng)轉(zhuǎn)角增加至30°后，導(dǎo)線對(duì)塔體的影響明顯大于風(fēng)荷載的影響，之后轉(zhuǎn)角越大的系統(tǒng)，塔體主材軸力響應(yīng)越大。

基于上述分析，塔體風(fēng)致響應(yīng)受到塔線轉(zhuǎn)角的影響比較大，在有導(dǎo)線轉(zhuǎn)角系統(tǒng)的最不利風(fēng)向分析中，需考慮轉(zhuǎn)角外側(cè)角平分線附近風(fēng)荷載作用下的風(fēng)致響應(yīng)特性。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)關(guān)注在不同風(fēng)向下塔線體系的風(fēng)致響應(yīng)特性，通過有限元分析方法，分別建立無導(dǎo)線的塔體模型、不同檔距的塔線體系以及不同轉(zhuǎn)角的塔線模型，仿真計(jì)算不同風(fēng)向影響下塔線體系的響應(yīng)特性。結(jié)果說明，轉(zhuǎn)角對(duì)塔線體系的風(fēng)致響應(yīng)的影響較大，轉(zhuǎn)角偏大的模型下，導(dǎo)線對(duì)系統(tǒng)的影響要明顯大于風(fēng)荷載的作用。另外，由于導(dǎo)線與風(fēng)荷載作用的疊加，有轉(zhuǎn)角的塔線體系的最不利風(fēng)向出現(xiàn)在靠近導(dǎo)線外側(cè)角角平分線的位置，工程實(shí)際中，需考慮有轉(zhuǎn)角的塔線體系外側(cè)角平分線附近風(fēng)向的作用影響。