董利虎，宋丹青

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870；2.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

1 研究背景

我國(guó)能源資源與負(fù)荷中心呈明顯不均衡分布，大量的煤炭、水能資源分布在西北、西南地區(qū)，但電能需求相對(duì)集中地分布在東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)[1]，為此我國(guó)提出了“西電東送”的電力發(fā)展戰(zhàn)略。輸電塔-線是輸送電能的載體，是連接大型能源基地和用電地區(qū)的重要紐帶?！笆奈濉逼陂g，多條輸電線路工程將相繼核準(zhǔn)、開(kāi)工和建設(shè)[2]。

隨著特高壓輸電線路工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，輸電線路的檔距及輸電桿塔高度朝著更大、更高的方向發(fā)展，這意味著輸電線路不可避免地要跨越地震頻發(fā)區(qū)，地震將會(huì)對(duì)輸電塔-線體系與電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行造成更嚴(yán)重、更廣泛的破壞[3]，給人民生活帶來(lái)諸多不利影響。在國(guó)內(nèi)外，地震造成輸電塔線倒塌、傾斜等情況時(shí)有發(fā)生。1976年我國(guó)河北唐山大地震[4]造成輸電鐵塔地基下陷、傾斜或倒地，一些絕緣子完全爆裂。1994年美國(guó)Northridge地震[5]主要造成高壓輸電線路中的輸電設(shè)備損壞，少數(shù)輸電塔遭到破壞。1995年日本阪神地震[6]造成20座輸電塔傾斜破壞，架空輸電線路中有11座輸電塔傾倒。1999年我國(guó)臺(tái)灣省南投縣集集鎮(zhèn)發(fā)生大地震[7]，使變電站、發(fā)電廠、輸電塔線等多處受到嚴(yán)重破壞，其中最顯著的是高壓輸電塔線受到破壞。2008年汶川地震[8]的震級(jí)達(dá)到8.0級(jí)，對(duì)災(zāi)區(qū)的輸電線路造成了嚴(yán)重破壞，致使電力供電系統(tǒng)癱瘓，500 kV及以下的高壓設(shè)備破壞嚴(yán)重，20多座輸電塔倒塌，多條輸電線路因滑坡或地形變化受損。2013年廬山地震[9]的震中烈度達(dá)到9度，造成多條輸電線路受損嚴(yán)重或停運(yùn)。2014年云南魯?shù)榈卣餥10]造成變電站設(shè)施破壞、多條輸電線路處于停運(yùn)或嚴(yán)重受損狀態(tài)。

表1給出了國(guó)內(nèi)外地震中部分輸電塔-線體系受損的狀況。由表1可知，地震中輸電塔線耦聯(lián)體系的易損性較高。因此，為保證電力系統(tǒng)安全、高效、可靠運(yùn)行，輸電塔-線體系地震響應(yīng)分析研究是十分必要和有意義的課題。

表1 部分國(guó)內(nèi)外地震中輸電塔-線體系受損狀況統(tǒng)計(jì)[11]

目前，地震作用下輸電塔-線體系地震響應(yīng)特征的研究已經(jīng)取得了較多的研究成果，本文針對(duì)地震作用下輸電塔-線體系地震響應(yīng)特征的研究方法進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)最新的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，為地震作用下輸電塔-線體系地震響應(yīng)特征研究提供研究思路。

2 輸電塔-線體系動(dòng)力分析模型研究

輸電塔-線體系是由輸電導(dǎo)線連接各個(gè)輸電塔組成的復(fù)雜空間耦聯(lián)體系，具有塔體高、跨度大、柔性強(qiáng)等特點(diǎn)，在強(qiáng)震作用下存在明顯的隨機(jī)性與強(qiáng)非線性，因而對(duì)這種復(fù)雜的空間耦聯(lián)體系進(jìn)行地震響應(yīng)分析十分困難，需要對(duì)其進(jìn)行模型簡(jiǎn)化研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面已取得豐碩的研究成果[12]。

Irvine[13]建立塔-索體系模型，分析了纜索模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性。Ozono等[14]根據(jù)試驗(yàn)中塔線體系地震響應(yīng)的差別提出了兩種動(dòng)力分析簡(jiǎn)化模型，高頻段簡(jiǎn)化為塔-線耦聯(lián)擺動(dòng)分析模型，而在低頻段簡(jiǎn)化為塔-線多質(zhì)點(diǎn)分析模型。Tian等[15]將塔架簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?，輸電線路簡(jiǎn)化為索單元，同時(shí)考慮地震波的非相干性與波的傳播效應(yīng)，研究邊界條件、地震動(dòng)空間變化及入射角等因素對(duì)地震波傳播的影響。徐震等[16]將導(dǎo)(地)線簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，并將其添加到導(dǎo)(地)線與輸電塔連接的部位，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的倒塌分析確定輸電塔的薄弱環(huán)節(jié)和倒塌機(jī)理，檢測(cè)該種簡(jiǎn)化模型在輸電塔倒塌分析中的可行性。李宏男等[17]提出了將導(dǎo)線簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)、輸電塔簡(jiǎn)化為多自由度體系的多質(zhì)點(diǎn)模型，給出了考慮導(dǎo)線振動(dòng)影響的塔線體系縱向振動(dòng)簡(jiǎn)化計(jì)算方法，并將縱、側(cè)向地震作用下的輸電導(dǎo)線振動(dòng)分別簡(jiǎn)化為懸鏈與垂鏈模型，提出了輸電塔線體系抗震計(jì)算的反映譜法。梁樞果等[18]將導(dǎo)線簡(jiǎn)化成多剛性連桿，在國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)塔-線體系動(dòng)力計(jì)算模型研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)塔線結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性給出用于地震和風(fēng)振的多自由度分析計(jì)算模型。

綜上所述，現(xiàn)有的動(dòng)力分析模型研究多是將輸電塔線體系簡(jiǎn)化為串聯(lián)多質(zhì)點(diǎn)等效梁模型和桿梁混合單元模型，忽略了輸電塔-線體系為復(fù)雜空間耦聯(lián)結(jié)構(gòu)這一特性，無(wú)法體現(xiàn)導(dǎo)地線的空間幾何位置，沒(méi)有考慮各類負(fù)載的三維空間耦合作用，而且考慮到大跨越輸電塔-線耦聯(lián)體系具有塔身高、跨度大的特點(diǎn)，在進(jìn)行地震響應(yīng)分析時(shí)，有必要采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行精細(xì)化的三維動(dòng)力分析。

3 輸電塔-線體系地震響應(yīng)研究方法

3.1 輸電塔-線體系地震響應(yīng)數(shù)值模擬研究

地震作用下，輸電塔-線體系的地震響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的空間耦合性與位移非線性變化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)建立串聯(lián)多質(zhì)點(diǎn)模型等各種動(dòng)力分析模型，借助有限元軟件對(duì)地震作用下單塔和塔線耦聯(lián)體系線性與非線性動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行分析。以下針對(duì)輸電塔-線體系地震響應(yīng)數(shù)值模擬研究進(jìn)行了總結(jié)。

Ghobarah等[19]采用空間桁架模型，分析了多點(diǎn)地震動(dòng)輸入對(duì)輸電線路地震響應(yīng)的影響。田利等[20]、袁光英等[21]、劉俊才等[22]、Pan等[23]采用模擬生成的地震波，對(duì)位于谷底和峰頂?shù)妮旊娝€耦聯(lián)體系模型進(jìn)行研究，分析地形變化對(duì)塔-線體系的地震反應(yīng)特性的影響；基于不同失效判別準(zhǔn)則，通過(guò)對(duì)多維地震動(dòng)激勵(lì)下結(jié)構(gòu)倒塌機(jī)理研究進(jìn)而判斷失效桿件的位置與類型；采用已有的判別方法，開(kāi)展了遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下塔-線體系最不利輸入方向的研究。蓋霞等[24]以塔頂峰值加速度、位移等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析不同地震強(qiáng)度下，地震動(dòng)持時(shí)效應(yīng)對(duì)輸電塔-線體系的結(jié)構(gòu)彈性和塑性響應(yīng)的影響。孫建梅等[25]采用B-R準(zhǔn)則并結(jié)合動(dòng)態(tài)增量法，得到了多點(diǎn)與一致輸入條件下臨界失穩(wěn)荷載系數(shù)、臨界失穩(wěn)節(jié)點(diǎn)位移、臨界失穩(wěn)桿件軸力等響應(yīng)參數(shù)，指出地震作用下輸電塔的塔頭、橫擔(dān)等位置為結(jié)構(gòu)的薄弱位置。易思銀[26]、Tian等[27]對(duì)近斷層地震作用下大跨越輸電塔-線體系地震響應(yīng)特征進(jìn)行研究，給出生成近斷層多維地震動(dòng)的方法，提出近斷層多維地震動(dòng)最不利輸入方向的判別方法。潘海洋[28]建立概率地震需求模型，開(kāi)展了近斷層地震動(dòng)激勵(lì)下塔-線體系的易損性研究，采用節(jié)間損傷指數(shù)定量評(píng)估節(jié)間的損傷程度。徐靜等[29]對(duì)不同場(chǎng)地條件下的塔線體系，開(kāi)展考慮樁-土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的輸電塔線體系簡(jiǎn)化計(jì)算模型與動(dòng)力響應(yīng)分析研究，得出相互作用效應(yīng)能夠增加塔體位移與構(gòu)件應(yīng)力。田利等[30]通過(guò)與考慮剛性地基的塔-線體系對(duì)比，得出了考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用的輸電塔的薄弱位置。黃增浩等[31]研究了呼稱高度對(duì)特高壓輸電塔多維地震動(dòng)特征的影響，得出適當(dāng)降低呼稱高度或增加耐張塔數(shù)量均可提高輸電塔線的抗震能力。

綜上所述，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要考慮行波效應(yīng)、局部場(chǎng)效應(yīng)、部分相干效應(yīng)以及地震動(dòng)入射角度等因素對(duì)輸電塔-線耦聯(lián)體系的地震響應(yīng)進(jìn)行研究，而考慮SSI(soil-structure interaction)效應(yīng)和跨越斷層地震動(dòng)作用下輸電塔-線體系動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬研究及輸電塔-線體系彈塑性分析的研究相對(duì)較少。

3.2 輸電塔-線體系振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究

地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是通過(guò)在振動(dòng)臺(tái)上加載各種形式的地震波來(lái)較真實(shí)地模擬地面運(yùn)動(dòng)及其對(duì)輸電塔-線體系的影響作用，因此，振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)可以較好地分析地震動(dòng)作用下輸電塔-線體系的破壞機(jī)理與破壞模式，也可較好地評(píng)價(jià)塔-線耦聯(lián)體系結(jié)構(gòu)整體性抗震能力[32]。目前，地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)已應(yīng)用于輸電塔-線體系地震響應(yīng)的研究分析，并取得了一定的研究成果。

Kotsubo等[33]考慮導(dǎo)地線及導(dǎo)地線對(duì)相鄰輸電塔的影響，對(duì)輸電塔進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)，得到了地震作用下塔-線耦聯(lián)體系的地震響應(yīng)特征。田利等[34]、Tian等[35-36]通過(guò)引入不同的導(dǎo)、地線的修正系數(shù)，研究了多維多點(diǎn)地震動(dòng)激勵(lì)下振動(dòng)臺(tái)模型非等比例問(wèn)題；考慮近斷層地震動(dòng)速度脈沖特征，引入不同入射角的位移響應(yīng)比，探討近斷層近場(chǎng)地震波在不同輸入角度下輸電塔-線體系的動(dòng)力響應(yīng)，通過(guò)對(duì)塔線體系進(jìn)行位移比分析，得出不同地震激勵(lì)下塔-線體系最不利入射角存在的差異；開(kāi)展了空間變化的地震動(dòng)對(duì)大跨越輸電塔-線體系動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律的影響研究，得出地震動(dòng)的空間變化能夠顯著放大輸電塔的地震響應(yīng)。辛愛(ài)強(qiáng)[37]開(kāi)展了近斷層與跨越斷層振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，得出跨越斷層放大了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，揭示了多維斷層地震激勵(lì)下塔-線體系動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律及其倒塌破壞機(jī)理。劉文明等[38]以斜坡輸電塔為研究對(duì)象，開(kāi)展斜坡-基礎(chǔ)-塔線體系地震響應(yīng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，得出坡表具有明顯的放大效應(yīng)且加速度放大系數(shù)與振幅之間存在正相關(guān)關(guān)系。Wang等[39]基于4個(gè)比較模型，利用3個(gè)振動(dòng)臺(tái)組成的臺(tái)陣對(duì)超高壓杯式輸電塔-線體系進(jìn)行試驗(yàn)，研究塔-線耦合作用的動(dòng)態(tài)特性。李鋼等[40]、謝強(qiáng)等[41]、Liang等[42]對(duì)特高壓塔-線體系縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，提出了一種滿足動(dòng)力特性與慣性力相似要求的模型設(shè)計(jì)中相似比的重新標(biāo)定方法，選取不同類型的地震動(dòng)作為輸入，通過(guò)懸掛質(zhì)量塊等效導(dǎo)地線的方法，研究地震動(dòng)過(guò)程中質(zhì)量效應(yīng)對(duì)塔體動(dòng)力反應(yīng)的影響，利用鋼絞線模擬導(dǎo)地線，研究輸電線的非線性振動(dòng)對(duì)輸電塔減震的效能。魏文輝等[43-44]對(duì)考慮地震動(dòng)水平-搖擺耦合分量作用的輸電塔-線體系地震響應(yīng)特性進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究表明地震動(dòng)水平-搖擺耦合分量會(huì)造成塔體產(chǎn)生一定程度的非對(duì)稱位移響應(yīng)。

輸電塔-線體系振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究能夠較好地模擬結(jié)構(gòu)倒塌破壞機(jī)理，同時(shí)也可以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，但是，鑒于輸電塔-線體系跨度大、塔身高的特點(diǎn)以及試驗(yàn)設(shè)備尺寸有限、模型加工困難等因素，目前開(kāi)展的輸電塔-線體系振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究較少，并且現(xiàn)階段的試驗(yàn)研究多建立在單個(gè)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用多振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究多維多點(diǎn)地震作用下輸電塔-線體系的動(dòng)力響應(yīng)分析將成為未來(lái)的研究趨勢(shì)。

4 結(jié)論與展望

本文主要從輸電塔-線體系動(dòng)力分析模型、數(shù)值計(jì)算、振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)3個(gè)方面，對(duì)現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行了綜述和討論。數(shù)值計(jì)算和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是研究地震作用下輸電塔-線體系地震響應(yīng)特征的重要手段，但是，單一研究手段的可信度不如多手段研究方法高，其研究范圍也不如多手段范圍廣，這是由單一研究手段的局限性決定的。未來(lái)多種研究方法相結(jié)合的研究手段將成為一種發(fā)展趨勢(shì)，這將會(huì)在很大程度上避免某一種方法計(jì)算結(jié)果帶來(lái)的局限性，提高計(jì)算結(jié)果的可靠性及準(zhǔn)確性。針對(duì)地震作用下輸電塔-線體系的地震響應(yīng)特征仍需進(jìn)一步深入研究，主要存在如下問(wèn)題：

(1)目前許多學(xué)者對(duì)地震作用下高壓輸電塔-線體系的動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行了研究，但是已有的研究成果不夠深入，且針對(duì)特、超高壓輸電塔-線體系的地震響應(yīng)分析研究較少，亟需開(kāi)展該類型塔-線體系的地震響應(yīng)特征及其連續(xù)性倒塌破壞機(jī)理研究。

(2)多次地震災(zāi)害表明，輸電塔-線體系在地震中的破壞以地基破壞為主，現(xiàn)有的動(dòng)力力學(xué)模型研究多是基于剛性地基假設(shè)，忽略了地基與輸電塔線之間的相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，因此剛性地基的假設(shè)嚴(yán)格意義上講是有誤差的，有必要對(duì)考慮地基在輸電塔線體系中的影響進(jìn)行地震響應(yīng)特征的研究。

(3)雖然振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是一種有效、可靠的研究方法，但是，由于輸電塔-線體系結(jié)構(gòu)和動(dòng)力問(wèn)題的復(fù)雜性，利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)輸電塔-線體系地震響應(yīng)特征進(jìn)行研究具有一定的局限性，例如振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備尺寸有限，急需利用多振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)開(kāi)展多維多點(diǎn)地震作用下輸電塔-線體系動(dòng)力響應(yīng)研究。

(4)由于輸電塔是由不同規(guī)格的構(gòu)件組成，構(gòu)件和整體截面都很小，桿件類型也較多，導(dǎo)致縮尺后規(guī)格種類繁多且模型制作材料上很難滿足要求，結(jié)構(gòu)的連接也存在一定的困難，使得振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒荒軡M足縮尺比例設(shè)計(jì)要求，因此需要對(duì)輸電塔-線體系中各構(gòu)件的縮尺比例因子進(jìn)行研究。

(5)隨著輸電線路建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，由于客觀因素的存在，輸電塔往往無(wú)法避免建立在活動(dòng)斷層附近區(qū)域，甚至是跨域活動(dòng)斷層，目前，關(guān)于跨越活動(dòng)斷層的輸電塔-線體系地震響應(yīng)分析研究較少。