周承軍 （中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

0 前 言

輸電塔線(xiàn)體系是一種復(fù)雜的空間耦聯(lián)體系，這種耦合效應(yīng)使得輸電塔的動(dòng)力特性評(píng)估十分困難。對(duì)于大跨越輸電塔體系，導(dǎo)線(xiàn)的質(zhì)量與塔架的質(zhì)量相比是相當(dāng)?shù)?，?dǎo)線(xiàn)對(duì)整體動(dòng)力特性的影響往往不可忽略[1]。目前各國(guó)學(xué)者對(duì)輸電塔線(xiàn)體系的動(dòng)力特性進(jìn)行了一些有用的研究，并取得了一定有價(jià)值的成果[2-6]，但尚未系統(tǒng)、全面的分析輸電塔線(xiàn)體系動(dòng)力特性的影響因素，針對(duì)輸電塔線(xiàn)體系阻尼影響因素的研究更是鮮有所見(jiàn)。

本文基于ANSYS有限元軟件建立了輸電塔及輸電塔線(xiàn)體系有限元模型，較為全面的分析了塔型、垂度、跨度以及絕緣子尺寸對(duì)輸電塔動(dòng)力特性的影響。以期為輸電塔線(xiàn)體系動(dòng)力響應(yīng)分析、振動(dòng)控制等方面提供參考。

導(dǎo)地線(xiàn)技術(shù)參數(shù) 表1

1 建立有限元模型

運(yùn)用ANSYS軟件建立三種典型輸電塔三維有限元模型，三種模型分別是桶型塔、貓頭塔、酒杯塔，下文分別簡(jiǎn)稱(chēng)為塔1、塔2及塔3（見(jiàn)圖1）。導(dǎo)地線(xiàn)的預(yù)設(shè)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。采用BEAM188三維薄壁梁?jiǎn)卧M塔身構(gòu)件，Link10模擬導(dǎo)(地)線(xiàn)，Link180模擬絕緣子。并進(jìn)行塔體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力模態(tài)分析，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性。圖2給出了本文塔3體系的有限元模型。

2 動(dòng)力特性分析

2.1 輸電塔動(dòng)力特性分析

模型前3階頻率見(jiàn)表2?？梢钥闯觯?和塔2出平面與在平面頻率比較接近，但二者的區(qū)別在于其扭轉(zhuǎn)振型頻率的分布。這說(shuō)明，輸電塔的頻率分布與其結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系：對(duì)于塔身截面為方形的輸電塔兩水平向振型頻率接近，振型特性由塔頭控制；對(duì)于塔身截面為矩形的輸電塔，水平兩軸向振型頻率存在更大差異，振型特性由塔身控制。圖3給出了三種塔型的兩水平軸向振型。

單塔振型頻率 表2

2.2 輸電線(xiàn)動(dòng)力特性分析

由于輸電線(xiàn)面外振動(dòng)不會(huì)引起附加張力，但會(huì)改變張力的作用方向，而面內(nèi)對(duì)稱(chēng)振動(dòng)會(huì)引起輸電線(xiàn)的附加張力[7]。根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]，輸電線(xiàn)的一階面外振型只與輸電線(xiàn)的垂度有關(guān)，而其二階面外對(duì)稱(chēng)振型與其垂度和跨度均相關(guān)。通過(guò)上述理論可計(jì)算出輸電線(xiàn)一階面內(nèi)、外振型頻率，與有限元模型對(duì)應(yīng)頻率的對(duì)比結(jié)果如表3所示。

輸電線(xiàn)頻率理論解與有限元對(duì)比結(jié)果 表3

從表3可以看出，輸電線(xiàn)頻率ANSYS模擬結(jié)果與理論值非常接近，驗(yàn)證了通過(guò)懸鏈線(xiàn)方程對(duì)導(dǎo)線(xiàn)找型，從而建立有限元模型的方法較為精確。

3 塔線(xiàn)體系振型頻率影響因素分析

3.1 輸電線(xiàn)的影響

將輸電線(xiàn)作為集中質(zhì)量作用于輸電塔上，其對(duì)輸電塔頻率的影響與實(shí)際輸電線(xiàn)對(duì)塔的影響進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4。可知，集中質(zhì)量對(duì)輸電塔出平面和在平面頻率的影響程度相當(dāng)，但實(shí)際輸電線(xiàn)對(duì)輸電塔出平面頻率的影響與對(duì)在平面頻率的影響存在較大差異，這說(shuō)明輸電線(xiàn)不僅僅影響到塔線(xiàn)體系的質(zhì)量矩陣，其剛度矩陣的影響也不可忽略，尤其對(duì)于其平面外剛度有較大影響。

輸電塔掛線(xiàn)與不掛線(xiàn)頻率對(duì)比 表4

以塔3為例，進(jìn)一步分析輸電線(xiàn)對(duì)輸電塔動(dòng)力特性的影響。保持輸電線(xiàn)垂度38.5m不變，垂跨比均小于1/8，在通過(guò)調(diào)節(jié)密度參數(shù)以保證輸電線(xiàn)的質(zhì)量不變的情況下，對(duì)比了檔距350m、450m、550m、650m、750m時(shí)，輸電塔在平面、出平面頻率的變化，如圖4所示。此外，檔距750m保持不變，對(duì)比了垂度20.5m、25.5m、30.5m、35.5m、38.5m時(shí)，輸電塔在平面、出平面的頻率變化，其結(jié)果見(jiàn)圖5?？芍?，輸電塔兩水平向振型頻率隨檔距的增加而降低，且出平面頻率降低更為顯著。輸電線(xiàn)垂度的改變不會(huì)引起輸電塔頻率的改變只會(huì)使塔線(xiàn)體系耦合共振提前或滯后。

3.2 絕緣子的影響

絕緣子是輸電塔與輸電線(xiàn)的連接構(gòu)件，由于絕緣子具有一定長(zhǎng)度，絕緣子-輸電線(xiàn)系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為雙擺模型，輸電線(xiàn)面外計(jì)算長(zhǎng)度增加會(huì)導(dǎo)致其出頻率的降低，且使輸電線(xiàn)頻率分布范圍變得更寬，低階振型頻率更低。為了考察絕緣子長(zhǎng)度對(duì)掛線(xiàn)后輸電塔頻率的影響，在建立有限元時(shí)，絕緣子的密度設(shè)定為0；考慮絕緣子剛度影響時(shí)，給定一個(gè)密度值。圖6和圖7分別給出了塔1體系輸電塔頻率隨絕緣子長(zhǎng)度和剛度的改變情況，其他塔型亦有類(lèi)似結(jié)論，此處不再贅述。

從圖6和圖7可看出，考慮和不考慮絕緣子對(duì)輸電塔的在平面振動(dòng)不會(huì)造成影響。改變絕緣子的長(zhǎng)度使掛線(xiàn)后輸電塔的出平面頻率有所降低，而在平面頻率基本保持不變。總體而言，在計(jì)算塔線(xiàn)體系各階振型頻率時(shí)，需要考慮絕緣子的影響。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)有限元模型和理論模型以及簡(jiǎn)化模型對(duì)輸電塔線(xiàn)體系動(dòng)力特性及其影響因素進(jìn)行了分析，可以得到如下結(jié)論。

①輸電塔的頻率分布與其結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系。對(duì)于塔身截面為方形的輸電塔兩水平向振型頻率接近，振型特性由塔頭控制；對(duì)于塔身截面為矩形的輸電塔，水平兩軸向振型頻率存在更大差異，振型特性由塔身控制；細(xì)長(zhǎng)輸電塔扭轉(zhuǎn)振型頻率相對(duì)于水平振型頻率要高得多，且容易出現(xiàn)二階水平向振型。

②輸電線(xiàn)不僅僅影響到塔線(xiàn)體系的質(zhì)量矩陣，對(duì)剛度矩陣的影響也不可忽略，尤其對(duì)平面外剛度有較大影響。分析輸電線(xiàn)對(duì)輸電塔頻率影響時(shí)，必須考慮輸電線(xiàn)改變塔線(xiàn)體系質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的雙重效應(yīng)。

③輸電塔兩水平向振型頻率隨檔距的增加而降低，且出平面頻率降低更為顯著，輸電線(xiàn)垂度的改變不會(huì)引起輸電塔頻率的改變，但會(huì)使輸電線(xiàn)的頻率及分布產(chǎn)生影響，因此，輸電線(xiàn)頻率的改變不會(huì)影響輸電塔的頻率，只會(huì)使得塔線(xiàn)體系耦合共振提前或滯后。

④考慮和不考慮絕緣子對(duì)輸電塔的在平面振動(dòng)不會(huì)造成影響?？紤]絕緣子時(shí)，絕緣子剛度不會(huì)改變掛線(xiàn)后輸電塔的頻率；改變絕緣子的長(zhǎng)度使掛線(xiàn)后輸電塔的出平面頻率有所降低，而在平面頻率基本保持不變。因此，在計(jì)算塔線(xiàn)體系各階振型頻率時(shí)，應(yīng)考慮絕緣子的影響。

[1]李宏男,王前信.大跨越輸電塔體系的動(dòng)力特性[J].土木工程學(xué)報(bào),1997(5).

[2]H.Yasui.Analytical study on wind-induced vibration of power transmis-sion towers[J].Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1999(2).

[3]Irvine H.M.,Griffin J.H..On the dynamic response of a suspended cable[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1976(4).

[4]Ozono S.,Maeda J..In-plane dynamic interaction between a tower and conductors at lower frequencies[J].Engineering Structures,1992(14).

[5]梁樞果,朱繼華,王力爭(zhēng).大跨越輸電塔-線(xiàn)體系動(dòng)力特性分析[J].地震工程與工程振動(dòng),2003(6).

[6]Y.Momomura,H.Marukawa,T.Okamura.Full measurements of wind-induced vibration of a transmission line system in a mountainous area[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,72(1997).

[7]Irvine H.M..Cable Structure[M].1981,The MITPress.