劉春城，龍祖良，查傳明，王重陽，葛旋宇

(1．東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012;2．中國電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽550081;3．國網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊830013)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，輸電塔建設(shè)風(fēng)起云涌，作為高柔結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載對(duì)其影響越來越顯著［3］．時(shí)常造成倒塔事故，嚴(yán)重影響人民的生活［4］．因此，加強(qiáng)對(duì)輸電線路風(fēng)振系數(shù)計(jì)算的研究，具有十分重要的意義．

針對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)計(jì)算的研究，鄧洪洲、吳昀等［5］結(jié)合崖門大跨越實(shí)例，統(tǒng)計(jì)計(jì)算了現(xiàn)行規(guī)范的風(fēng)振系數(shù)取值．趙峰、孫威［6］結(jié)合漢江大跨越，分別采用規(guī)范、三維建模分析和二維簡化分析三種方法計(jì)算其風(fēng)振系數(shù)．徐明鳴、何洪波［7］根據(jù)風(fēng)速時(shí)程模擬和結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)理論，提出輸電塔結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)計(jì)算的技術(shù)思路和實(shí)現(xiàn)方法．以上研究存在這一問題:沒有運(yùn)用新荷載規(guī)范同時(shí)考慮土－結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)其影響．

鄧洪洲、段成蔭［8］總結(jié)了新荷載規(guī)范對(duì)順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)的修改要點(diǎn)，最后提出了與新荷載規(guī)范形式相協(xié)調(diào)的高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)表達(dá)式．范玉娟、鄧洪洲［9］采用有限元法分析了輸電塔的動(dòng)力特性，對(duì)比了由于新荷載規(guī)范湍流度的提高對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)的影響，并把模擬結(jié)果計(jì)算出的風(fēng)振系數(shù)和新舊荷載規(guī)范計(jì)算出的風(fēng)振系數(shù)相對(duì)比．李峰、賈國慶［10］通過實(shí)例計(jì)算和對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)新規(guī)范較大幅度的提高了輸電塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)振系數(shù)的取值．以上研究利用了新荷載規(guī)范計(jì)算風(fēng)振系數(shù)，但沒有考慮土－結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)其影響．

本研究為了更準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)，通過利用新舊荷載規(guī)范分別計(jì)算考慮土－結(jié)構(gòu)相互作用和基礎(chǔ)固支兩種工況的風(fēng)振系數(shù)，對(duì)比分析4種組合條件下的風(fēng)振系數(shù)值．希望能為輸電塔結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)及風(fēng)振響應(yīng)分析提供一些建議和幫助．

1 有限元建模方法

結(jié)構(gòu)采用的塔型如圖1所示，高度為42．6 m，呼稱高30 m，材料屬性為:彈性模量E=2．1×1011Pa，泊松比υ=0．3，密度ρ=7850 kg/m3，選用的角鋼規(guī)格有12種，利用ABAQUS軟件建立輸電塔有限元模型，角鋼單元定義為 beam［11］．

單腿單樁，樁長、樁徑分別為 10 m、0．6 m，彈性模量 E=3×1010Pa，泊松比 υ=0．3，密度 ρ=2 500 kg/m3，樁本構(gòu)模型假定為線彈性．本研究選取的土體區(qū)域長和寬為50倍樁徑，高取2倍樁長．采用的土體參數(shù)如表1所示，土體的本構(gòu)模型采用Mohr－Coulomb，樁土相互作用采用主從接觸面法．

表1 場地土體參數(shù)

通過ABAQUS軟件建模，得到考慮SSI的整體有限元模型和基礎(chǔ)固支的輸電塔三維模型，考慮SSI的整體有限元模型，如圖2所示．

2 動(dòng)力特性分析

分別對(duì)考慮SSI和基礎(chǔ)固支工況下有限元模型進(jìn)行動(dòng)力特性分析，采用軟件中Block Lanczos方式提取輸電塔前10階振型．圖3為固支工況下結(jié)構(gòu)的第1階、2階、5階、6階振型圖，由結(jié)果可以看出，第1階、2階振型分別為橫向、縱向側(cè)移變形，第5階、6階振型分別為結(jié)構(gòu)橫向、縱向二次側(cè)移變形．

圖1 輸電塔立面圖

圖2 考慮SSI的整體有限元模型

圖3 固支工況下第1階、2階、5階、6階振型

圖4為I類工況下考慮土－結(jié)構(gòu)相互作用結(jié)構(gòu)的第1階、2階、8階、9階振型，如圖4所示．由圖可知，第1階、2階振型都為輸電塔底部構(gòu)件扭曲變形，直至第8階振型，才發(fā)生結(jié)構(gòu)一次橫向側(cè)移變形，第9階振型發(fā)生結(jié)構(gòu)一次縱向側(cè)移變形，由此得出，考慮土－結(jié)構(gòu)相互作用后，輸電塔相應(yīng)的振型有所滯后．

圖4 考慮SSI的第1階、2階、8階、9階振型

分別提取考慮SSI和基礎(chǔ)固支工況下前10階的自振頻率，如表2所示，考慮SSI的結(jié)構(gòu)自振頻率比基礎(chǔ)固支自振頻率有顯著的減小;相反，自振周期有顯著的增大．

表2 自振頻率表

3 風(fēng)振系數(shù)計(jì)算

2001年荷載規(guī)范中風(fēng)振系數(shù)計(jì)算公式采用脈動(dòng)增大系數(shù)和脈動(dòng)影響系數(shù)形式:

式中:ξ為脈動(dòng)增大系數(shù);ν為脈動(dòng)影響系數(shù);φΖ為結(jié)構(gòu)振型系數(shù);μΖ為風(fēng)壓高度變化系數(shù)．2012年荷載規(guī)范對(duì)風(fēng)振系數(shù)計(jì)算進(jìn)行了較大的改動(dòng)．

2012荷載規(guī)范風(fēng)振系數(shù)計(jì)算公式采用背景響應(yīng)和共量響應(yīng)的表達(dá)形式:

式中:g為峰值因子，為常量;Ι10為10 m高度名義湍流強(qiáng)度，為常量;R為脈動(dòng)風(fēng)荷載的共振分量因子;ΒΖ為脈動(dòng)風(fēng)荷載的背景分量因子．

分別利用新舊荷載規(guī)范計(jì)算考慮SSI和基礎(chǔ)固支工況下輸電塔結(jié)構(gòu)上11個(gè)點(diǎn)處的風(fēng)振系數(shù)．表3、表4分別為舊、新荷載規(guī)范計(jì)算得出基礎(chǔ)固支和考慮SSI兩種工況下塔段的風(fēng)振系數(shù)，考慮SSI后，輸電塔結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)有不同程度的增大，最大增幅為8．35%．

表3 舊荷載規(guī)范下兩種工況的風(fēng)振系數(shù)值

表4 新荷載規(guī)范下兩種工況的風(fēng)振系數(shù)值

分別利用新舊荷載規(guī)范計(jì)算出兩種工況下輸電塔的風(fēng)振系數(shù)，為了對(duì)比分析新舊荷載規(guī)范，分別把考慮SSI的新舊荷載規(guī)范計(jì)算出的風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，如表5所示．相比舊荷載規(guī)范，新荷載規(guī)范計(jì)算得到的風(fēng)振系數(shù)有顯著增大，最大增量達(dá)30．87%;把基礎(chǔ)固支下新舊荷載規(guī)范計(jì)算得出的風(fēng)振系數(shù)值對(duì)比，如表6所示．新荷載規(guī)范得到的風(fēng)振系數(shù)值也有非常顯著增大，最大增幅為30．65%．

表5 新舊荷載規(guī)范下考慮SSI工況的結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)值對(duì)比分析

表6 新舊荷載規(guī)范下基礎(chǔ)固支工況的結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)對(duì)比分析

考慮SSI工況和基礎(chǔ)固支工況在新、舊荷載規(guī)范下計(jì)算得出風(fēng)振系數(shù)值對(duì)比，如圖5所示，圖5中一共有4條曲線，分別代表新荷載規(guī)范下考慮SSI工況的風(fēng)振系數(shù)值、新荷載規(guī)范下基礎(chǔ)固支工況的風(fēng)振系數(shù)值、舊荷載規(guī)范下考慮SSI工況的風(fēng)振系數(shù)值、舊荷載規(guī)范下基礎(chǔ)固支工況的風(fēng)振系數(shù)值．由圖5可知，新荷載規(guī)范下考慮SSI工況的風(fēng)振系數(shù)值最大，這一組合可以更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)，為以后輸電塔結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)和風(fēng)振響應(yīng)分析提高了適當(dāng)參考．

4 結(jié) 論

(1)相比基礎(chǔ)固支工況，考慮土－結(jié)構(gòu)相互作用的輸電塔自振周期變大，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)振型有所滯后．

(2)考慮土－結(jié)構(gòu)相互作用后，利用新舊荷載規(guī)范計(jì)算得出輸電塔各塔段的風(fēng)振系數(shù)，兩種計(jì)算結(jié)果都有不同程度增大，最大增幅達(dá)8．35%，輸電塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和風(fēng)振響應(yīng)分析時(shí)應(yīng)該適當(dāng)考慮土－結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)其影響．

(3)在基礎(chǔ)固支和考慮SSI工況下，相比舊荷載規(guī)范，新荷載規(guī)范下結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)值都有非常顯著地增大，最大增幅達(dá)30．87%，設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格按照新荷載規(guī)范進(jìn)行．

(4)利用新荷載規(guī)范計(jì)算考慮SSI的輸電塔風(fēng)振系數(shù)值，比其它三種情況所得值大，計(jì)算結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)更準(zhǔn)確合理．

圖5 4種組合風(fēng)振系數(shù)對(duì)比

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