張維倫 黃日星 晏孝強(qiáng)

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和負(fù)荷的增長，我國電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大[1]，社會用電需求也日益增加[2]，各類氣象災(zāi)害也在不斷威脅著電力企業(yè)的正常運(yùn)行。輸電線路和輸電鐵塔的安全隱患不容小覷，易對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)造成影響[3]。

龍卷風(fēng)是輸電塔結(jié)構(gòu)的重要災(zāi)害因素。位于華東沿海經(jīng)濟(jì)和負(fù)荷中心的江蘇電網(wǎng)近年來發(fā)展迅速[4]，但也發(fā)生過龍卷風(fēng)引起的輸電線路損壞等情況。例如，2016年6月23日，江蘇省鹽城市阜寧縣、射陽縣遭遇EF4級龍卷風(fēng)侵襲，風(fēng)力超過17級，風(fēng)速最高達(dá)到73 m/s，輸電線路遭到重創(chuàng)。輸電線路在運(yùn)行階段經(jīng)常遭遇外部惡劣氣象環(huán)境，如覆冰、雷電、大風(fēng)等[5]。因此，輸電線路的安全問題事關(guān)民生，應(yīng)受到高度重視。

美國輸電塔設(shè)計規(guī)范已將龍卷風(fēng)荷載納入其中[6]，而我國輸電線路設(shè)計規(guī)范尚未涉及。本文以某110 kV線路直線型鐵塔為研究對象，利用ANSYS軟件建立輸電塔有限元數(shù)值模型，進(jìn)行EF2級龍卷風(fēng)作用下輸電塔的響應(yīng)研究。

1 EF2級龍卷風(fēng)風(fēng)場結(jié)構(gòu)分析

龍卷風(fēng)分為EF0～EF5共6個等級，隨著等級的增加，其發(fā)生概率依次減小，破壞程度依次增大。EF2級龍卷風(fēng)的發(fā)生概率約為10.7%，其破壞程度較大。本文以EF2級標(biāo)準(zhǔn)龍卷風(fēng)為研究對象。

龍卷風(fēng)的風(fēng)場結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜[7]。目前，學(xué)界對龍卷風(fēng)的研究尚未完善[8]。國外學(xué)者對龍卷風(fēng)進(jìn)行了大量研究[9,10]，開發(fā)了多種龍卷風(fēng)實驗和數(shù)值模型。

Wen模型中，龍卷風(fēng)邊界層厚度δ僅與模擬點所處xy平面的坐標(biāo)值相關(guān)，而與所在的高度z無關(guān)：

(1)

(2)

其中，r′為模擬點距龍卷風(fēng)中心的距離；rmax為龍卷風(fēng)最大切向風(fēng)速半徑r0所對應(yīng)的坐標(biāo)；δ0為模擬點位置相對于最大風(fēng)速點無窮遠(yuǎn)時，龍卷風(fēng)的邊界層厚度。

根據(jù)氣流所處的位置(坐標(biāo)值z)不同，將龍卷風(fēng)的風(fēng)場結(jié)構(gòu)分為邊界層以上部分和邊界層以下部分。邊界層以上(z>δ)風(fēng)速分量表示為：

(3)

邊界層以下，風(fēng)速分量表示為：

(4)

其中,T(η,r),R(η,r)和W(η,r)分別為切向、徑向和豎向風(fēng)速；Vmax為最大切向風(fēng)速；b=1.2e-0.8r4；η=z/δ(r′)；z為模擬點距離地面的高度。

本研究采用Wen風(fēng)場結(jié)構(gòu)模型。給出EF2級龍卷風(fēng)切向風(fēng)速在半徑上的分布如圖1所示?？梢?，在不同高度上，最大切向風(fēng)速總是在半徑1/2左右的位置。

圖2為EF2級龍卷風(fēng)(最大半徑Rmax=50 m)半徑為35 m處，切向風(fēng)速和徑向風(fēng)速沿高度的分布。可以看出，徑向風(fēng)速只在靠近地面時較大，而在離地較高位置很小，且在各高度位置，徑向風(fēng)速相對于切向風(fēng)速都很小。因此，本文主要考慮龍卷風(fēng)切向風(fēng)速對輸電塔結(jié)構(gòu)的作用。

2 輸電鐵塔有限元模型

以某110 kV線路直線型鐵塔為研究對象。鐵塔塔高為38.7 m，呼高為28 m，如圖3a)所示；輸電塔各桿件采用Q235鋼，其許用強(qiáng)度和穩(wěn)定應(yīng)力值為215 MPa。根據(jù)橫隔位置將結(jié)構(gòu)分為14段，如圖3b)所示。用ANSYS有限元軟件建立輸電鐵塔有限元數(shù)值模型，包括212個關(guān)鍵點，2 075個節(jié)點和1 242個單元。其塔身輔材、斜材、主材、橫隔層等形式均為等邊角鋼，且角鋼截面尺寸隨著高度增加逐漸減小。采用Beam188三維梁單元進(jìn)行桿件的模擬。

3 輸電鐵塔在EF2級龍卷風(fēng)作用下的響應(yīng)研究

根據(jù)DL/T 5154—2012架空輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定[11]的要求計算輸電鐵塔各桿件和輸電線所受風(fēng)荷載，并平分到兩端節(jié)點上。其中，由于所提取的龍卷風(fēng)風(fēng)場已考慮高度變化對風(fēng)速和基本風(fēng)壓的影響，故將風(fēng)壓高度變化系數(shù)取為1。

3.1 最不利位置的確定

由圖1可知，在不同的半徑下，龍卷風(fēng)會具有不同的風(fēng)速譜，以輸電塔響應(yīng)(塔頂位移和支座彎矩)最大時所對應(yīng)的龍卷風(fēng)半徑為其最不利位置。取在龍卷風(fēng)60°風(fēng)向角下的最不利位置對應(yīng)的風(fēng)速譜進(jìn)行計算，如表1所示。

表1 EF2級龍卷風(fēng)下輸電塔最不利位置的確定

由表1可見，隨著龍卷風(fēng)半徑的增加，輸電塔塔頂位移與塔腳支座彎矩呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)龍卷風(fēng)半徑為30 m時輸電塔的響應(yīng)達(dá)到最大值，故其最不利作用半徑為30 m。

3.2 輸電塔塔頂位移分析

繪制輸電塔在龍卷風(fēng)最不利半徑下，各角度風(fēng)時的塔頂位移圖，匯總?cè)绫?所示。

表2 EF2級龍卷風(fēng)各風(fēng)向角時輸電鐵塔塔頂位移

根據(jù)GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范[12]規(guī)定，該110 kV鐵塔屬于懸垂直線自立式桿塔，高度為38.7 m，撓度限值為116.1 mm。該鐵塔在EF2級龍卷風(fēng)作用下塔頂位移超過規(guī)范要求，不滿足剛度條件；而在60°風(fēng)向角時塔頂位移最大，此時鐵塔的破壞最為嚴(yán)重。

3.3 輸電塔強(qiáng)度應(yīng)力分析

繪制輸電塔在龍卷風(fēng)最不利半徑下各角度風(fēng)時正面塔腿的強(qiáng)度應(yīng)力云圖，如圖4～圖7所示。

由強(qiáng)度應(yīng)力云圖可以看出，左側(cè)塔腿大部分主材受拉力，而右側(cè)塔腿大部分主材受壓力，且壓應(yīng)力峰值高于拉應(yīng)力峰值。輸電塔中下段塔腿的強(qiáng)度應(yīng)力值相對較大，強(qiáng)度破壞易在中下塔段產(chǎn)生。

將各角度龍卷風(fēng)下各塔段的最大強(qiáng)度應(yīng)力進(jìn)行對比，如圖8所示。

在龍卷風(fēng)四種風(fēng)向角作用下，輸電鐵塔主材桿件強(qiáng)度應(yīng)力隨高度的變化規(guī)律基本相同，隨高度增加整體呈先增大后減小的趨勢，應(yīng)力均在第2塔段處達(dá)到最大值。45°和60°風(fēng)向角時的強(qiáng)度應(yīng)力差別不大，而其最大值已達(dá)到或超過許用應(yīng)力值215 MPa；在60°風(fēng)向角時各塔段強(qiáng)度應(yīng)力最大，此時輸電鐵塔處于最危險狀態(tài)。主材桿件可能會遭到強(qiáng)度破壞；0°和90°風(fēng)向角時的強(qiáng)度應(yīng)力相對較小，較為安全。

3.4 輸電塔穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范[12]、GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[13]，輸電塔結(jié)構(gòu)受外荷載作用時，主材桿件主要承受軸向壓力和彎矩的共同作用，這些桿件可能存在局部失穩(wěn)情況，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。

針對不同角度風(fēng)下主材的承載力情況，取各塔段壓力最大的主材進(jìn)行比較。分別驗算14個塔段各主材在EF2級龍卷風(fēng)作用下的穩(wěn)定應(yīng)力。以結(jié)果最大值為代表數(shù)據(jù)，并將各角度風(fēng)下輸電塔各塔段主材的最大穩(wěn)定應(yīng)力進(jìn)行對比，如圖9所示。

輸電鐵塔在各角度EF2級龍卷風(fēng)作用下的穩(wěn)定應(yīng)力變化規(guī)律基本相同。應(yīng)力值隨高度增加整體呈先增大后減小的趨勢，而中下塔段失穩(wěn)破壞較為嚴(yán)重。主材的穩(wěn)定應(yīng)力高出強(qiáng)度應(yīng)力值75%左右，應(yīng)更為關(guān)注輸電鐵塔的穩(wěn)定性。在45°和60°風(fēng)向角時第二塔段穩(wěn)定應(yīng)力值超出許用值75%以上。因60°風(fēng)向角時輸電鐵塔的失穩(wěn)破壞最為嚴(yán)重，故宜按60°風(fēng)向角作用的情況進(jìn)行輸電塔設(shè)計和穩(wěn)定性校核。

4 結(jié)語

1)由于在不同的半徑下，龍卷風(fēng)具有不同的風(fēng)速譜，故應(yīng)選擇使得輸電鐵塔響應(yīng)最大的龍卷風(fēng)半徑進(jìn)行加載和計算；2)輸電鐵塔中下段的強(qiáng)度應(yīng)力和穩(wěn)定應(yīng)力較大，強(qiáng)度和失穩(wěn)的破壞易在中下塔段產(chǎn)生，應(yīng)對第1～5塔段進(jìn)行一定程度的加固；3)輸電鐵塔在EF2級龍卷風(fēng)四種風(fēng)向角時的塔頂位移均超出限值要求，應(yīng)關(guān)注剛度破壞對輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的影響；4)相對于0°和90°角度風(fēng)而言，斜向風(fēng)對結(jié)構(gòu)更為不利。以現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和校驗要求來看，塔身的部分主材在斜向風(fēng)下易發(fā)生應(yīng)力超標(biāo)現(xiàn)象；5)輸電鐵塔的穩(wěn)定應(yīng)力高于強(qiáng)度應(yīng)力。應(yīng)更為關(guān)注結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可通過調(diào)整鋼材型號，提高所用鋼材的屈服強(qiáng)度等方式提高其穩(wěn)定性，避免遭受失穩(wěn)破壞。