張維倫 晏孝強(qiáng) 黃日星

（東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京210096）

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得全國用電量顯著增加[1]。隨著國家電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大[2]，持續(xù)穩(wěn)定用電成為保證經(jīng)濟(jì)秩序運(yùn)行的一個(gè)重要保障。作為氣象高敏感性行業(yè)，電力行業(yè)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)很大程度上受到環(huán)境氣象條件的影響。

雷暴天氣是影響輸電線路安全的重要因素之一[3]，而雷暴天氣通常伴隨著大風(fēng)。強(qiáng)風(fēng)暴對電網(wǎng)運(yùn)行構(gòu)成較大的威脅，會(huì)導(dǎo)致輸電線路停運(yùn)、斷線、倒塔等嚴(yán)重安全事故[4]。因此，避免或減輕覆冰、雷電、大風(fēng)等惡劣氣象環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)在輸電鐵塔設(shè)計(jì)工作中得到充分重視[5]。

龍卷風(fēng)是極端天氣的一種，而我國建筑規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)中尚未包含龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)的要求[6]。本文以某110kV 線路直線型鐵塔為研究對象，用ANSYS 軟件建立輸電塔有限元數(shù)值模型，計(jì)算并比較了風(fēng)向角為60°時(shí)EF1、EF2 級龍卷風(fēng)和大小為設(shè)計(jì)風(fēng)速的常規(guī)風(fēng)作用下輸電塔的響應(yīng)情況，提出了按規(guī)范進(jìn)行輸電塔設(shè)計(jì)的改進(jìn)方案。

1 強(qiáng)風(fēng)風(fēng)場結(jié)構(gòu)

強(qiáng)對流強(qiáng)風(fēng)根據(jù)氣象要素可分為颮線、龍卷風(fēng)。

龍卷風(fēng)根據(jù)其風(fēng)力及其破壞程度劃分為EF0 到EF5 共六個(gè)等級，而EF1 和EF2 級龍卷風(fēng)的發(fā)生頻率較高，故本文主要研究這兩個(gè)等級龍卷風(fēng)作用下的響應(yīng)與設(shè)計(jì)風(fēng)的對比情況。

龍卷風(fēng)的風(fēng)場結(jié)構(gòu)與常規(guī)風(fēng)完全不同[7]。國際學(xué)界對龍卷風(fēng)進(jìn)行了大量研究[8-9]，開發(fā)了各種龍卷風(fēng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模型。

r' 為模擬點(diǎn)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)為模擬點(diǎn)位置相對于最大風(fēng)速點(diǎn)無窮遠(yuǎn)時(shí)，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（）風(fēng)速分量表示為：

邊界層以下，風(fēng)速分量表示為：

圖3 和圖4 分別為EF1、EF2 級龍卷風(fēng)半徑為35m 處，切向風(fēng)速和徑向風(fēng)速沿高度的分布，由圖3 和圖4 可知，徑向風(fēng)速只在靠近地面時(shí)較大，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，本文在分析龍卷風(fēng)作用對輸電塔結(jié)構(gòu)的影響時(shí)主要考慮切向風(fēng)速的作用。

圖1 EF1 級龍卷風(fēng)不同高度切向風(fēng)速在半徑上的分布

圖2 EF2 級龍卷風(fēng)不同高度切向風(fēng)速在半徑上的分布

圖3 EF1 級龍卷風(fēng)風(fēng)速沿高度分布圖（r=35m/50m）

圖4 EF2 級龍卷風(fēng)風(fēng)速沿高度分布圖（r=35m/50m）

2 輸電鐵塔有限元模型

以某110kV 線路直線型鐵塔為研究對象，用ANSYS 軟件建立其有限元數(shù)值模型，鐵塔塔高為38.7m，呼高為28m，如圖5（a）所示；根據(jù)輸電塔橫隔位置將結(jié)構(gòu)分為14 段，如圖5（b）所示。輸電塔有限元模型包括212 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，2075 個(gè)節(jié)點(diǎn)，1242 個(gè)單元。其塔身輔材、斜材、主材、橫隔層等均為等邊角鋼，鋼材等級為Q235，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。

圖5 輸電鐵塔有限元模型及其分段示意圖

3 輸電鐵塔在龍卷風(fēng)和設(shè)計(jì)風(fēng)作用下的響應(yīng)比較研究

根據(jù)DL/T 5154-2012《架空輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[10]，分別進(jìn)行輸電鐵塔在EF1、EF2 級龍卷風(fēng)和26.5m/s 常規(guī)風(fēng)作用下的荷載計(jì)算，并取60°風(fēng)向角下的響應(yīng)進(jìn)行比較。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，故在龍卷風(fēng)工況下將風(fēng)壓高度變化系數(shù)取為1；在常規(guī)風(fēng)作用下的風(fēng)荷載計(jì)算需考慮風(fēng)壓高度變化系數(shù)的影響。

3.1 EF1、EF2 級龍卷風(fēng)和常規(guī)風(fēng)下輸電塔基本風(fēng)壓對比

將EF1、EF2 級龍卷風(fēng)和26.5m/s 常規(guī)風(fēng)作用下輸電鐵塔各塔段的基本風(fēng)壓進(jìn)行對比。如圖6 所示。由于龍卷風(fēng)風(fēng)速場已考慮高度的變化，故將風(fēng)壓高度變化系數(shù)引入常規(guī)風(fēng)的基本風(fēng)壓中，即將常規(guī)風(fēng)的μz·w0作為其基本風(fēng)壓與龍卷風(fēng)進(jìn)行比較。

圖6 常規(guī)風(fēng)和龍卷風(fēng)基本風(fēng)壓對比圖

可以看出，EF2 級龍卷風(fēng)的基本風(fēng)壓較大，而EF1 級龍卷風(fēng)的基本風(fēng)壓低于常規(guī)風(fēng)。在10m 高度處，EF2 級龍卷風(fēng)和常規(guī)風(fēng)的基本風(fēng)壓相同。

3.2 輸電鐵塔塔頂位移對比分析

繪制輸電鐵塔在EF1、EF2 級龍卷風(fēng)和26.5m/s 常規(guī)風(fēng)作用下的塔頂位移圖，匯總?cè)绫? 所示。

表1 龍卷風(fēng)和常規(guī)風(fēng)下輸電鐵塔塔頂位移對比

根據(jù)GB 50545-2010《110kV～750kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]規(guī)定，該110kV 鐵塔屬于懸垂直線自立式桿塔，其高度為38.7m，撓度限值為116.1mm。該鐵塔在EF1 級龍卷風(fēng)和常規(guī)風(fēng)作用下的塔頂位移值滿足要求，且在EF1 級龍卷風(fēng)作用下的塔頂位移相對較??；而在EF2 級龍卷風(fēng)作用下的塔頂位移超出規(guī)范要求。

3.3 輸電塔強(qiáng)度應(yīng)力對比分析

利用ANSYS 軟件分別繪制三種風(fēng)場作用下的主材強(qiáng)度應(yīng)力圖，如圖7 至圖9 所示。

圖7 60°EF1 級龍卷風(fēng)作用下強(qiáng)度應(yīng)力云圖

圖8 60°EF2 級龍卷風(fēng)作用下輸電塔強(qiáng)度應(yīng)力云圖

圖9 26.5m/s 常規(guī)風(fēng)60°風(fēng)向角下強(qiáng)度應(yīng)力云圖

由三種風(fēng)場下的強(qiáng)度應(yīng)力云圖可以看出，輸電塔左側(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?？梢灾庇^地看出，輸電塔中下段塔腿的強(qiáng)度應(yīng)力相對較大，強(qiáng)度破壞易在中下塔段產(chǎn)生。

提取強(qiáng)度應(yīng)力數(shù)據(jù)并作對比如圖10 所示。

圖10 常規(guī)風(fēng)和龍卷風(fēng)60°風(fēng)向角下強(qiáng)度應(yīng)力對比圖

輸電鐵塔在三種風(fēng)場下各塔段主材最大強(qiáng)度應(yīng)力隨高度的變化規(guī)律基本相同。其中，在EF1 級龍卷風(fēng)作用下的強(qiáng)度應(yīng)力值略低于在設(shè)計(jì)風(fēng)速線條風(fēng)（26.5m/s 常規(guī)風(fēng)）作用下的結(jié)果；用設(shè)計(jì)風(fēng)速進(jìn)行輸電塔設(shè)計(jì)可以滿足EF1 級龍卷風(fēng)的要求；而在EF2 級龍卷風(fēng)作用下的最大強(qiáng)度應(yīng)力值約比常規(guī)風(fēng)作用下的結(jié)果高167%，且略高于許用應(yīng)力值215MPa?？紤]到EF2 級龍卷風(fēng)的發(fā)生概率約為10.7%，若需提高輸電塔的安全性水平，應(yīng)適當(dāng)提高設(shè)計(jì)風(fēng)速值。

3.4 輸電鐵塔穩(wěn)定性對比分析

根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50545-2010《110kV～750kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]、GB50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]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，取壓力最大的主材計(jì)算穩(wěn)定應(yīng)力，根據(jù)14 個(gè)塔段分別驗(yàn)算14 根主材在龍卷風(fēng)作用下的穩(wěn)定性。以結(jié)果最大值為代表數(shù)據(jù)，計(jì)算受壓塔腿主材的穩(wěn)定應(yīng)力。進(jìn)行三種風(fēng)場下輸電鐵塔穩(wěn)定應(yīng)力隨高度變化規(guī)律對比分析，如圖11 所示。

圖11 常規(guī)風(fēng)和龍卷風(fēng)60°風(fēng)向角下穩(wěn)定應(yīng)力對比圖

輸電鐵塔在三種工況下穩(wěn)定應(yīng)力的變化規(guī)律較為相似，在EF1 級龍卷風(fēng)作用下的穩(wěn)定應(yīng)力略小于常規(guī)風(fēng)作用下的結(jié)果，且均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，故用設(shè)計(jì)風(fēng)速進(jìn)行輸電塔設(shè)計(jì)可以滿足EF1 級龍卷風(fēng)的要求；而在EF2 級龍卷風(fēng)作用下，輸電鐵塔中下段的失穩(wěn)破壞較為嚴(yán)重，雖然三種工況下都在第二塔段達(dá)到穩(wěn)定應(yīng)力最大值，但在EF2 級龍卷風(fēng)作用下的最大穩(wěn)定應(yīng)力遠(yuǎn)超出許用應(yīng)力215MPa。考慮到EF2 級龍卷風(fēng)的發(fā)生概率較大，應(yīng)適當(dāng)提高設(shè)計(jì)風(fēng)速值或調(diào)整鋼材型號進(jìn)行輸電塔穩(wěn)定性校核。

4 結(jié)論

4.1 輸電鐵塔在龍卷風(fēng)和與設(shè)計(jì)風(fēng)速大小相同的常規(guī)風(fēng)作用下強(qiáng)度和穩(wěn)定性隨高度的變化規(guī)律相似，用常規(guī)風(fēng)來模擬龍卷風(fēng)作用進(jìn)行輸電塔設(shè)計(jì)有一定合理性。

4.2 在EF1 級龍卷風(fēng)和26.5m/s 常規(guī)風(fēng)作用下，輸電鐵塔的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求，且在26.5m/s 常規(guī)風(fēng)作用下的響應(yīng)略高于EF1 級龍卷風(fēng)作用下的響應(yīng)，說明規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)風(fēng)速能夠滿足EF1 級龍卷風(fēng)作用的要求。

4.3 在EF2 級龍卷風(fēng)作用下輸電塔的破壞較為嚴(yán)重，不能滿足剛度和穩(wěn)定性的要求，且中下塔段主材的穩(wěn)定應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出許用值215MPa。為使輸電塔在高等級龍卷風(fēng)作用下不致發(fā)生較大損壞，應(yīng)適當(dāng)提高設(shè)計(jì)風(fēng)速值或調(diào)整鋼材型號，加大所用鋼材的屈服強(qiáng)度。