袁剛

（國網(wǎng)冀北電力有限公司秦皇島供電公司,河北 秦皇島 066000）

輸電塔線體系是輸電線路的主干線，是高負(fù)荷電能輸送的載體，也是重要的生命線工程。與一般的工程結(jié)構(gòu)相比，兼有高聳結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)，對(duì)風(fēng)荷載等災(zāi)害荷載反應(yīng)敏感，容易發(fā)生振動(dòng)疲勞損傷和極端條件下的倒塌破壞。由于塔線體系輕質(zhì)、高柔、小阻尼的特性，其風(fēng)損和風(fēng)毀在世界各地頻發(fā)，給各國帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為保證塔線體系的安全性與可靠性，研究風(fēng)荷載作用下各種因素對(duì)塔線體系動(dòng)力響應(yīng)的影響具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

塔線體系是由輸電塔、導(dǎo)地線、絕緣子串等組成的復(fù)雜空間耦聯(lián)體系，導(dǎo)地線的振動(dòng)具有較強(qiáng)的幾何非線性及密集模態(tài)的特點(diǎn)，其動(dòng)力行為對(duì)輸電塔的風(fēng)振響應(yīng)影響顯著。針對(duì)塔線耦聯(lián)效應(yīng)對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)的影響，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量的試驗(yàn)研究與理論分析。通過五塔四線耦聯(lián)模型風(fēng)洞試驗(yàn)揭示了塔線耦聯(lián)體系的風(fēng)荷載傳遞機(jī)制，研究表明導(dǎo)線及絕緣子的振動(dòng)對(duì)輸電塔具有重要影響，隨著風(fēng)速的增加，導(dǎo)線高階振型對(duì)振動(dòng)能量的貢獻(xiàn)增大。對(duì)比了單塔與塔線體系完全氣彈模型在多個(gè)風(fēng)向角、多級(jí)風(fēng)速下的風(fēng)洞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)塔線體系的風(fēng)致振動(dòng)具有非線性內(nèi)共振的特點(diǎn)，導(dǎo)地線的存在使得塔線體系的位移和應(yīng)力響應(yīng)比單塔時(shí)的顯著增大。通過單塔和一塔雙線體系風(fēng)洞試驗(yàn)研究，得出輸電塔的響應(yīng)可分解為共振響應(yīng)與背景響應(yīng)，通過分析塔線耦合作用對(duì)兩部分分量的影響，揭示了塔線體系的風(fēng)振響應(yīng)特性。兩種求解塔線耦聯(lián)體系在平面動(dòng)力特性的計(jì)算模型，分析了塔線跨數(shù)、邊界條件、導(dǎo)線的質(zhì)量和垂跨比對(duì)塔線體系在平面動(dòng)力特性的影響，探討了塔線耦聯(lián)對(duì)輸電塔和導(dǎo)線振型的影響。提出了塔線體系多質(zhì)點(diǎn)模型，利用能量原理建立了塔線體系動(dòng)力分析方法，結(jié)合大量理論分析和試驗(yàn)研究，提出了可供工程應(yīng)用的塔線體系簡化抗震設(shè)計(jì)實(shí)用計(jì)算方法。提出了塔線體系非線性耦合振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，研究了導(dǎo)線的耦合振動(dòng)特性和能量傳遞機(jī)理。張琳琳等研究了三塔兩線模型的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)果表明，塔線耦聯(lián)效應(yīng)可使該輸電塔順風(fēng)向動(dòng)力反應(yīng)較規(guī)范擬靜力分析明顯增加。大量的研究表明，塔線耦聯(lián)效應(yīng)對(duì)塔線體系有重要影響，設(shè)計(jì)中不可忽略這種作用。

一、輸電塔有限元模型的建立

塔高46.95m，呼高40m。如圖1 所示，鐵塔由單角鋼用螺栓偏心連接而成，角鋼截面為“L”型，鐵塔輔材采用Q235 鋼，主材采用Q345 鋼，采用23 種不同截面規(guī)格角鋼，角鋼材料參數(shù)如表1所示。在有限元模擬軟件ABAQUS中，將鐵塔模型建立完成。

表1 角鋼材料參數(shù) 導(dǎo)出到

二、風(fēng)場(chǎng)模擬

風(fēng)荷載計(jì)算采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)中規(guī)定的方法，如下式：

ωK=βZμSμZω0

ω0=v2/1 600

式中：ωK 為桿塔塔身或橫擔(dān)風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值（KN）；βZ 為z 高度處的風(fēng)振系數(shù)，取1.67；μS 為風(fēng)荷載體型系數(shù)，取2.6；μZ 為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.17；ω0 為基本風(fēng)壓（KN/m2）；v 取30 m/s、40m/s。

在加載時(shí)具體計(jì)算塔身結(jié)構(gòu)構(gòu)件迎風(fēng)面的投影面積，將風(fēng)荷載轉(zhuǎn)換為風(fēng)壓，平均的分配到每段塔迎風(fēng)桿件節(jié)點(diǎn)上。

三、風(fēng)速40 m/s 時(shí)輸電塔靜力響應(yīng)分析

鐵塔倒塌的過程如下：如圖2 所示，輸電塔在風(fēng)速為40m/s 的風(fēng)荷載持續(xù)施加下，經(jīng)歷了13.3s 最終破壞。風(fēng)荷載加載到5s 時(shí)，塔身情況如圖2（a）所示，塔身輕微傾斜，塔身內(nèi)部最大應(yīng)力達(dá)到34.12MPa；在10s 時(shí)，如圖2（b）所示，塔身傾斜明顯，最大應(yīng)力出現(xiàn)在塔身中段主材，為140.4MPa，直至13.3s，如圖2（c）所示，塔腳與塔身連接處背風(fēng)面主材達(dá)到550MPa 屈服應(yīng)力，桿件發(fā)生失穩(wěn)破壞，其附近的桿件相繼失穩(wěn)破壞，輸電塔最終失去承載力，塔身主材及輔材發(fā)生大范圍破壞，最終無法繼續(xù)承受風(fēng)荷載發(fā)倒塌。

根據(jù)圖3 所示，可以看出塔腳、塔身、塔頂三點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化。塔頂位移隨時(shí)間變化最大，在輸電塔失去承載力時(shí)，塔頂位移達(dá)到780.72mm。其次是塔身，位移達(dá)到260.81mm，最后是塔腳，破壞時(shí)位移只有10.66mm。

迎風(fēng)面三點(diǎn)的應(yīng)力，與50m/s 風(fēng)速工況對(duì)比，三點(diǎn)應(yīng)力變化情況差異不大。塔頂應(yīng)力最大達(dá)到19.81MPa，塔身中點(diǎn)在0～13s 過程中，應(yīng)力隨荷載的持續(xù)施加逐漸增大，到144.93MPa，在第13s 至破壞過程中應(yīng)力變化不大，甚至稍有減小。塔腳應(yīng)力在0～10s 過程中與塔身中點(diǎn)相似，應(yīng)力逐漸增大到161MPa，隨后應(yīng)力突然增大，直到261MPa，并未達(dá)到屈服強(qiáng)度。塔頂應(yīng)力最大至6.28MPa，塔身中點(diǎn)背風(fēng)面應(yīng)力與迎風(fēng)面變化類似，0～13s 逐漸增大至146.96MPa，而后變化不大，塔腳處應(yīng)力在0～13s 內(nèi)由0MPa 增至2.78MPa，而后應(yīng)力在3.3s 內(nèi)突然增大，直到366.76MPa。原因與分析50m/s 工況時(shí)相似，可能因?yàn)閼?yīng)力集中。

四、導(dǎo)地線初始張力

我國規(guī)范規(guī)定，導(dǎo)線和地線的設(shè)計(jì)安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5，考慮接頭等降低導(dǎo)線強(qiáng)度的因素，導(dǎo)地線的最大許用張力為

式中：T 為導(dǎo)地線的最大許用張力，Tp 為導(dǎo)地線的計(jì)算拉斷力，kc 為導(dǎo)地線的安全系數(shù)，0.95 為考慮導(dǎo)線接頭等強(qiáng)度降低的因數(shù)。

導(dǎo)地線的初始形態(tài)會(huì)隨初始張力的變化而改變，建立有限元模型時(shí)，需要根據(jù)導(dǎo)地線的初始張力進(jìn)行循環(huán)找形。在實(shí)際施工及運(yùn)營過程中，導(dǎo)地線的初始張力與其設(shè)計(jì)張力必然有所偏差，因而有必要研究初始張力變化對(duì)塔線體系動(dòng)力響應(yīng)的影響。

本節(jié)以圖3 所示的塔線耦聯(lián)模型為基本模型，該模型導(dǎo)地線的設(shè)計(jì)安全系數(shù)取4.0，單根導(dǎo)線的計(jì)算拉斷力為143.93kN，初始張力為35.98kN，單根地線的計(jì)算拉斷力為58.04kN，初始張力為9.92kN。以基本模型為基礎(chǔ)，建立導(dǎo)地線初始張力增大30%的塔線耦聯(lián)模型1 和導(dǎo)地線初始張力減小30%的塔線耦聯(lián)模型2，對(duì)上述模型施加基本風(fēng)速為20m/s 的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程進(jìn)行動(dòng)力分析。

五、結(jié)語

背風(fēng)面主要受壓，這時(shí)的主材承受軸向壓縮，橫截面尺寸發(fā)生突然改變致使截面上應(yīng)力不再均勻分布。同時(shí)從云圖中可以分析出，有桿件達(dá)極限屈服應(yīng)力，最終發(fā)生破壞。所以，在后續(xù)的加固工作中，應(yīng)格外關(guān)注塔腿與塔身連接部分。