郭旭坤，楊青順

(青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海 西寧 810016)

青海至河南“西電東送”工程的實(shí)施是特高壓電網(wǎng)解決遠(yuǎn)距離輸電中電能損耗的最佳方案，也是實(shí)現(xiàn)西部資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的主要舉措，輸電鐵塔是電路輸送的關(guān)鍵，對(duì)地震作用十分敏感，高烈度地區(qū)地震作用下輸電鐵塔的倒塌會(huì)影響整個(gè)“西電東送”項(xiàng)目的正常運(yùn)行甚至產(chǎn)生二次危害[1-3]。

近年來，逐漸完善的有限元模擬軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)模擬分析時(shí)，能夠得到盡可能符合真實(shí)情況下的結(jié)構(gòu)受力情況，因此，基于有限元模擬對(duì)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下的影響分析十分重要。趙滇生[4]利用有限元軟件對(duì)一座500 kV輸電鐵塔的5種計(jì)算模型進(jìn)行了研究，通過高階模態(tài)分析給出不同模型動(dòng)力特性下的特點(diǎn)和適用范圍。Ghobarah等[5]通過桁架單元及節(jié)點(diǎn)單元建立輸電鐵塔的力學(xué)模型和纜索，研究了地震波的傳播速度對(duì)輸電線路的非線性幾何分析，得到地震波的傳播速度對(duì)輸電鐵塔地震作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析具有很大影響。岳茂光等[6]在塔—線體系有限元模型上對(duì)輸入行波與一致地震動(dòng)進(jìn)行非線性時(shí)程分析，得到行波對(duì)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)情況。李澤[7]對(duì)大跨越的輸電鐵塔體系進(jìn)行地震響應(yīng)分析時(shí)充分考慮了體系地震動(dòng)輸入的非一致性，并結(jié)合實(shí)際工程研究地震輸入、不同方向地震工況的研究、導(dǎo)線及地線等對(duì)地震響應(yīng)的影響。

青海省有很多橫跨高烈度地區(qū)的特高壓輸電鐵塔,本文以一座1 000 kV特高壓雙回路SZT2直線型輸電鐵塔為研究對(duì)象，對(duì)輸電鐵塔在8度罕遇地震作用下的穩(wěn)定性和強(qiáng)度進(jìn)行有限元模擬分析，根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則對(duì)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)應(yīng)力百分比最大薄弱部位進(jìn)行損傷評(píng)價(jià)，為高烈度地區(qū)特高壓輸電鐵塔的抗震設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程背景

本文以一座1 000 kV特高壓雙回路SZT2直線型輸電鐵塔為研究對(duì)象，該塔屬空間桁架鋼管塔結(jié)構(gòu)，具有相對(duì)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，在超高壓輸電塔中應(yīng)用較為廣泛[8]。SZT2輸電鐵塔根開16.67 m，單塔呼高48 m，全塔總高93.4 m，塔腿斜材、橫擔(dān)受拉材采用Q235B鋼材，其余塔身采用Q345B鋼材，塔身均為無縫鋼管連接，且僅在橫擔(dān)的斜材以及輔材處采用等邊角鋼構(gòu)件。其中Q235B及Q345B鋼材屬性為彈性模量216×1011Pa，密度7.857 kg/m3，泊松比ν=0.3。

2 SZT2輸電鐵塔有限元模擬

2.1 有限元模型建立

運(yùn)用非線性有限元軟件Marc建立SZT2輸電鐵塔模型，其中桿件單元采用四節(jié)點(diǎn)四邊形75號(hào)殼單元建立，圓鋼構(gòu)件和角鋼構(gòu)件分別采用矩形和相互垂直的矩形單元等效代換，節(jié)點(diǎn)全部采用剛接，全塔共記14 435個(gè)網(wǎng)格數(shù)，其中有7 899個(gè)節(jié)點(diǎn)，6 536個(gè)單元。由于結(jié)構(gòu)的破壞是從非線性階段開始的[9]，在考慮非線性的基礎(chǔ)上本文采用的材料模型本構(gòu)關(guān)系為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BKIN)，該材料模型假定材料為均勻分布、各項(xiàng)同性，服從 Mises 屈服準(zhǔn)則。在考慮地面和塔體接觸位置的絕對(duì)約束下，對(duì)輸電鐵塔四個(gè)腿部接地節(jié)點(diǎn)施加x、y、z三個(gè)方向的約束，其余部位不施加任何約束，有限元模型見圖1。

圖1 SZT2輸電鐵塔模型圖Fig.1 Model diagram of SZT2 transmission tower

2.2 模型模態(tài)分析驗(yàn)證

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法，每一階模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼和模態(tài)振型。在Marc有限元軟件與Sap 2000計(jì)算軟件中對(duì)SZT2輸電鐵塔分別建立有限元模型，選取模型前20階振動(dòng)模態(tài)的頻率和周期以對(duì)比驗(yàn)證模型建立是否正確，結(jié)果見表1。

由表1可知，SZT2輸電鐵塔前20階模態(tài)中Marc有限元軟件與Sap 2000計(jì)算軟件模態(tài)分析結(jié)果相對(duì)誤差在15%以內(nèi)，這說明有限元模型在動(dòng)力特性上符合要求。該塔在模態(tài)分析1～17階均呈現(xiàn)整體平動(dòng)和塔身的扭轉(zhuǎn)。

表1 SZT2輸電鐵塔前20階模態(tài)對(duì)比

SZT2輸電鐵塔第18～20階振型如圖2所示。

圖2 SZT2輸電鐵塔第18～第20階振型Fig.2 18th-20th vibration modes of SZT2 transmission tower

如圖2所示，SZT2輸電鐵塔從第18階開始由于塔身下部至塔腿部位缺乏必要的幾何支撐出現(xiàn)局部振動(dòng)，使得局部振型出現(xiàn)過早，由此表明該塔塔身下部至塔腿范圍為薄弱部位，存在一定安全隱患，在實(shí)際工程中可能因?yàn)榈卣鹱饔靡鸬顾茐摹?/p>

2.3 數(shù)據(jù)點(diǎn)采集及地震波選擇

2.3.1 模型數(shù)據(jù)點(diǎn)采集 根據(jù)模型模態(tài)分析的變形情況設(shè)置20個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)(圖3)。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)1設(shè)置在SZT2輸電鐵塔的塔腿位置，能夠檢測(cè)到塔腿的變形及受力情況；數(shù)據(jù)采集點(diǎn)2，3，6，8，11，13，16，20設(shè)置在SZT2輸電鐵塔主材與橫擔(dān)連接的位置上，采集該塔的主要受力構(gòu)件數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集點(diǎn)4，5，7，9，10，12，14，15，17，18設(shè)置在SZT2輸電鐵塔的橫擔(dān)部位，能夠?qū)υ撍现邢虏课粰M擔(dān)的受力情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)采集點(diǎn)19設(shè)在塔頭橫材，采集塔頭的受力情況。

2.3.2 基本荷載施加及地震波選取 根據(jù)規(guī)范[10-11]，風(fēng)荷載通過計(jì)算以面積力的形式施加在SZT2輸電鐵塔的弱側(cè)；重力荷載通過體積力沿z軸負(fù)向施加在整個(gè)SZT2輸電鐵塔上；導(dǎo)線及地線荷載如圖4所示。由于本文中SZT2輸電鐵塔有限元模型是一個(gè)無導(dǎo)線的單塔模型，依據(jù)文獻(xiàn)[12]中提出的附加質(zhì)量法添加導(dǎo)線荷載時(shí)，只考慮輸電線的自重而不考慮其他作用如斜拉力等，每個(gè)橫擔(dān)的一側(cè)有2個(gè)掛線點(diǎn)，圖中所有掛線點(diǎn)均分為前后兩個(gè)。

根據(jù)地震波的選取原則[13]與青海省高烈度地區(qū)所處的場(chǎng)地類型，最終選擇中硬場(chǎng)地下地震，設(shè)防烈度為8度。設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為II類，特征周期為0.4 s，場(chǎng)地指數(shù)為0.5，水平地震影響系數(shù)最大值為0.45，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20 g。根據(jù)目標(biāo)反應(yīng)譜選取7條罕遇地震波進(jìn)行調(diào)幅計(jì)算，目標(biāo)反應(yīng)譜及設(shè)計(jì)反應(yīng)譜如圖5所示。

圖3數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位置圖Fig.3Location of data collection points圖4導(dǎo)線及地線荷載圖Fig.4Loading diagram of conductor and ground wire圖5目標(biāo)反應(yīng)譜及設(shè)計(jì)反應(yīng)譜Fig.5Target response spectrum and design response spectrum

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

將符合條件的地震波導(dǎo)入Marc有限元軟件進(jìn)行調(diào)幅計(jì)算，分別對(duì)7條地震波進(jìn)行有限元?jiǎng)討B(tài)模擬，得到不同地震工況下SZT2輸電鐵塔的Mises應(yīng)力云圖及應(yīng)力百分比折線圖(圖6)。從圖6可以看出，不同地震工況下Mises應(yīng)力云圖受力較大的構(gòu)件相對(duì)集中在塔身下部，因此對(duì)塔身下部主材的加固是保證輸電鐵塔整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵。從Mises應(yīng)力百分比折線圖可知，7個(gè)地震工況下20個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的變化趨勢(shì)基本一致，但在數(shù)據(jù)采集點(diǎn)1，2，3三個(gè)構(gòu)件上的Mises應(yīng)力百分比出現(xiàn)了超出材料允許應(yīng)力的工況，這可能會(huì)成為該塔的薄弱構(gòu)件，從而造成輸電鐵塔在地震作用下的失穩(wěn)倒塌。

圖6 7個(gè)地震工況下SZT2輸電鐵塔Mises應(yīng)力云圖及應(yīng)力百分比折線圖Fig.6 Mises stress nephogram and stress percentage line chart of SZT2 transmission tower under 7 earthquakes

為避免個(gè)別地震波的偶然性，根據(jù)規(guī)范[1]采取7組時(shí)程波計(jì)算時(shí)，可取7組計(jì)算結(jié)果的平均值為最終計(jì)算結(jié)果來驗(yàn)證SZT2輸電鐵塔在地震作用后是否能夠維持正常安全運(yùn)行。因此，在Marc有限元軟件計(jì)算結(jié)果的后處理文件中得到20個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的平均Mises應(yīng)力、穩(wěn)定系數(shù)、強(qiáng)度折減系數(shù)、材料強(qiáng)度、允許應(yīng)力及應(yīng)力百分比如表2所示。

表2 地震作用下各采集點(diǎn)數(shù)據(jù)

由表2可知，平均Mises應(yīng)力最大的構(gòu)件位于數(shù)據(jù)采集點(diǎn)2，為315.57 MPa。在8度罕遇地震工況下，SZT2輸電鐵塔的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)1，2，3最終成為該塔的薄弱構(gòu)件，均超出了強(qiáng)度折減系數(shù)及穩(wěn)定系數(shù)的應(yīng)力百分比，超過了材料允許的極限承載力。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)1位于SZT2輸電鐵塔的塔腿，由于塔腿四周缺乏必要的幾何支撐，在地震作用下發(fā)生嚴(yán)重的壓彎變形；數(shù)據(jù)采集點(diǎn)2，3是SZT2輸電鐵塔在變坡度相鄰兩橫隔斷的主材，地震作用下重量相對(duì)較大的塔身變坡度上部與塔身變坡度下部產(chǎn)生了相對(duì)偏心的受力，導(dǎo)致兩個(gè)主材段發(fā)生了嚴(yán)重的壓彎變形。為保證SZT2輸電鐵塔能夠不因強(qiáng)烈地震發(fā)生倒塌破壞，對(duì)塔身下部及薄弱構(gòu)件實(shí)行加固措施十分重要。

4 討論與結(jié)論

本文通過Marc有限元軟件建立SZT2輸電鐵塔有限元模型，在7條8度罕遇地震時(shí)程工況以及SZT2輸電鐵塔自重和風(fēng)載的共同作用下，設(shè)置數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，找出該塔Mises應(yīng)力百分比最大薄弱部位。對(duì)薄弱部位進(jìn)行損傷研究，得到結(jié)論如下：

(1)SZT2輸電鐵塔由于塔身下部缺乏必要支撐與約束導(dǎo)致該塔局部振型出現(xiàn)過早，存在一定安全隱患。

(2)SZT2輸電鐵塔塔身變截面的相鄰主材及塔腿主材構(gòu)件為薄弱構(gòu)件，均出現(xiàn)超出材料允許應(yīng)力的情況，是罕遇地震工況下該塔倒塌破壞的主要原因。

與王金龍[14]用單質(zhì)點(diǎn)體系的地震響應(yīng)理論來模擬輸電鐵塔的整體穩(wěn)定性相比，本研究考慮了輸電鐵塔自重、導(dǎo)線荷載、風(fēng)載等對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件帶來的綜合影響。但由于地震作用下高烈度地區(qū)特高壓輸電鐵塔穩(wěn)定性分析與加固方法的缺乏，該模擬試驗(yàn)還有待進(jìn)一步的研究。