劉榮見，余文永，展 語

(1.云南電網(wǎng)有限責任公司，云南 昆明 650011;2.云南恒安電力工程有限公司，云南 昆明 650011;3.昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650011)

0 引言

傳統(tǒng)輸電鐵塔造型單一，美觀性與環(huán)境協(xié)調(diào)性較差，對城鎮(zhèn)、風景區(qū)等環(huán)境美觀會造成一定影響。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，輸電線路結(jié)構(gòu)造型也在不斷改進和發(fā)展。為使輸電塔能融入環(huán)境之中，逐漸提出了景觀輸電塔的概念。張子富等[1]提出現(xiàn)代架空輸電鐵塔設(shè)計準則在滿足安全與經(jīng)濟的要求之外，尚應盡量減少鐵塔外觀造型對環(huán)境造成的不良影響。在輸電塔結(jié)構(gòu)設(shè)計中，風荷載是主要考慮的外部荷載。Davenport[2]通過在不同地點、不同高度測出的強風記錄進行分析后，提出了脈動風速功率譜的概念；鄧洪洲等[3]對塔身高聳和導地線大跨越距離的輸電塔在隨機風荷載作用下的風振響應做了研究；樓文娟等[4]對沿海地區(qū)臺風風場下輸電塔的風荷載取值進行了研究。目前對景觀輸電塔的研究較少，本文對110 kV彈弓型景觀輸電塔使用SAP2000有限元軟件分析了該輸電塔的自振頻率、振型等動力特性及風荷載時程作用下的動力響應，結(jié)合理論公式計算了該結(jié)構(gòu)的順風向風振系數(shù)，并與《架空輸電線路荷載規(guī)范》[5]計算值進行了比較。

1 風振系數(shù)計算方法

1.1 現(xiàn)行規(guī)范風振系數(shù)計算方法

風振系數(shù)又稱風荷載調(diào)整系數(shù)。根據(jù)《架空輸電線路荷載規(guī)范》規(guī)定，桿塔的風振系數(shù)βz宜根據(jù)高度分段按下式進行計算：

(1)

其中，g為峰值因子，取2.5；I10為10 m高度處湍流密度，對應A，B，C和D類地面粗糙程度，可分別取0.12，0.14，0.23，0.39；Bzi為背景因子；R為脈動風荷載的共振分量因子。

1.2 風振系數(shù)理論計算方法

自然風對結(jié)構(gòu)的荷載作用包括靜力風荷載和動力風荷載兩部分，在設(shè)計過程中一般使用風振系數(shù)將不同高度處的動力風荷載轉(zhuǎn)換成靜力荷載，再施加在節(jié)點上模擬動風荷載。風振系數(shù)的表達式為[6]：

(2)

某高度z處等效靜力荷載：

其中，μs(z),μz(z)分別為z高度處體型系數(shù)和風壓高度變化系數(shù)；w0為基本風壓，此工況取0.3 kN/m2；A(z)為z高度處迎風面積;mi為各質(zhì)點質(zhì)量；wi為第i階振型的圓頻率；qi為第i階模態(tài)的廣義坐標。

上述公式作為簡化計算方法，適用于質(zhì)量、外形及剛度在高度范圍內(nèi)規(guī)則變化的結(jié)構(gòu)。本110 kV高壓輸電塔跟傳統(tǒng)輸電鐵塔的質(zhì)量分布及結(jié)構(gòu)具有明顯差異，為保證結(jié)構(gòu)的安全性，使用有限元建模進行時程分析，并根據(jù)分析結(jié)果計算風振系數(shù)。

2 輸電塔風振時程分析

2.1 彈弓輸電塔模型

110 kV彈弓型景觀輸電塔，塔身總高度41 m，采用Q345空心圓鋼管，塔桿底部到分叉處(0 m～25 m段)鋼管外徑為2.0 m，壁厚均為30 mm；25 m高度處分叉，與豎向夾角角度32°，分叉后截面為半圓形空心圓鋼管，直徑從分叉處到塔桿頂部由1.8 m減小到1 m，壁厚均為22 mm。在SAP2000建立的塔桿采用梁單元，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

2.2 風速時程及風速譜

本文依據(jù)AR理論模型[7-8]，運用MATLAB仿真軟件模擬出10 m高度處脈動風速時程曲線，如圖2所示。脈動風主要參數(shù)：基本風速為20 m/s，回歸階數(shù)為4，模擬時程為200 s。圖3為模擬譜-目標譜擬合曲線，從圖中可看出模擬風速的功率譜密度曲線與目標風速功率譜密度吻合度較高。

2.3 輸電塔動力特性

由SAP2000分析得到輸電塔的前3階振型如圖4所示，自振周期見表1。第1振型為x向平動，第2振型為y向平動，第3振型為繞z軸轉(zhuǎn)動。

表1 彈弓型輸電塔各振型頻率和周期

3 風振系數(shù)計算與對比

基于彈弓型輸電塔的風振時程分析結(jié)果，由式(1)及《架空輸電線路荷載規(guī)范》計算出各高度處的0°風向角風振系數(shù)，并與有限元的理論計算值對比了誤差，如表2所示。

表2 彈弓型輸電塔各高度風振系數(shù)

從表2可看出，0 m～25 m高度范圍內(nèi)，風振系數(shù)隨著高度的增加而增大；25 m在分叉處，由于質(zhì)量和剛度發(fā)生減小突變，導致該點處風振系數(shù)發(fā)生較大的減小突變。輸電塔上端分叉部分隨著高度的不斷增加，其在風荷載作用下的廣義位移繼續(xù)呈現(xiàn)隨高度增加而增大的趨勢，其風振系數(shù)也繼續(xù)隨高度增加而增大。除了高度為5 m處理論計算風振系數(shù)與規(guī)范計算結(jié)果較為接近外，其他高度處相差較大，相差范圍為29%～85%(見圖5)。

從圖5中可以看出，架空輸電線路荷載規(guī)范的風振系數(shù)計算值與理論計算值變化趨勢相同，自下而上逐漸增大；除5 m高度處風振系數(shù)規(guī)范計算值和理論計算值相近外，其他高度處風振系數(shù)規(guī)范計算值均小于理論計算值，故在實際的設(shè)計過程用規(guī)范設(shè)計值不太安全；在25 m處，分叉后輸電塔的剛度和質(zhì)量突然減小，風振系數(shù)在此處達到最大值，理論值和規(guī)范計算值在計算結(jié)果上均體現(xiàn)了這個特征[9]。

4 結(jié)語

該輸電塔結(jié)構(gòu)振型及動力響應較為合理。由于輸電塔分叉后迎風面積突然減小，質(zhì)量和剛度發(fā)生突變，使用規(guī)范進行計算時不能充分考慮這一影響，導致按照規(guī)范計算所得風振系數(shù)出現(xiàn)突變減小，并且理論計算值均遠大于規(guī)范計算值，使用規(guī)范計算值所計算出的風荷載偏小，導致結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于不安全。建議在設(shè)計中采用理論計算值而不采用規(guī)范計算值。