劉榮見，余文永，梁一榮

(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

輸電塔作為傳送電能特殊結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟社會發(fā)展的重要生命線工程，在我國由風載所引起倒塌的事故后果相當嚴重。輸電塔作為風敏感較高的復雜空間耦聯(lián)高聳結(jié)構(gòu)，自振頻率與脈動風頻率較接近，易發(fā)生共振，產(chǎn)生較大位移，結(jié)構(gòu)容易損壞，因而常在結(jié)構(gòu)設(shè)計中把風荷載作為重點考慮因素，必須進行動力效應(yīng)，合理設(shè)計輸電塔結(jié)構(gòu)，以增強結(jié)構(gòu)的抗風能力。近些年來國內(nèi)外學者也對輸電塔風振系數(shù)進行研究:DAVENPORT[1]通過在不同地點、不同高度測出的強風記錄，提出了脈動風速功率譜的概念；姚劍鋒[2]對大跨越鋼管塔的風荷載和風致響應(yīng)等方面進行了詳細研究；鄧洪洲[3]對大跨越輸電塔結(jié)構(gòu)風振系數(shù)進行了深入研究；張爽[4]對±1 100 kV高壓輸電塔風振響應(yīng)及風振系數(shù)開展了研究。

傳統(tǒng)輸電塔結(jié)構(gòu)一般采用空間桁架結(jié)構(gòu)，桿件主要由角鋼、鋼板、鋼管制作，且造型單一以及占地面積較多等缺點。本文是一種對塔身桿件采用鋼管且與環(huán)境協(xié)調(diào)較好的新型景觀輸電塔。通過matlab模擬地區(qū)風荷載，對單塔結(jié)構(gòu)進行了時程分析，得到輸電塔在風荷載作用下的風振響應(yīng)，計算該輸電塔的風振系數(shù)，并將計算值與DL/T 5551—2018架空輸電線路荷載規(guī)范[5]風振系數(shù)取值進行對比以及分析造成兩者差異的原因。

1 《架空輸電線路荷載規(guī)范》風振系數(shù)計算方法

《架空輸電線路荷載規(guī)范》采用團集質(zhì)量法計算風振系數(shù)公式如下：

(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(yīng)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。

2 風振系數(shù)理論計算方法

根據(jù)風振系數(shù)的概念，結(jié)構(gòu)高度z處的風振系數(shù)表示為[6]：

(2)

3 計算實例

輸電塔為110 kV景觀輸電塔，塔高42 m，均采用Q345鋼材，塔桿采用空心方鋼管。豎向塔桿采用變截面，截面尺寸隨著高度增加逐漸變小，豎向塔桿底部截面尺寸為1.8 m×1.8 m，塔桿頂部截面尺寸為0.8 m×0.8 m，塔桿厚度為24 mm；每水平橫檔分為兩段，第一段截面尺寸從300 mm×300 mm逐漸減小到200 mm×200 mm，第二段截面尺寸再從200 mm×200 mm逐漸減小到150 mm×150 mm，壁厚均為10 mm。在有限元軟件SAP2000中建立了詳細的模型，塔桿采用梁單元。輸電鐵塔結(jié)構(gòu)方案尺寸如圖1所示。采用AR模型[7]模擬出20 km/h的風速時程及風壓時程曲線，如圖2，圖3所示。

利用SAP2000分析得到輸電塔的動力特性，前3階模態(tài)：第1振型為y向平動；第2振型為x向平動；第3振型為z軸扭轉(zhuǎn)。輸電塔各振型自振周期見表1。

表1 輸電塔各振型自振周期

輸電塔第一階自振周期T= 0.814 s，ω0=0.3 kN/m2,該塔總高42 m小于《桿塔技術(shù)規(guī)定》規(guī)定限值60 m，但其高度與根開之比大于6，故設(shè)計時采用由下到上逐段增大的風振系數(shù)值。

4 風振系數(shù)計算與對比

《架空規(guī)范》計算值與時程分析理論計算值統(tǒng)計于表2。兩種計算值誤差較大，由于本模型是單塔模型，將導、地線等效成荷載施加到輸電塔上，這種模式忽略導、地線對輸電塔的作用，包括剛度和阻尼，使輸電塔在時程分析風響應(yīng)增大，導致輸電塔風振系數(shù)增大。

表2 風振系數(shù)βz計算

由圖4可知，風振系數(shù)隨著高度逐漸增加，《架空規(guī)范》與時程分析理論計算值的差異也隨著高度逐漸增大。由于本鐵塔結(jié)構(gòu)跟規(guī)范規(guī)定的傳統(tǒng)鐵塔結(jié)構(gòu)在外形結(jié)構(gòu)上差異較大，且傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基底尺寸較大，致使兩種方法計算結(jié)果偏差較大。故《架空規(guī)范》簡化計算法適合于傳統(tǒng)輸電塔桁架結(jié)構(gòu)中差異較小，并不適用于本鐵塔結(jié)構(gòu)。此外，《架空規(guī)范》計算鐵塔風振系數(shù)時沒有考慮導線、地線等作用荷載，尤其是塔頂只考慮風荷載的作用，低估了鐵塔的位移響應(yīng)，也會使風振系數(shù)計算值較小[8]。

5 結(jié)語

以新型景觀協(xié)調(diào)的110 kV輸電塔為背景，使用SAP2000軟件建立有限元模型，在脈動風壓作用下，根據(jù)有限元軟件分析結(jié)合理論公式計算了該塔的風振系數(shù)，并與規(guī)范計算結(jié)果進行比較，得到如下結(jié)論：

1)利用SAP2000模擬0°風向角與90°風向角輸電塔得到不同位移響應(yīng)，其中模型y軸方向的剛度較低，導致模型對0°風向角的風荷載位移響應(yīng)比較大。

2)由于本鐵塔結(jié)構(gòu)跟規(guī)范規(guī)定的傳統(tǒng)鐵塔結(jié)構(gòu)在外形結(jié)構(gòu)上差異較大，且傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基底尺寸較大，致使兩種方法計算結(jié)果偏差較大。故《架空規(guī)范》簡化計算法適合于傳統(tǒng)輸電塔桁架結(jié)構(gòu)中差異較小，并不適用于本鐵塔結(jié)構(gòu)。

3)傳統(tǒng)輸電塔柱腳較寬大，而本新型景觀輸電塔柱腳較小，這將增大輸電塔在風荷載作用下的位移響應(yīng)。