雷 強,徐再根,畢文哲,王曉陽
(1.山東電力工程咨詢院有限公司,山東 濟南 250013;2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,山東 濟南 250061)
特高壓輸電線路的安全運行關(guān)系到“西電東送、南北互供”等國家標志性工程,對于合理配置資源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1-2]。然而,特高壓輸電塔塔體高的特點給人工攀爬維修帶來了困難,攀爬機為電力工人進行檢修作業(yè)提供了一個安全、便捷的平臺,并逐漸成為300m 以下輸電塔常用的攀爬設(shè)施。攀爬機是由鋼材組成的桁架結(jié)構(gòu),并通過作業(yè)平臺永久固定附著在大跨越輸電塔上,與輸電塔共同形成一種耦合結(jié)構(gòu)。
著眼于輸電塔風(fēng)災(zāi)頻發(fā)的社會現(xiàn)實,相關(guān)學(xué)者在輸電塔-線體系抗風(fēng)方面開展了廣泛且深入的研究。Battista 等[3]分別基于時域和頻域的方法研究了模擬風(fēng)場下輸電塔-線體系的動力響應(yīng)規(guī)律和穩(wěn)定性。Okamura 等[4]通過現(xiàn)場實測獲得了山區(qū)輸電塔的風(fēng)場特性和風(fēng)振響應(yīng),并將有限元模擬得到的輸電塔風(fēng)振響應(yīng)結(jié)果與實測結(jié)果進行了對比。Yasui 等[5]研究了懸掛式和張拉式輸電塔風(fēng)振響應(yīng),總結(jié)了峰值因子等參數(shù)對體系風(fēng)振響應(yīng)的影響規(guī)律。Edgar等[6]基于不同國家規(guī)范的荷載計算方法,研究了風(fēng)荷載作用下輸電塔的承載力和災(zāi)變機理。Mara 等[7]研究了良態(tài)風(fēng)和下?lián)舯┝髯饔孟碌妮旊娝菑椥皂憫?yīng)。李宏男等[8-9]提出了一種適用于輸電塔-線體系的風(fēng)場模擬方法,研究了輸電塔在極端大風(fēng)環(huán)境下的破壞機理。李正良等[10-11]開展了雙柱懸索拉線塔的風(fēng)洞試驗,總結(jié)了風(fēng)振響應(yīng)隨風(fēng)向角和風(fēng)速的變化規(guī)律。晏致濤等[12]基于慣性荷載法提出了考慮橫擔影響的輸電塔風(fēng)荷載分布計算方法,研究了考慮局部形狀、質(zhì)量和擋風(fēng)面積的脈動風(fēng)空間相關(guān)性的修正系數(shù)。謝強等[13-15]開展了風(fēng)洞試驗分析了不同風(fēng)速下輸電塔-線體系的響應(yīng)規(guī)律,分析了非良態(tài)風(fēng)作用下輸電塔的易損性和災(zāi)變機理。
在關(guān)于攀爬機問題的研究方面,張洪波等[16]基于Modbus RTU 協(xié)議建立了控制器與驅(qū)動器的通信,簡化了輸電塔攀爬機控制系統(tǒng)。黃靈榮[17]指出了輸電線路維護檢修專用輸電塔攀爬機研究與應(yīng)用的重要性。劉芝豹[18]介紹了特高壓輸電桿塔爬壁機的結(jié)構(gòu)設(shè)計,并對其加工工藝進行了研究。單軍[19]認為將輸電塔攀爬機應(yīng)用于大跨輸電塔上,改善了作業(yè)條件,提高了工作效率。馮曉紅[20]介紹了輸電塔攀爬機的結(jié)構(gòu)形式與運行方法,分析了輸電塔攀爬機的應(yīng)用帶來的經(jīng)濟效益。由此可見,國內(nèi)外對輸電塔攀爬機的研究多集中在攀爬機的制作工藝、運行原理與實際應(yīng)用等方面,還未有關(guān)于攀爬機附屬桁架對大跨越輸電塔影響的研究,并且相關(guān)規(guī)范也未給出十分明確的理論指導(dǎo)。
針對以上的研究現(xiàn)狀,以某跨越高塔為研究對象,在SAP2000中建立了某輸電塔-攀爬機附屬桁架耦合結(jié)構(gòu)的三維有限元模型,在此基礎(chǔ)上研究攀爬機附屬桁架對大跨越輸電塔動力響應(yīng)的影響。
一般而言,順風(fēng)向效應(yīng)在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計中起著主導(dǎo)作用,故主要研究順風(fēng)力作用,其他效應(yīng)不作考慮。風(fēng)荷載的模擬分為平均風(fēng)和脈動風(fēng)兩個部分。本文中,平均風(fēng)速采用對數(shù)風(fēng)剖面及其修正公式進行計算,脈動風(fēng)速采用線性濾波法模擬,風(fēng)譜選用Kaimal 風(fēng)速譜。之后按照我國規(guī)范相關(guān)規(guī)定[21]來模擬作用于結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載時程。
在實際模擬中,計算輸電塔上各點的風(fēng)荷載是不可能的,因此,根據(jù)輸電塔-攀爬機附屬桁架耦合結(jié)構(gòu)的特點,塔身變坡處分為兩段考慮,將結(jié)構(gòu)自下而上分為11 節(jié)段,如圖1所示。以各節(jié)間中點風(fēng)速作為對應(yīng)模擬區(qū)域風(fēng)速,表1 為本文中模擬風(fēng)速的主要技術(shù)參數(shù)。
圖1 輸電塔分段
表1 風(fēng)速時程模擬時的主要參數(shù)
基于編制的MATLAB 程序模擬風(fēng)速時程,圖2和圖3 分別為輸電塔第1 節(jié)間(38 m 處)的脈動風(fēng)速時程以及其對應(yīng)的功率譜與目標譜的對比曲線。由圖3 可知,模擬譜與目標譜的趨勢基本吻合,從而證明了模擬結(jié)果的可靠性。
圖2 第1節(jié)間脈動風(fēng)速時程
圖3 模擬譜與目標譜對比
以某全高230.5 m 的交流輸電線路跨越高塔作為研究對象,在SAP2000中建立輸電塔-攀爬機附屬桁架耦合結(jié)構(gòu)的有限元模型,如圖4 所示。其中,塔身和橫擔的主材兩端固定無釋放,等效空間梁單元,其他桿件如塔身和橫擔的斜材則兩端釋放彎矩,等效空間桿單元。鋼材的彈性模量、屈服強度、質(zhì)密度和泊松比取值分別為2.01×1011Pa,345 MPa(Q345)、420 MPa(Q420),7 800 kg/m3和0.3。
圖4 輸電塔有限元模型
在建成輸電塔結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,采用特征向量法分別對輸電單塔和輸電塔-攀爬機附屬桁架耦合結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析,研究其動力特性。圖5 所示為輸電塔-攀爬機附屬桁架耦合結(jié)構(gòu)的前三階振型。由所列的振型圖可以看出,該結(jié)構(gòu)的整體性較強。第一階振型為輸電塔結(jié)構(gòu)繞Y軸的一階彎曲振動,第二階振型為繞X軸的一階彎曲振動,第三振型為繞Z軸的一階扭轉(zhuǎn)振動。
圖5 輸電塔-攀爬機附屬桁架耦合結(jié)構(gòu)前三階振型
表2 列出了輸電單塔和輸電塔-攀爬機附屬桁架耦合結(jié)構(gòu)的前兩階自振周期。攀爬機對輸電塔的動力特性有兩個重要的影響,一方面,攀爬機的質(zhì)量降低了塔的自振頻率;另一方面,攀爬機的剛度貢獻又使得塔的自振頻率增加,兩者有一個相互抵消的作用。比較兩模型的模態(tài)分析結(jié)果可知,輸電塔-攀爬機附屬桁架耦合結(jié)構(gòu)的前兩階自振周期略大于輸電單塔,相差約3.3%??梢?,攀爬機的存在使大跨越輸電塔的自振頻率略有降低。
表2 自振周期對比 單位:s
結(jié)合工程實際,考慮了導(dǎo)線質(zhì)量及導(dǎo)線風(fēng)載的影響,導(dǎo)線產(chǎn)生的風(fēng)荷載根據(jù)電力行業(yè)標準[22]相關(guān)規(guī)定施加到輸電塔上。在進行風(fēng)荷載施加時,對輸電塔進行模型簡化,簡化成“糖葫蘆串”形式,在每個“糖葫蘆串”節(jié)點處施加模擬的風(fēng)荷載時程,荷載施加在模擬點周邊的主材上,且荷載大小作相應(yīng)的平均。同時,為了減小風(fēng)荷載瞬時加載可能引起的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性,將風(fēng)荷載的前1 s 時程線性增加,使其從零開始逐漸到達真實值。沿輸電塔順導(dǎo)線方向施加風(fēng)荷載,分別對輸電單塔和輸電塔-攀爬機附屬桁架耦合結(jié)構(gòu)進行動力響應(yīng)分析。在計算時采用Newmark -β法求解時程反應(yīng)方程,采用瑞利結(jié)構(gòu)阻尼,阻尼比取0.02。
提取沿塔高分布測點的加速度均方根,如圖6所示。從圖中可以看出,在整個風(fēng)速時程中輸電塔-攀爬機耦合結(jié)構(gòu)的平均振動水平高于輸電單塔,這說明攀爬機的存在增大了輸電塔塔身各處的加速度響應(yīng),最大處增加了13.14%。分別提取輸電單塔和輸電塔-攀爬機附屬桁架結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向塔頂位移時程,如圖7 所示??梢钥闯?,有攀爬機的塔身位移大于無攀爬機的情況,其位移均方根分別為0.700 m 和0.635 m,大了約10.23%。這是由于攀爬機附屬桁架對整塔的質(zhì)量貢獻占比大于剛度占比,同時攀爬機的存在增加了輸電塔的擋風(fēng)面積,使得結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載增加,因此塔身響應(yīng)增大。
圖6 加速度均方根對比
圖7 塔頂位移時程對比
根據(jù)前述結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下時程響應(yīng)計算結(jié)果,基于時程法,按現(xiàn)有的風(fēng)振系數(shù)計算式(1),計算該大跨越輸電塔的順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)。
式中:g為峰值保證因子,取2.5;m(z)、A(z)、σ(z)分別為z高度處的集中質(zhì)量、擋風(fēng)面積以及加速度方差;μs、μz、w0分別為結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)以及基本風(fēng)壓。
圖8 對比了輸電單塔和輸電塔-攀爬機附屬桁架耦合結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)沿高度的變化曲線??梢钥闯觯瑑烧唢L(fēng)振系數(shù)沿高度的變化趨勢基本一致,總體上隨高度的增加而增大,但在橫擔位置處存在很明顯的突變現(xiàn)象,這是由于輸電塔沿高度存在質(zhì)量和擋風(fēng)面積集中的橫擔。輸電塔-攀爬機耦合結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)大于輸電單塔,在塔身下部和塔頂部位表現(xiàn)得最為明顯,最大處增大了4.06%。這是由于攀爬機附屬桁架的存在增加了整體的擋風(fēng)面積使結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載增大,同時增加了其各個分段的質(zhì)量,以上兩個原因?qū)λ母鱾€高度均有影響,所以各塔段風(fēng)振系數(shù)普遍增加。此外,攀爬機對輸電塔的剛度貢獻不大也是一個原因。由此可知,在設(shè)計帶有攀爬設(shè)施的大跨越輸電塔時,建議對其風(fēng)振系數(shù)乘1.1 的放大系數(shù)。
圖8 輸電塔風(fēng)振系數(shù)對比
計算輸電塔-攀爬機附屬桁架耦合結(jié)構(gòu)中攀爬機的風(fēng)振系數(shù),如圖9 所示。從圖中可以看出,耦合結(jié)構(gòu)中攀爬機的風(fēng)振系數(shù)呈現(xiàn)出下部結(jié)構(gòu)大、上部結(jié)構(gòu)小的分布特點,與攀爬機附屬桁架在輸電塔各段內(nèi)的高度有關(guān)。這是由于段內(nèi)高度越大,結(jié)構(gòu)剛度越差,更容易發(fā)生風(fēng)致振動。因此,在設(shè)計帶有攀爬設(shè)施的輸電塔時,應(yīng)考慮在段高區(qū)域增加局部約束以限制附屬桁架過大的風(fēng)致振動和局部變形。
圖9 攀爬機風(fēng)振系數(shù)
為了研究輸電塔-攀爬機附屬桁架耦合結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)攻角下風(fēng)振系數(shù)的分布規(guī)律,考慮結(jié)構(gòu)的對稱性和我國輸電線路設(shè)計規(guī)范[22]的建議,選擇0°、45°、60°和90°這4個潛在的不利風(fēng)攻角,對耦合結(jié)構(gòu)開展風(fēng)振響應(yīng)分析。該結(jié)構(gòu)的俯視圖與風(fēng)攻角的關(guān)系如圖10所示。定義Y軸的正方向為0°風(fēng)攻角,且風(fēng)攻角沿順時針方向逐漸增大。
圖10 輸電塔俯視圖及風(fēng)攻角定義
圖11 為輸電塔-攀爬機附屬桁架耦合結(jié)構(gòu)在上述4 個不利風(fēng)攻角下風(fēng)振系數(shù)沿高度的變化曲線,從圖中可以看出,不同風(fēng)攻角作用下結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)分布存在差異,這主要是因為風(fēng)荷載在兩個水平方向分配隨風(fēng)攻角的變化而變化,從而導(dǎo)致了輸電塔響應(yīng)的不同。此外,各角度風(fēng)振系數(shù)差距在塔身上部表現(xiàn)明顯,這是由于塔身下部截面形式均為正方形,其迎風(fēng)面積不隨風(fēng)攻角的改變而發(fā)生變化,而上部結(jié)構(gòu)由于橫擔的存在,導(dǎo)致其迎風(fēng)面積會隨著風(fēng)向角的改變而發(fā)生變化,越接近橫擔位置,受到的影響越大。因此,導(dǎo)線對風(fēng)振系數(shù)的影響不容忽視,確定90°為最不利風(fēng)攻角。
圖11 各角度風(fēng)振系數(shù)對比
建立某大跨越輸電塔-攀爬機附屬桁架耦合結(jié)構(gòu)的三維有限元模型,分別開展了輸電單塔和輸電塔-攀爬機耦合結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)分析,研究了攀爬機附屬桁架振動對大跨越輸電塔的影響,計算了輸電塔-攀爬機附屬桁架耦合結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)攻角下的風(fēng)振系數(shù)。通過研究,得出以下結(jié)論:
1)攀爬機的存在增大了輸電塔塔身各處的加速度和塔頂位移響應(yīng),加速度均方根最大處增加了約13.14%,塔頂位移均方根增加了約10.23%;
2)輸電塔-攀爬機耦合結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)大于輸電單塔,尤其體現(xiàn)在塔身底部和塔頂部位,風(fēng)振系數(shù)最大處增加了4.1%,原因是攀爬機增大了整個結(jié)構(gòu)的擋風(fēng)面積和塔段質(zhì)量,而對剛度貢獻不大;
3)耦合結(jié)構(gòu)中攀爬機的風(fēng)振系數(shù)呈現(xiàn)出下部結(jié)構(gòu)大、上部結(jié)構(gòu)小的分布特點,建議設(shè)計帶有攀爬設(shè)施的輸電塔時應(yīng)考慮在段高區(qū)域增加局部約束以限制附屬桁架過大的風(fēng)致振動和局部變形;
4)輸電塔-攀爬機耦合結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)攻角下的風(fēng)振系數(shù)存在明顯差異,考慮輸電線對風(fēng)振系數(shù)的影響,確定90°為最不利風(fēng)攻角。