田 利，羅靖宇，周夢(mèng)瑤，董 旭

（山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南 250061）

引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，隨著“十四五”規(guī)劃的啟航，我國進(jìn)入向社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國新征程邁進(jìn)的關(guān)鍵過渡期，推進(jìn)“新基建”已成為加速現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的重要著力點(diǎn)。作為“新基建”的重要支撐，高壓線路對(duì)各種跨區(qū)域電能傳輸、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及新舊能源的轉(zhuǎn)化具有重要影響。高壓輸電線路不僅能夠有效推動(dòng)我國清潔能源體系的發(fā)展，是解決全球變暖背景下國內(nèi)所面臨嚴(yán)峻的環(huán)保問題不可或缺的助力之一，也是推動(dòng)我國能源發(fā)展模式轉(zhuǎn)型和能源安全供應(yīng)的必要保障。因此，有必要進(jìn)行更廣泛、更全面的高壓技術(shù)相關(guān)設(shè)施的建設(shè)。

高壓輸電線路是重要的電力能源基礎(chǔ)設(shè)施，長期服役于野外惡劣環(huán)境中，其作為一種高柔性結(jié)構(gòu)，高度較高，自振周期較長，對(duì)風(fēng)荷載和地震動(dòng)等外界動(dòng)力作用較為敏感，容易產(chǎn)生較大的動(dòng)力響應(yīng)從而導(dǎo)致?lián)p傷破壞，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的安全和使用，并造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和次生災(zāi)害，在極端情況下，甚至?xí)鹫w倒塌或者破壞。近年來，輸電線路結(jié)構(gòu)受外界環(huán)境激勵(lì)作用而產(chǎn)生的破壞時(shí)有發(fā)生，如：2013年蘆山地震造成雅安地區(qū)和成都地區(qū)200多條輸電線路不同程度的破壞［1］，圖1是地震后輸電塔倒塌實(shí)景圖，2017年九寨溝地震造成阿壩區(qū)35 kV與110 kV輸電線路停運(yùn)［2］。臺(tái)風(fēng)“杜鵑”致使廣東省227條輸電線路發(fā)生故障，導(dǎo)致當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)一定程度上的癱瘓，給人們的生產(chǎn)和生活造成較大影響，圖2是風(fēng)致輸電線路破壞實(shí)景圖。因此，對(duì)輸電線路開展更深入的減振控制研究具有重大意義。

圖1 地震后輸電塔損壞實(shí)景圖Fig.1 Photograph of electric transmission tower damage after earthquake

圖2 風(fēng)致輸電線路破壞實(shí)景圖Fig.2 Photograph of wind-induced damage to electric transmission lines

基于以上現(xiàn)狀，文中系統(tǒng)闡述了目前國內(nèi)外高壓輸電線路結(jié)構(gòu)減振控制研究領(lǐng)域的主要科研成果，分別從輸電塔、輸電線、輸電塔-線耦合體系振動(dòng)控制3個(gè)方面展開論述，并展望了輸電線路結(jié)構(gòu)減振控制領(lǐng)域研究的發(fā)展前景。文章邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 文章邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Logical structure diagram of the article

1 輸電塔減振控制研究

輸電塔架結(jié)構(gòu)作為輸電線路系統(tǒng)的支撐部分，承擔(dān)著架空導(dǎo)線、地線和其他構(gòu)件，并使各構(gòu)件之間、構(gòu)件與地面之間保持規(guī)定安全距離的作用。高大的輸電塔架結(jié)構(gòu)往往具有固有頻率低、阻尼比小的特點(diǎn)，在風(fēng)荷載與地震作用等動(dòng)態(tài)激勵(lì)下可能產(chǎn)生較大的動(dòng)力響應(yīng)，過大的振動(dòng)會(huì)影響輸電塔架結(jié)構(gòu)的正常使用，甚至威脅到整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，如何對(duì)輸電塔實(shí)施有效的振動(dòng)控制應(yīng)引起研究人員的重視。但由于輸電線存在強(qiáng)幾何非線性，使結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析變得復(fù)雜，為簡(jiǎn)化分析過程，國內(nèi)外學(xué)者往往忽略輸電線的影響，將其簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量和集中力施加于輸電塔上，僅開展輸電塔減振控制研究。

1.1 被動(dòng)控制

被動(dòng)控制由于具有無需外界能量輸入、穩(wěn)定性較高等特點(diǎn)，在多種控制方法中成為最易實(shí)現(xiàn)的控制，且已在很多實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的控制效果?？紤]到輸電塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與長期野外運(yùn)行環(huán)境，當(dāng)前輸電塔結(jié)構(gòu)的被動(dòng)型減振控制為主要研究方向。根據(jù)減振機(jī)理的不同，被動(dòng)控制又可以分為基礎(chǔ)隔震、吸振減振和耗能減振3種方式。

隔震支座是一種較早被引入輸電鐵塔振動(dòng)控制領(lǐng)域的被動(dòng)控制裝置，王林建［3］結(jié)合了橡膠圓管的高彈性、大變形特性和良好的耗能性能，提出了橡膠圓管-軸承滾動(dòng)隔震支座。劉樹堂等［4］提出適用于輸電塔架的彈簧-偏心軸承的基礎(chǔ)滾動(dòng)隔震支座。由于SMA（shape memory alloy，SMA）材料具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性與高阻尼等優(yōu)越性能，一些學(xué)者將SMA材料引入隔震支座領(lǐng)域。吳冬梅［5］基于普通滾球支座設(shè)計(jì)了一種新型SMA-滾動(dòng)隔震支座。蔡錦榮等［6］采用SMA彈簧取代普通彈簧，設(shè)計(jì)一種新型SMA彈簧-軸承滾動(dòng)隔震裝置。研究表明：該類隔震裝置利用SMA材料超彈性和高阻尼的特性有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)橡膠支座阻尼較小、變形較大和自復(fù)位能力差的缺陷，使裝置具有優(yōu)越的復(fù)位和耗能功能，可為結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定、可靠且持續(xù)的隔震能力。

通過在主結(jié)構(gòu)上附加子結(jié)構(gòu)，將主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)轉(zhuǎn)移到子結(jié)構(gòu)上，從而限制主結(jié)構(gòu)振動(dòng)的技術(shù)被稱為吸振減振技術(shù)，其中，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（tuned mass damper，TMD）是主流的吸振減振裝置。Zhao等［7］通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證了TMD裝置對(duì)地震激勵(lì)下輸電塔架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制效果。Balendra等［8］研究了調(diào)諧液柱阻尼器（tuned liquid column damper，TLCD）在控制塔架風(fēng)振方面的有效性。汪志昊［9］研發(fā)了適用于輸電塔架結(jié)構(gòu)的新型電渦流TMD裝置，并開展了現(xiàn)場(chǎng)減振試驗(yàn)。此外，可有效控制某一階振動(dòng)的懸掛質(zhì)量擺也是一種行之有效的吸振減振裝置。賀業(yè)飛等［10］通過輸電塔架附加懸掛質(zhì)量擺的風(fēng)洞試驗(yàn)證實(shí)了懸掛質(zhì)量擺的有效性。牛健等［11］結(jié)合SMA材料與懸吊質(zhì)量擺技術(shù)設(shè)計(jì)了一種SMA-SMPD系統(tǒng)。Battista等［12］提出了一種非線性擺阻尼器。張鵬等［13］運(yùn)用彈簧擺的內(nèi)共振原理開展了輸電塔地震響應(yīng)控制研究?；袅稚龋?4-15］基于懸吊質(zhì)量擺，開展了小擺角線性化分析減振裝置控制效果局限性的研究，此外，將非線性能量阱技術(shù)引入懸掛質(zhì)量擺裝置并開展該擺式非線性能量阱的減震效果研究。吸振減振技術(shù)因構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝方便等特點(diǎn)受到土木工程領(lǐng)域的青睞，如能解決其自身質(zhì)量較大、占用空間較大的缺陷，未來有望在輸電塔振動(dòng)控制領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。

為增加抑振頻率寬度并進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度，有學(xué)者在傳統(tǒng)TMD裝置中加入耗能材料從而提出新型減振裝置。Zhang等［16］提出了一種新型沖擊調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（pounding tuned mass damper，PTMD），利用數(shù)值模擬方法分析證實(shí)：相較于傳統(tǒng)TMD裝置，PTMD裝置的減振效果更佳。Tian等［17］基于PTMD裝置，開展了多分量地震激勵(lì)下受控輸電塔的二維振動(dòng)控制效果研究。針對(duì)目前研究中忽略TMD裝置對(duì)主體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響的問題，張鵬等［18］提出將輸電塔和TMD視作一個(gè)整體進(jìn)行考慮，可取得更好的減震控制效果。

耗能減振技術(shù)則通過在受控結(jié)構(gòu)變形較大處設(shè)置阻尼單元耗散結(jié)構(gòu)動(dòng)能，從而達(dá)到抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。應(yīng)用較廣泛的耗能減振裝置有利用材料滯回耗能特性的粘彈性阻尼器和通過摩擦消耗結(jié)構(gòu)動(dòng)能的摩擦阻尼器。Matsumoto等［19］開展了4種不同形式的粘滯阻尼器對(duì)桿塔的減震研究。鐘萬里等［20］基于數(shù)值模擬軟件ANSYS分析了粘彈性阻尼器對(duì)塔架結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制效果。江宜城等［21］基于粘彈性阻尼器開展了大跨越輸電塔的風(fēng)振控制研究。Zhan等［22］提出了一種具有復(fù)位功能的可變摩擦阻尼器，并對(duì)受控下輸電塔架模型開展了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，驗(yàn)證了裝置的有效性。

除以上3類裝置外，楊靖波等［23］將機(jī)械與航空工程中常用的約束阻尼層技術(shù)引入輸電塔振動(dòng)控制領(lǐng)域，數(shù)值分析結(jié)果表明：約束阻尼層對(duì)塔架結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)有良好控制效果。

被動(dòng)控制裝置雖具有穩(wěn)定性高，容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但也存在如裝置占用空間較大、抑振頻帶較窄、無法在變化的外界作用下維持最佳控制效果和裝置僅能有效控制特定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，普適性不強(qiáng)等缺陷。而當(dāng)前使用SMA材料的被動(dòng)控制裝置僅利用SMA材料常溫下的超彈性特性，未充分考慮SMA材料形狀記憶效應(yīng)所能產(chǎn)生的強(qiáng)大恢復(fù)力。在保持穩(wěn)定性的前提下，進(jìn)一步拓寬裝置抑振頻帶，使裝置可有效應(yīng)對(duì)各種工況，可作為輸電塔結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制領(lǐng)域下階段研究的熱點(diǎn)。

1.2 主動(dòng)控制

主動(dòng)控制技術(shù)基于信息采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境荷載激勵(lì)或結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)變化，通過控制算法及時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)裝置給結(jié)構(gòu)施加的控制力，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)的前饋或反饋控制效果［24］。主動(dòng)控制技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)不良振動(dòng)有卓越的抑制效果，且可控頻率范圍很大，但因主動(dòng)控制需大量能源輸入，在強(qiáng)烈地震或大風(fēng)等具有破壞性的外部荷載激勵(lì)下，其能源供給難以保證。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者在輸電塔主動(dòng)控制領(lǐng)域開展的研究十分有限。

高銘尚［25］采用ANSYS和MATLAB這2種軟件對(duì)風(fēng)荷載作用下的輸電塔開展主動(dòng)控制研究。研究結(jié)果顯示該主動(dòng)控制策略可有效降低主體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，達(dá)到良好的控制效果。

朱軍強(qiáng)等［26］基于線性二次型（linear quadratic regulator，LQR）控制算法，開展了GMM（giant magnetostrictive material，GMM）作動(dòng)器控制下的輸電塔風(fēng)振控制研究。結(jié)果顯示該主動(dòng)控制策略可有效控制風(fēng)荷載激勵(lì)下輸電塔架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

王社良等［27］利用有限元分析軟件ANSYS構(gòu)建輸電塔模型，基于遺傳算法對(duì)自主研發(fā)GMM作動(dòng)器主動(dòng)控制策略進(jìn)行優(yōu)化布置，同時(shí)采用LQR主動(dòng)控制算法對(duì)比分析有無控制輸電塔架在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，分析結(jié)果表明該策略能有效抑制輸電塔結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)。

蘇橋磊［28］基于超磁致伸縮材料提出一種適用于輸電塔架的GMM作動(dòng)器，研究了其在輸電塔架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用效果，并基于遺傳算法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由于主動(dòng)控制裝置需要較大能量輸入才能提供結(jié)構(gòu)所需的控制力，其在輸電塔結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域的研究應(yīng)用受到極大限制。但主動(dòng)控制系統(tǒng)可在有限空間內(nèi)使用較小質(zhì)量達(dá)到良好減振效果的優(yōu)越性能，使其具有極大的發(fā)展?jié)摿?。在下一階段的研究工作中，如何保證在外界激勵(lì)作用下能量源的安全可靠仍是研究人員需要解決的首要問題，將SMA等智能驅(qū)動(dòng)材料應(yīng)用于主動(dòng)控制裝置中，可在一定程度上克服傳統(tǒng)主動(dòng)控制系統(tǒng)出力小、耗能大的缺陷。

1.3 半主動(dòng)控制

半主動(dòng)控制是利用機(jī)敏材料感知外界激勵(lì)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)信息，通過驅(qū)動(dòng)材料自適應(yīng)剛度或阻尼實(shí)時(shí)改變裝置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制的減振技術(shù)。半主動(dòng)控制介于被動(dòng)與主動(dòng)控制之間，相較于主動(dòng)控制，半主動(dòng)控制僅需輸入少量能量即可切換不同控制狀態(tài)，從而達(dá)到最優(yōu)主動(dòng)控制力；相較于被動(dòng)控制，半主動(dòng)控制具有更高的靈活度和控制效果。其中，磁流變阻尼器因其響應(yīng)速度快、阻尼水平可控、可靠度高等優(yōu)越性能，得到工程界的普遍認(rèn)可［29］。近年來，輸電塔-線體系半主動(dòng)控制逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者的注意并取得了一定的研究進(jìn)展。

郭勇等［30］為深化輸電塔結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制中阻尼器位置優(yōu)化研究，基于遺傳算法提出一種改進(jìn)的適應(yīng)性權(quán)重確定方法。

樊禹江等［31-32］基于新型壓電陶瓷管摩擦阻尼器，自主研發(fā)了一套針對(duì)輸電塔架減震問題的半主動(dòng)控制程序，此外，基于遺傳算法深入探究新型阻尼器的優(yōu)化布置策略，對(duì)比了優(yōu)化前后的控制效果，結(jié)果表明優(yōu)化是有效的。

Lou等［33］提出了全方位懸臂型電渦流TMD，通過調(diào)節(jié)電流的大小改變減振裝置的阻尼，在不同的風(fēng)場(chǎng)條件下對(duì)縮尺氣動(dòng)彈性模型進(jìn)行了試驗(yàn)，計(jì)算了有無電磁干擾時(shí)塔架的風(fēng)振響應(yīng)，證實(shí)了該裝置在抑制主體結(jié)構(gòu)順風(fēng)向和橫風(fēng)向振動(dòng)方面的可行性。

朱軍強(qiáng)等［34］基于一種新型拉索-壓電摩擦阻尼器，開展了半主動(dòng)控制下的輸電塔模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的減振效果。

半主動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合主動(dòng)控制與被動(dòng)控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，通過調(diào)整減振裝置阻尼值，可達(dá)成在較小外界能量輸入條件下維持對(duì)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)控制效果的目的。其最突出的優(yōu)點(diǎn)在于各部分的控制、驅(qū)動(dòng)及可靠性不相關(guān)，使半主動(dòng)裝置在不同外界激勵(lì)條件下可實(shí)現(xiàn)不同的控制效果，即使在特殊情況下半主動(dòng)控制系統(tǒng)失效，裝置仍可以被動(dòng)控制的形式繼續(xù)工作，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的控制。但半主動(dòng)控制系統(tǒng)無法充分滿足輸電塔結(jié)構(gòu)安裝簡(jiǎn)單、耐久性強(qiáng)的特殊減振控制要求，如何在保證減振效果的前提下，盡量減少半主動(dòng)控制系統(tǒng)的維護(hù)成本是輸電線路結(jié)構(gòu)半主動(dòng)控制領(lǐng)域的一大難題。

綜上所述，輸電塔架結(jié)構(gòu)在被動(dòng)控制領(lǐng)域的研究較為成熟，但現(xiàn)階段對(duì)于主動(dòng)控制和半主動(dòng)控制領(lǐng)域的研究仍較為匱乏，需要進(jìn)一步深化相關(guān)領(lǐng)域研究，且目前應(yīng)用于輸電塔的阻尼器多集中于線性阻尼器方面，而非線性阻尼器的開發(fā)、設(shè)計(jì)與應(yīng)用尚有一定的研究空間。因此，結(jié)合新型智能材料，深入研究輸電塔的非線性智能控制對(duì)拓展輸電線路結(jié)構(gòu)控制策略范疇、提高輸電線路結(jié)構(gòu)控制效率有重要意義。

2 輸電線減振控制研究

現(xiàn)階段我國電力需求的急劇攀升，極大地推進(jìn)了特高壓輸電線路的建設(shè)和擴(kuò)張，我國輸電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已成為世界上規(guī)模最大的電網(wǎng)系統(tǒng)。但輸電系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大也意味著線路結(jié)構(gòu)將要面對(duì)更為復(fù)雜的地理及氣象條件。在眾多電網(wǎng)氣象災(zāi)害中，架空導(dǎo)線的舞動(dòng)是發(fā)生頻率最高、影響范圍最廣、造成損失最大的災(zāi)害形式。輸電線舞動(dòng)是導(dǎo)線在風(fēng)、冰等多種荷載耦合激勵(lì)下形成的一種低頻率、大變形的非線性瞬態(tài)振動(dòng)，可以造成跳閘、斷股、輸電塔倒塌等事故。導(dǎo)線舞動(dòng)可細(xì)分為垂直舞動(dòng)［35］、扭轉(zhuǎn)舞動(dòng)［36］和偏心慣性耦合失穩(wěn)［37］這3種形式。為保證供電系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，有必要對(duì)輸電導(dǎo)線采取可靠的防舞措施。目前應(yīng)用較廣的防舞動(dòng)裝置有相間間隔棒、防振錘、失諧擺和回轉(zhuǎn)式間隔棒等，常見防舞動(dòng)裝置如圖4所示。

圖4 常見防舞裝置實(shí)物圖Fig.4 Photograph of common anti-galloping devices

Kim等［38］基于數(shù)值分析軟件分析驗(yàn)證了相間間隔棒的舞動(dòng)控制效果。Hou等［39］基于架空線的動(dòng)力學(xué)模型和幾種相間間隔棒的力學(xué)模型，探究了力學(xué)參數(shù)與舞動(dòng)控制效果之間的關(guān)系，結(jié)果表明：間隔棒剛度的影響較小。Sun等［40］針對(duì)間隔棒可能產(chǎn)生的大變形問題，引入大撓度理論開展了導(dǎo)線的防舞動(dòng)研究。Fu等［41］基于一種舞動(dòng)仿真模型，對(duì)三跨輸電線路進(jìn)行了全尺寸自由振蕩試驗(yàn)，與模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了相間間隔棒的防舞效果。Carreira［42］研究了相間隔離棒控制下污染嚴(yán)重區(qū)域的架空線路導(dǎo)線舞動(dòng)問題。Van等［43］對(duì)比了在配備單根導(dǎo)線以及帶有相間間隔棒的3根導(dǎo)線的舞動(dòng)響應(yīng)結(jié)果。梁洪超［44］針對(duì)覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)問題，提出利用自質(zhì)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)提供阻尼力的防舞扭轉(zhuǎn)向電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，以及利用相鄰結(jié)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)提供阻尼力的粘彈性相間間隔棒兩種阻尼防舞方法。相間間隔棒通過減小導(dǎo)線檔距及將分裂導(dǎo)線聯(lián)系起來，使不同導(dǎo)線振動(dòng)相互干擾來抑制導(dǎo)線的振動(dòng)，不失為一種簡(jiǎn)便有效的防舞措施。

擾流繩纏繞于導(dǎo)線之上，通過擾亂導(dǎo)線表面氣動(dòng)力特性以達(dá)到抑制導(dǎo)線舞動(dòng)的效果。謝東周［45］基于Fluent軟件對(duì)比分析了纏繞擾流繩覆冰導(dǎo)線與未纏繞擾流繩覆冰導(dǎo)線的氣動(dòng)力系數(shù)。研究結(jié)果表明：擾流繩可有效控制垂直舞動(dòng)機(jī)制引發(fā)的舞動(dòng)，但對(duì)扭轉(zhuǎn)舞動(dòng)機(jī)制引發(fā)的舞動(dòng)控制效果不佳。

由于相間間隔棒存在易老化、放電等問題，而擾流繩常應(yīng)用于薄覆冰區(qū)單根導(dǎo)線防舞，使用存在較大的局限性。針對(duì)以上裝置的缺點(diǎn)和局限性，國內(nèi)外學(xué)者們?cè)诖嘶A(chǔ)上研發(fā)了線夾回轉(zhuǎn)式相間間隔棒。線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒通過減弱線夾對(duì)子導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)約束，減小導(dǎo)線覆冰的不均勻程度并降低風(fēng)吹向?qū)Ь€的升力效應(yīng)，以達(dá)到抑制導(dǎo)線舞動(dòng)的效果。葉沖［46］比較了單導(dǎo)線和分裂導(dǎo)線的氣動(dòng)力特性并總結(jié)出分裂導(dǎo)線的舞動(dòng)特征，計(jì)算對(duì)比了普通間隔棒和線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的舞動(dòng)控制效果。葛江鋒［47］以某330 kV二分裂線路為工程背景，討論了線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒不同布置方案的防舞效果，得出間隔棒最佳布置方案。趙強(qiáng)［48］為進(jìn)一步提高間隔棒防舞效果，提出一種可增大結(jié)構(gòu)阻尼的新型高阻尼間隔棒，并分析了該裝置的防舞效果。

除以上裝置外，部分學(xué)者提出一些新型的輸電導(dǎo)線防舞動(dòng)裝置并就其防舞效果開展了研究，取得了一定研究成果。趙彬［49］針對(duì)特高壓輸電線路特點(diǎn)，提出了一種新型顆粒阻尼器線性零頻減振器，并對(duì)其進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：該裝置具有良好的阻尼特性，且不存在明顯共振頻率區(qū)間和共振峰。余江［50］設(shè)計(jì)了新型抑扭環(huán)防舞裝置，針對(duì)安裝了該裝置的D形覆冰六分裂導(dǎo)線模型開展了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了其防舞效果。Lou等［51］針對(duì)風(fēng)荷載作用下大跨度輸電線路導(dǎo)線舞動(dòng)的復(fù)雜問題，提出一種具有渦流機(jī)制的扭轉(zhuǎn)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，并基于遺傳算法對(duì)該裝置進(jìn)行優(yōu)化。

綜上所述，現(xiàn)有防舞裝置雖種類繁多，但裝置的局限性較大，能夠適應(yīng)各種外界環(huán)境和線路結(jié)構(gòu)條件，并在各種覆冰形狀下保持良好防舞效果的裝置仍有待研發(fā)?，F(xiàn)有輸電導(dǎo)線防舞研究以數(shù)值模擬為主要研究手段，缺乏在試驗(yàn)和實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)防舞裝置效果的檢驗(yàn)。在模擬過程中為減小計(jì)算成本，對(duì)輸電導(dǎo)線模型進(jìn)行了不同程度的簡(jiǎn)化，并未對(duì)導(dǎo)線結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化建模，也相應(yīng)降低了計(jì)算結(jié)果的精度。因此，在下階段的防舞研究工作中應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化分裂導(dǎo)線模型，開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究以驗(yàn)證裝置的防舞效果，為其工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

3 輸電塔-線耦合體系減振控制研究

考慮到導(dǎo)線和輸電塔架之間的耦合作用，為了更好的模擬實(shí)際工程在真實(shí)環(huán)境中的動(dòng)力響應(yīng)，近年來關(guān)于輸電塔-線體系的減振控制研究逐漸增多。通過將振動(dòng)控制技術(shù)引入輸電塔-線體系，改善輸電塔-線體系的力學(xué)性能，有效抑制塔體與塔線的振動(dòng)，降低各種具有較強(qiáng)不確定性的環(huán)境荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的不良影響?，F(xiàn)階段對(duì)于輸電塔-線體系的振動(dòng)控制研究大多集中于被動(dòng)控制領(lǐng)域。

3.1 地震控制

地震作為重大地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)輸電塔-線體系的安全構(gòu)成了巨大威脅，然而，目前對(duì)輸電塔-線耦合體系在地震作用下的減振控制研究較少。相較于持續(xù)低頻激勵(lì)的風(fēng)荷載，地震作用往往有更寬的頻譜范圍，結(jié)構(gòu)在地震激勵(lì)作用下的動(dòng)力響應(yīng)通常包括多個(gè)振型的貢獻(xiàn)。傳統(tǒng)TMD裝置因其抑振帶寬較窄，應(yīng)用受到一定限制，摩擦阻尼器因其耗能能力強(qiáng)、構(gòu)造簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在輸電塔地震控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

李黎等［52］針對(duì)跨越地震區(qū)輸電線路，提出一種安裝在輸電塔橫擔(dān)處的FPS（friction pendulum systems，F(xiàn)PS）型MTMD（multiple tuned mass damper，MTMD）減震裝置，并利用數(shù)值模擬軟件研究該裝置的減震效果。結(jié)果表明，該裝置對(duì)塔線體系有良好的減震效果。陳波等［53-54］基于被動(dòng)摩擦阻尼器，開展了強(qiáng)震作用下輸電塔-線體系減震控制研究。并針對(duì)輸電塔架在強(qiáng)震作用下可能發(fā)生的過度振動(dòng)問題，開展了有無控制下輸電塔架體系的動(dòng)力響應(yīng)分析與結(jié)構(gòu)性能評(píng)估。

田利等［55-56］考慮地震動(dòng)多點(diǎn)輸入、行波效應(yīng)和相干效應(yīng)等因素的影響，開展了多維地震輸入下TMD裝置的減震控制效果研究，并對(duì)TMD進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：相干效應(yīng)和行波效應(yīng)對(duì)TMD裝置控制下塔-線耦合體系減震效果有相當(dāng)影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。此外，田利等［57］以某500 kV實(shí)際輸電線路工程為背景開展了對(duì)沖擊調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（PTMD）控制下線路結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)性能分析，結(jié)果顯示PTMD在降低輸電塔縱向和橫向振動(dòng)方面效果良好，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了雙向PTMD［58］，通過仿真驗(yàn)證其對(duì)線路結(jié)構(gòu)的震動(dòng)控制有效性，同時(shí)對(duì)比了傳統(tǒng)的雙向TMD，結(jié)果表明：引入碰撞耗能后的減振裝置對(duì)輸電線路結(jié)構(gòu)的減震效果更好，且碰撞間隙對(duì)阻尼器減震性能影響較顯著，最佳間隙尺寸的大小取決于質(zhì)量比與地震強(qiáng)度。

針對(duì)傳統(tǒng)材料抑振頻帶較窄，減振性能受頻率影響較大的缺陷，目前已有學(xué)者將SMA材料引入到減震裝置中并開展了一些研究。展猛等［59］研發(fā)了一種復(fù)位型SMA壓電混合減震裝置，并就其耗能能力、等效剛度及阻尼等方面深入研究分析了該裝置的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制能力。田利，榮坤杰等［60-63］研發(fā)了適用于線路結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（shape memory alloy-tuned mass damper，SMA-TMD），基于有限元分析軟件ANSYS開展了SMA-TMD控制下的塔-線耦合體系振動(dòng)控制研究，通過與傳統(tǒng)TMD裝置控制效果的對(duì)比，驗(yàn)證了SMA-TMD對(duì)塔-線耦合體系結(jié)構(gòu)減震效果的優(yōu)越性，并研究了SMA材料、溫度變化、地震動(dòng)強(qiáng)度和頻率比對(duì)減震效果的影響規(guī)律。

在輸電塔-線體系地震控制領(lǐng)域中，應(yīng)用以被動(dòng)控制技術(shù)中的耗能減振裝置為主，主動(dòng)和半主動(dòng)控制技術(shù)仍處于研究開發(fā)階段。而輸電塔-線體系在服役過程中結(jié)構(gòu)性能難免隨時(shí)間推移有所變化，致使被動(dòng)控制無法維持良好的控制效果，造成一定的損失。因此，研究人員需根據(jù)輸電塔-線體系地震響應(yīng)的特性，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上研發(fā)出維護(hù)簡(jiǎn)便且抑振頻帶更寬的減震裝置，為實(shí)際工程應(yīng)用提供借鑒。

3.2 風(fēng)振控制

相較于地震作用，風(fēng)荷載作用是一種發(fā)生概率更大的自然災(zāi)害，有統(tǒng)計(jì)表明，世界范圍內(nèi)輸電塔的大部分倒塌是由極端大風(fēng)事件造成的［64］。由于低柔度導(dǎo)線的作用，塔-線耦合體系的低階振型頻率相較于單塔更低，這也導(dǎo)致以低頻成分為主的風(fēng)荷載對(duì)塔-線耦合體系的影響更大，使得結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)復(fù)雜而強(qiáng)烈，如不進(jìn)行控制，過大的振動(dòng)甚至?xí)?dǎo)致輸電塔的倒塌，從而癱瘓整個(gè)輸電系統(tǒng)，對(duì)人們的日常生產(chǎn)和生活產(chǎn)生不利影響。因此，開展輸電塔-線體系風(fēng)振控制研究十分必要，安裝減振控制裝置作為一種行之有效的方法，近年來在輸電塔線系統(tǒng)控制領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。

為明確塔-線耦合體系的風(fēng)振響應(yīng)特性，國內(nèi)外學(xué)者開展了塔-線體系的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析。Hu等［65］考慮風(fēng)荷載的動(dòng)力效應(yīng)，基于Davenport譜開展了架空輸電線路結(jié)構(gòu)的風(fēng)振動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究。Liang等［66］通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了塔-線體系的風(fēng)振動(dòng)力響應(yīng)特征。Momomura等［67］基于風(fēng)速小于25m/s時(shí)獲得的輸電塔動(dòng)力響應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，開展了安裝在山區(qū)的輸電塔-線體系風(fēng)振響應(yīng)特性研究。Qin等［68］利用ANSYS軟件，分別建立了基于棲霞～文登（昆玉）500 kV輸電線路工程的單塔、一塔兩線、三塔四線和五塔六線三維有限元模型?；贛atlab軟件開展了輸電塔-線系統(tǒng)的風(fēng)速時(shí)程模擬研究，對(duì)各模型中塔的位移進(jìn)行了計(jì)算和分析。

Zhang等［69］針對(duì)高壓輸電塔-線體系的風(fēng)致振動(dòng)問題，提出了一種利用彈簧擺的內(nèi)共振特性來控制輸電塔風(fēng)振的方法，通過數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證了相較于常規(guī)的SMP，SP（spring pendulum，SP）的減振效果更優(yōu)。除裝置自身性能外，阻尼器的布置方案是影響其振動(dòng)控制效果的另一個(gè)關(guān)鍵因素。李黎等［70-71］基于鉛芯橡膠阻尼器，開展了不同阻尼器布置方案下和不同風(fēng)攻角動(dòng)風(fēng)作用下的輸電塔-線體系風(fēng)振控制效果研究。此外，李黎等［72］提出一種新型雙套管防屈曲耗能支撐（buckling restrained brace，BRB）裝置，并以某實(shí)際輸電線路工程為例證實(shí)了該裝置的減振效果。鄧洪洲等［73-74］以建設(shè)中的500 kV江陰大跨越輸電塔為背景，開展6種控制方案下塔-線耦合體系的風(fēng)洞試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了振動(dòng)控制裝置的有效性。

為得到最佳的風(fēng)振控制效果，研究人員對(duì)阻尼器的參數(shù)優(yōu)化開展了進(jìn)一步研究。鄭瑾等［75］基于摩擦阻尼器開展了塔線體系的風(fēng)振控制研究，并對(duì)阻尼器參數(shù)開展了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。余傳運(yùn)［76］基于粘彈性阻尼器開展了輸電塔架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制研究，并采用LQR控制算法對(duì)減振裝置進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。此外，應(yīng)用粒子群算法對(duì)阻尼器的最優(yōu)布置方案進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。優(yōu)化后的最終布置方案可達(dá)到與主動(dòng)型減振器相近的控制效果。Tian等［77］開展了風(fēng)荷載作用下塔-線體系的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器參數(shù)研究，計(jì)算討論了質(zhì)量比、頻率比、阻尼比等參數(shù)對(duì)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器減振效果的影響。Roy等［78］針對(duì)旋風(fēng)等高強(qiáng)度風(fēng)作用下輸電塔-線體系失效問題，基于有限元分析軟件OpenSees開展了SMA阻尼器控制下輸電塔架結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究。

馬涌泉等［79］針對(duì)輸電塔-線體系的風(fēng)致振動(dòng)問題，提出一種魯棒H2/H∞控制器，結(jié)合改進(jìn)的限幅最優(yōu)（modified clipped optimal，MCO）控制器提出一種新型半主動(dòng)控制策略，以某實(shí)際輸電塔-線體系工程為例，計(jì)算對(duì)比了無控、被動(dòng)控制、CI（constant increment，CI）半主動(dòng)控制與該半主動(dòng)控制策略下的結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)，證明了該策略性能的優(yōu)越性。Chen等［80］基于磁流變阻尼器開展了強(qiáng)風(fēng)作用下輸電塔-線體系的振動(dòng)控制研究，提出2種用于輸電塔-線體系的半主動(dòng)控制策略，并以某實(shí)際工程為背景，對(duì)磁流變阻尼器開展了參數(shù)優(yōu)化研究。

現(xiàn)階段輸電塔-線耦合體系風(fēng)振控制研究與應(yīng)用主要集中于動(dòng)力吸振器，相關(guān)成果較為豐碩，但也存在一些不足的方面：如僅在導(dǎo)線對(duì)塔動(dòng)力影響的基礎(chǔ)上，對(duì)塔的振動(dòng)進(jìn)行控制，并未同時(shí)對(duì)導(dǎo)線與塔進(jìn)行減振控制；對(duì)塔-線耦合作用的考慮不夠詳盡，實(shí)際工程中的分裂導(dǎo)線被簡(jiǎn)化為有限元模型中的單根導(dǎo)線，這與實(shí)際情況有一定的差距。在未來的研究工作中仍需深化以上方面的理論研究，并開展試驗(yàn)研究以驗(yàn)證理論分析的正確性，為減振控制的工程應(yīng)用提供參考。

3.3 脫冰與斷線振動(dòng)控制

輸電塔-線體系作為一種重要的電力傳輸設(shè)施，長期服役于惡劣環(huán)境，結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和冰荷載作用下容易引起累積損傷，覆冰時(shí)會(huì)引起冰閃跳閘、導(dǎo)線舞動(dòng)和通信中斷［81］，脫冰時(shí)導(dǎo)線在覆冰過程中累積的張力瞬間釋放，導(dǎo)線將發(fā)生大幅跳躍振蕩，產(chǎn)生極大的不平衡張力，甚至造成導(dǎo)線斷線、輸電塔破壞等災(zāi)害。因此，開展脫冰斷線領(lǐng)域的振動(dòng)控制研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。不同于有一定持續(xù)時(shí)間的風(fēng)和地震作用，導(dǎo)線脫冰與斷線作用時(shí)間十分短暫，對(duì)輸電塔而言是一種瞬態(tài)動(dòng)力荷載，具有明顯的沖擊作用，使得輸電塔-線體系脫冰與斷線領(lǐng)域的減振控制相比風(fēng)振控制與地震控制在原理上有所不同。

康元品［82］基于粘滯阻尼器開展了多種布置方案下山區(qū)轉(zhuǎn)角輸電塔的風(fēng)致斷線控制效果對(duì)比研究，結(jié)果表明：將阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)較大位置可獲得較好的控制效果，從而得到了阻尼器最優(yōu)布設(shè)方案，并研究了不同斷線工況作用下阻尼器最佳布置方案的振動(dòng)控制結(jié)果。

楊繁等［83］針對(duì)在惡劣服役環(huán)境中輸電塔-線體系的斷線問題，提出一種在塔架結(jié)構(gòu)上安裝粘滯阻尼器應(yīng)對(duì)輸電塔-線體系斷線效應(yīng)的減振控制方法。研究結(jié)果表明：粘滯阻尼器對(duì)桿塔斷線沖擊引起的結(jié)構(gòu)加速度峰值控制率能達(dá)到60%。

田金鵬［84］基于粘滯阻尼器開展了脫冰跳躍作用下受控塔架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)研究，討論了5種不同布置方案下塔體的減振效果。結(jié)果顯示阻尼器施加于輸電塔架上部主材時(shí)控制效果最佳。

宋春芳［85］針對(duì)轉(zhuǎn)角型輸電塔-線體系在脫冰、斷線作用下動(dòng)力響應(yīng)過大的問題，提出一種基于摩擦阻尼器的減振控制方法，對(duì)比多種布置方式在脈動(dòng)風(fēng)作用下的減振效果，選取其中最優(yōu)方案開展脫冰、斷線作用下的振動(dòng)控制研究。

鐘寅亥等［86］針對(duì)大跨高聳輸電塔-線耦合體系在垂直導(dǎo)線向風(fēng)荷載作用下鐵塔位移引起導(dǎo)線大幅舞動(dòng)的問題，開展了粘彈性阻尼器作用下輸電塔架動(dòng)力響應(yīng)研究。研究顯示：粘彈性阻尼器可使輸電塔架各部分動(dòng)力響應(yīng)趨向一致，取得極佳的減振控制效果。

當(dāng)前研究將覆冰等效為均勻的圓柱形，無法很好的模擬實(shí)際工程中不規(guī)則形狀的覆冰；模擬的脫冰過程也比較粗糙，僅能模擬導(dǎo)線整跨脫冰的情形，不能很好的模擬真實(shí)的脫冰狀況。下階段的研究工作中仍需在上述方面進(jìn)一步開展深化研究。

綜上所述，對(duì)輸電塔-線體系的減振控制研究主要聚焦于抗震和抗風(fēng)方向。振動(dòng)控制方法方面，現(xiàn)階段對(duì)地震作用和風(fēng)荷載作用下輸電塔-線耦合體系的振動(dòng)控制均以被動(dòng)控制技術(shù)為主，半主動(dòng)控制技術(shù)在風(fēng)振控制領(lǐng)域得到了有限的研究與應(yīng)用?？刂蒲b置應(yīng)用方面，動(dòng)力吸振器因其簡(jiǎn)易、有效、不受安裝位置限制的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于塔-線體系的風(fēng)振控制；地震作用頻譜較寬，僅能降低主結(jié)構(gòu)某一階振動(dòng)的動(dòng)力吸振器抑振效果不佳，因此可同時(shí)抑制輸電塔架結(jié)構(gòu)前幾階主要振型響應(yīng)的耗能減振裝置應(yīng)用更多。而脫冰、斷線與舞動(dòng)領(lǐng)域的振動(dòng)控制研究鮮有涉及，僅僅開展了被動(dòng)控制下輸電塔-線耦合體系的減振控制研究，而主動(dòng)和半主動(dòng)控制技術(shù)研究與應(yīng)用較少，相關(guān)研究工作仍有待開展。

4 結(jié)論與展望

文中從輸電單塔、考慮塔-線耦合作用的輸電塔-線體系振動(dòng)控制以及輸電線防舞動(dòng)3個(gè)方面對(duì)現(xiàn)階段輸電塔-線體系振動(dòng)控制的主要研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述和討論。雖然高壓輸電線路減振控制成果豐碩，但還有許多值得深入的地方，在以下幾個(gè)方面值得關(guān)注：

（1）對(duì)輸電塔-線體系振動(dòng)控制的研究主要集中在數(shù)值模擬階段，大部分的新型減振控制裝置并未經(jīng)過風(fēng)洞試驗(yàn)或振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究的驗(yàn)證，因此下一步研究的重點(diǎn)應(yīng)該放在數(shù)值模擬與試驗(yàn)的相互對(duì)比論證上。

（2）輸電塔的阻尼器多集中于線性阻尼器方面，減振效果受到一定的限制，而非線性阻尼器的開發(fā)與應(yīng)用將成為未來研究的一大熱點(diǎn)。

（3）當(dāng)前輸電塔-線體系減振研究主要針對(duì)地震作用和風(fēng)荷載作用，在未來的研究工作中，脫冰、斷線與舞動(dòng)等動(dòng)力荷載形式的減振控制會(huì)成為關(guān)注對(duì)象，并考慮多災(zāi)害作用下輸電線路結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制影響。

（4）現(xiàn)階段輸電線路振動(dòng)控制研究以被動(dòng)控制為主，主動(dòng)和半主動(dòng)控制技術(shù)仍處于研究開發(fā)階段，尚未應(yīng)用于實(shí)際工程。主動(dòng)和半主動(dòng)控制技術(shù)的研究與應(yīng)用相關(guān)工作將成為下一階段輸電塔-線體系減振控制領(lǐng)域的重要研究方向。

（5）輸電塔-線體系振動(dòng)控制的研究重點(diǎn)在減振裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)階段的有效控制效率，未考慮實(shí)際工程中減振裝置的失效，在減振裝置失效情況下可能對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響的評(píng)估研究還未有。隨著輸電線路減振控制的應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行失效評(píng)估研究將成為一種趨勢(shì)。

（6）輸電塔-線體系同時(shí)在塔架和導(dǎo)線上采取減振控制措施的研究較少，多數(shù)研究?jī)H在塔架或?qū)Ь€上設(shè)置減振裝置，并研究其對(duì)整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制效果。在下階段的研究工作中開展輸電塔-線體系一體化振動(dòng)控制方面的研究將成為下一階段的研究重點(diǎn)。