王文明,王冠惠,盛寒柯,高雅慧,呂 曉

(1. 山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101; 2. 建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

輸電塔-線體系是重要的生命線工程,在歷次大地震中發(fā)生了一些破壞甚至倒塌的災(zāi)害,國內(nèi)外對其地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)開展了大量研究。張卓群等[1]研究了輸電塔-線體系破壞模式及其災(zāi)變機(jī)理,并總結(jié)了輸電塔-線體系抗震分析方法;LIANG等[2]采用1 000 kV特高壓輸電塔單塔及塔-線體系縮尺模型振動臺試驗(yàn),對比分析了輸電線路耦合作用對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響;TIAN等[3]采用增量動力分析(incremental dynamic analysis)方法建立輸電塔-線體系易損曲線以評估結(jié)構(gòu)在近場地震動作用下安全性;ZHENG等[4]提出了一種計(jì)算輸電塔在地震作用下連續(xù)性倒塌的顯式分析方法,研究了不同地震動激勵與塔高對輸電塔倒塌模式的影響;GONG等[5]考慮了塔線間相互作用對1 000 kV出線構(gòu)架不同地震強(qiáng)度地震響應(yīng)進(jìn)行研究分析,并從概率學(xué)的角度分析了結(jié)構(gòu)倒塌風(fēng)險; YANG等[6]進(jìn)行了輸電塔-線體系地震等自然災(zāi)害下的受力性能評估,強(qiáng)調(diào)了自然災(zāi)害空間相關(guān)性對結(jié)構(gòu)可靠性的影響;BAI等[7]通過輸電塔-線體系地震作用模擬研究了地震動多向分量及其空間變化對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

輸電塔-線體系同為風(fēng)荷載敏感結(jié)構(gòu),大風(fēng)下倒塌的現(xiàn)象時有發(fā)生,設(shè)計(jì)時的控制工況一般為大風(fēng)工況。為研究輸電塔-線體系在風(fēng)荷載下的響應(yīng)及災(zāi)變機(jī)理,諸多學(xué)者對其開展了風(fēng)致響應(yīng)研究。李正良等[8]通過對比輸電塔風(fēng)振系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果、有限元模擬結(jié)果及現(xiàn)行規(guī)范下理論計(jì)算結(jié)果,分析輸電塔-線體系各位置風(fēng)振系數(shù)取值; DENG等[9]采用風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究了風(fēng)荷載入射角對四跨輸電塔-線體系動力響應(yīng)特征的影響; WU等[10]介紹了一種基于GA-SVR(遺傳算法-支持向量回歸機(jī))的輸電塔動力響應(yīng)特征預(yù)估方法,通過構(gòu)建輸電塔替代模型并將其響應(yīng)預(yù)估結(jié)果與ABAQUS有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證替代模型合理性,為輸電塔-線體系安全運(yùn)行提供理論依據(jù);CAI等[11]進(jìn)行了輸電塔-線體系在極端風(fēng)速下的易損性分析,其中綜合考慮了風(fēng)速、風(fēng)向角及水平檔距造成的影響;EDGAR等[12]開展了多個國際設(shè)計(jì)規(guī)范下的400 kV格構(gòu)式輸電塔風(fēng)致作用非線性分析,指出輸電塔氣動模型可更好的評估其破壞失效機(jī)理及風(fēng)速梯度;嚴(yán)波等[13]采用增量動力分析法和弧長法研究覆冰厚度、風(fēng)向角對輸電塔風(fēng)荷載動力響應(yīng)的影響;ZHANG等[14]采用靜力分析法和動力時程分析法分別進(jìn)行輸電塔風(fēng)致作用模擬,對輸電塔極限承載能力及最薄弱桿件位置進(jìn)行評估分析。

工程結(jié)構(gòu)往往具有較長壽命周期,在其服役周期內(nèi)可能遭受多種自然災(zāi)害共同作用。李宏男等[15]開展了工程結(jié)構(gòu)在多種自然災(zāi)害耦合作用下的理論研究,提出了多災(zāi)害聯(lián)合概率模型及結(jié)構(gòu)風(fēng)險評估方法;任重翠等[16]對超高層建筑在風(fēng)、地震單獨(dú)作用和耦合作用下破壞損傷問題展開研究工作,為結(jié)構(gòu)抗災(zāi)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo);YANG等[17]研究了10 MW單樁海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)-海浪-地震耦合作用下動力響應(yīng)特征,建議采用5%調(diào)諧質(zhì)量阻尼器緩解載荷耦合作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動;JING等[18]在考慮儲液罐風(fēng)-殼-液相互關(guān)系的基礎(chǔ)上建立相關(guān)計(jì)算模型,對其地震、風(fēng)及地震-風(fēng)耦合作用下響應(yīng)模擬結(jié)果進(jìn)行對比,研究風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。國內(nèi)外學(xué)者已對諸多工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多災(zāi)害響應(yīng)分析,而輸電塔動力響應(yīng)研究主要集中于單種自然災(zāi)害影響分析,缺乏其在多種自然災(zāi)害耦合作用下的響應(yīng)分析。

輸電線路一般位于空曠地帶,長期處于受風(fēng)狀態(tài)。遭遇地震作用時,一般同時承受風(fēng)荷載,有必要研究其地震作用和風(fēng)荷載下的多災(zāi)害響應(yīng)。以某220 kV輸電塔為研究對象,采用ABAQUS軟件建立等跨度“三塔四線”模型,進(jìn)行輸電塔罕遇地震作用和罕遇地震-風(fēng)荷載耦合作用下的響應(yīng)分析。通過對比不同工況下觀測桿件應(yīng)力時程和觀測點(diǎn)的位移時程,分析耦合工況風(fēng)速、地震作用和風(fēng)荷載共同作用時間以及風(fēng)向?qū)τ^測桿件、觀測點(diǎn)響應(yīng)的影響,研究風(fēng)荷載對輸電塔-線體系罕遇地震作用下響應(yīng)的影響規(guī)律。

1 地震-風(fēng)多災(zāi)害動力學(xué)模型

1.1 地震-風(fēng)多災(zāi)害運(yùn)動方程

輸電線路服役周期長,不可避免會受到地震、風(fēng)荷載共同作用?；谳旊娝卣鹱饔孟聞恿W(xué)方程,考慮風(fēng)荷載作用影響,其地震-風(fēng)多災(zāi)害耦合作用下運(yùn)動方程如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

1.2 風(fēng)荷載時程計(jì)算方法

進(jìn)行輸電塔風(fēng)荷載動力時程計(jì)算時,采用諧波疊加法進(jìn)行風(fēng)速時程模擬,風(fēng)荷載向量矩陣FW按文獻(xiàn)[19]給出計(jì)算公式確定,即:

(3)

式中:ρ為空氣密度,A為結(jié)構(gòu)有效迎風(fēng)面積,CD(α)為風(fēng)攻角α對應(yīng)阻力系數(shù),輸電塔、導(dǎo)線和地線阻力系數(shù)分別取1.3、1.2和1.1[20];Uw(t)為輸電線路風(fēng)速時程,在笛卡爾坐標(biāo)系(x,y,z)中,可表示為:

(4)

1.3 風(fēng)荷載影響系數(shù)

為研究風(fēng)荷載對輸電塔-線體系地震與風(fēng)荷載耦合工況最大動力響應(yīng)的影響,定義風(fēng)荷載應(yīng)力影響系數(shù)λS和風(fēng)荷載位移影響系數(shù)λD。以λD反映風(fēng)荷載對輸電塔-線體系某桿件地震作用下最大應(yīng)力水平的影響,λD反映風(fēng)荷載對輸電塔-線體系最大塔頂位移的影響。當(dāng)λS和λD為正數(shù)時,代表風(fēng)荷載增大了結(jié)構(gòu)響應(yīng)。計(jì)算公式如下:

(5)

(6)

式中:SE,W為輸電塔某構(gòu)件耦合工況最大應(yīng)力,SE為輸電塔某桿件地震工況最大應(yīng)力,DE,W為輸電塔某節(jié)點(diǎn)耦合工況最大塔頂位移,DE為輸電塔某節(jié)點(diǎn)地震工況最大塔頂位移響應(yīng)。

2 工程概況及有限元建模

2.1 工程概況

選用SZC2型輸電塔為研究對象,如圖1所示。場地類別為Ⅱ類場地,設(shè)防烈度8度,罕遇地震峰值加速度0.4 g?；撅L(fēng)速27 m/s,設(shè)計(jì)覆冰厚度15 mm。鐵塔呼稱高30 m,總高46 m,根開7.8 m。輸電塔主材為Q420與Q345等邊角鋼,斜材為Q235等邊角鋼。導(dǎo)線型號為2×LGJ-400/50,外徑27.63 mm。地線型號為JLB-150,外徑15.7 mm。

圖1 輸電塔簡圖Fig. 1 Sketch oftransmission tower

2.2 有限元建模

采用ABAQUS軟件建立上述“三塔四線”有限元模型,水平檔距為400 m,如圖2所示。以垂直輸電線路方向?yàn)閄向,沿輸電線路為Y向,豎向?yàn)閆向。輸電塔桿件采用梁單元(B31)進(jìn)行模擬,地線及導(dǎo)線部分采用桁架單元(T3D2)進(jìn)行模擬,每根導(dǎo)(地)線劃分為50個單元。輸電塔底部采用固定端約束,導(dǎo)(地)線端部采用鉸接約束。

圖2 “三塔四線”有限元模型Fig. 2 Transmission tower-line model with three towers and four span lines

TIAN等[21]采用真型試驗(yàn)及有限元模擬方法研究了此型號輸電塔破壞全過程,研究結(jié)果表明:30～31.5 m高度處塔身主材為該輸電塔薄弱部位。選取中塔該位置主材為輸電塔觀測桿件,進(jìn)行應(yīng)力響應(yīng)分析。選取中塔塔身頂部為觀測點(diǎn),進(jìn)行位移響應(yīng)分析,如圖1所示。

3 動力響應(yīng)分析

3.1 地震波選取

根據(jù)輸電塔結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜,于太平洋地震工程研究中心數(shù)據(jù)庫獲取多條地震運(yùn)動記錄[22],以Humbolt Bay、Imperial Valley-04和Point Mugu三組真實(shí)場地地震動為例,包含兩個水平分量X、Y和一個豎向分量Z,詳細(xì)信息見表1。每條地震波截取15 s作為輸電塔地面輸入,時間間隔為0.005 s。水平X向峰值加速度(PGA)調(diào)幅至0.4 g,其余兩向進(jìn)行等比例調(diào)幅。

表1 地震波記錄信息Table 1 Information of ground-motion records

3.2 地震響應(yīng)分析

分別采用選取的3條地震波對輸電塔-線體系進(jìn)行多維罕遇地震作用下動力時程分析,觀測桿件的應(yīng)力時程曲線如圖3所示。在Humbolt Bay、Point Mugu和Imperial Valley-04作用下的最大應(yīng)力分別為-88.24 MPa、-56.80 MPa和-69.66 MPa?？梢钥闯?在不同地震波作用下,觀測桿件的峰值應(yīng)力差異明顯。在Humbolt Bay波作用下,輸電塔觀測桿件應(yīng)力響應(yīng)波動最為劇烈,峰值應(yīng)力最大。相對而言,Humbolt Bay波在三組地震波中是最不利的。

圖3 罕遇地震下觀測桿件應(yīng)力時程曲線 Fig. 3 Stress history curves of observation member under rarely occurred earthquake

中塔頂點(diǎn)(觀測點(diǎn))在3條地震波作用下沿X和Y向的位移時程曲線如圖4所示。在Humbolt Bay、Point Mugu和Imperial Valley-04地震波作用下,觀測點(diǎn)沿X方向的最大位移分別為-91.06 mm、-64.17 mm和84.34 mm,沿Y方向的最大位移分別為-52.60 mm、-33.46 mm和10.32 mm。可以看出:在不同地震波作用下,觀測點(diǎn)X和Y向位移響應(yīng)時程均存在一定差異,X方向位移峰值明顯大于Y向位移峰值。較Point Mugu波和Imperial Valley-04波,在Humbolt Bay波作用下,輸電塔觀測點(diǎn)X和Y向位移時程波動均最為劇烈,峰值最大。綜合觀測桿件和觀測點(diǎn)響應(yīng),Humbolt Bay波為輸電塔的最不利地震動輸入。

圖4 罕遇地震下觀測點(diǎn)位移時程曲線Fig. 4 Displacement history curves of observation point under rarely occurred earthquake

3.3 風(fēng)荷載模擬

根據(jù)《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5154—2012)[20],桿塔設(shè)計(jì)需進(jìn)行安裝工況驗(yàn)算,基本風(fēng)速按照10 m/s取值,塔和線處于無冰狀態(tài)。輸電塔一般位于空曠地帶,年平均風(fēng)速較大,很多地區(qū)的年平均風(fēng)速在7.5 m/s以上,甚至超過10 m/s。分別采用5 m/s、10 m/s和15 m/s作為基本風(fēng)速,采用Kaimal功率譜密度函數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng),采用諧波疊加法模擬風(fēng)場,生成各加載點(diǎn)60 s風(fēng)荷載的動力時程。輸電塔塔身風(fēng)荷載加載點(diǎn)如圖1所示,導(dǎo)(地)線加載點(diǎn)為各單元端點(diǎn)。圖5所示為輸電塔10 m/s風(fēng)速作用下塔頂處風(fēng)荷載時程數(shù)據(jù),可以看出:前15 s風(fēng)荷載波動較大,15 s以后風(fēng)荷載較為平穩(wěn)。

圖5 塔頂處風(fēng)荷載時程曲線Fig. 5 Wind load history curve of tower top

3.4 多災(zāi)害響應(yīng)分析

3.4.1 風(fēng)速影響

進(jìn)行輸電塔地震-風(fēng)耦合作用有限元模擬時,在風(fēng)荷載作用20 s后輸入地震波,輸電塔在前20 s只受風(fēng)荷載作用,20～35 s同時承受風(fēng)荷載和地震作用。風(fēng)荷載風(fēng)速分別采用5 m/s、10 m/s和15 m/s,并沿輸電塔-線體系X軸正向輸入,圖6為輸電塔在罕遇地震-風(fēng)荷載(不同風(fēng)速)耦合作用下觀測桿件應(yīng)力時程曲線?？梢钥闯?不同工況下的應(yīng)力時程曲線形狀接近。隨著風(fēng)速的增大,曲線整體向下移動,導(dǎo)致觀測桿件的峰值正應(yīng)力減小,峰值負(fù)應(yīng)力增大。輸電塔耦合工況應(yīng)力響應(yīng)受風(fēng)荷載作用影響明顯,各地震工況的觀測桿件應(yīng)力峰值得到不同增幅,其中輸電塔最不利地震動(Humbolt Bay波)工況增幅程度最小。受風(fēng)荷載作用影響,結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值出現(xiàn)時刻可能會出現(xiàn)變化。

圖6 罕遇地震-風(fēng)荷載耦合作用下觀測桿件應(yīng)力時程曲線Fig. 6 Stress history curves of observation member under the coupling of rarely occurred earthquake and wind load

輸電塔在地震作用下的Y向位移響應(yīng)明顯小于X向位移響應(yīng),本文以X向位移響應(yīng)為分析對象,研究風(fēng)荷載對觀測桿件位移時程的影響。圖7為輸電塔在罕遇地震-風(fēng)荷載(不同風(fēng)速)耦合作用下觀測點(diǎn)X向位移時程曲線?？梢钥闯?各工況觀測點(diǎn)位移時程形狀近似,整體隨風(fēng)速增大逐漸向上移動,觀測點(diǎn)X正向位移響應(yīng)逐漸增大,負(fù)向位移響應(yīng)逐漸減小。其中:Humbolt Bay波和Point Mugu波耦合工況中塔頂點(diǎn)X向位移峰值隨著風(fēng)速增大逐漸由負(fù)轉(zhuǎn)正。

圖7 罕遇地震-風(fēng)荷載耦合作用下觀測點(diǎn)側(cè)向塔頂位移時程曲線Fig. 7 Displacement history curves of observation point under the coupling of rarely occurred earthquake and wind load

表2給出了考慮風(fēng)荷載影響后,輸電塔在罕遇地震-風(fēng)荷載耦合激勵下的風(fēng)荷載影響系數(shù)。可以看出:在不同的地震波和不同風(fēng)速作用下,風(fēng)荷載影響系數(shù)不同。隨著風(fēng)速的增大,風(fēng)荷載應(yīng)力影響系數(shù)和位移影響系數(shù)呈增大趨勢。其中:輸電塔在最不利地震動(Humbolt Bay波)-風(fēng)荷載耦合作用下,由于輸電塔的地震響應(yīng)最大,風(fēng)荷載影響系數(shù)最小。在安裝工況風(fēng)速作用下,風(fēng)荷載應(yīng)力影響系數(shù)可達(dá)62.76%(Point Mugu波),風(fēng)荷載位移影響系數(shù)可達(dá)59.0%(Point Mugu波)。即使在大概率發(fā)生的5 m/s風(fēng)速作用下(年平均風(fēng)速為7.5 m/s),風(fēng)荷載影響系數(shù)也不容忽視?？梢钥闯?對輸電塔-線體系進(jìn)行罕遇地震作用下的抗震驗(yàn)算時,有必要考慮風(fēng)荷載的影響。

表2 罕遇地震-風(fēng)荷載耦合作用下輸電塔風(fēng)荷載影響系數(shù)Table 2 Wind load influence factors of transmission tower under the coupling case of rarely occurred earthquake and wind load

3.4.2 耦合作用時間影響

以輸電塔觀測桿件應(yīng)力響應(yīng)為例,研究耦合作用時間對輸電塔-線體系多災(zāi)害動力響應(yīng)的影響。地震波采用Humbolt Bay波,通過調(diào)整地震波輸入時刻,從而改變地震作用和風(fēng)荷載耦合作用時間。觀測桿件在地震作用和風(fēng)荷載單獨(dú)作用下的應(yīng)力時程曲線如圖8所示,A點(diǎn)為觀測桿件在地震作用下應(yīng)力的極小值點(diǎn),B和C點(diǎn)分別為觀測桿件在風(fēng)荷載下應(yīng)力的極小值點(diǎn)和極大值點(diǎn)。通過調(diào)整地震波輸入時刻,可以使觀測桿件應(yīng)力極值與風(fēng)致響應(yīng)應(yīng)力極值出現(xiàn)時刻接近,從而使觀測桿件在多災(zāi)害耦合作用下的峰值應(yīng)力增大或減小。設(shè)置兩組對照工況,Humbolt Bay-15.9 s(地震波在t=15.9 s輸入,以下類同)和Humbolt Bay-21.2 s與前述工況Humbolt Bay-20 s進(jìn)行對比分析。

圖8 觀測桿件地震和風(fēng)單獨(dú)作用下的應(yīng)力時程

觀測桿件在不同耦合時間作用下的應(yīng)力時程如圖9所示。可以看出:在不同耦合作用時間影響下,三組耦合工況觀測桿件應(yīng)力響應(yīng)時程形狀較為接近,應(yīng)力峰值存在一定差異。Humbolt Bay-20 s工況應(yīng)力峰值為105.75 MPa,小于Humbolt Bay-15.9 s工況應(yīng)力峰值(107.87 MPa),大于Humbolt Bay-21.2 s工況應(yīng)力峰值(99.68 MPa)。耦合工況峰值應(yīng)力明顯小于單獨(dú)工況峰值應(yīng)力之和,可以看出:觀測桿件多災(zāi)害工況下的峰值應(yīng)力不是單獨(dú)作用下峰值應(yīng)力的簡單疊加。

圖9 罕遇地震-風(fēng)荷載(耦合時間不同)耦合作用下觀測桿件應(yīng)力時程曲線

表3給出了輸電塔在不同耦合時間時的風(fēng)荷載應(yīng)力影響系數(shù),對于選取的三個工況,λS介于13.0%和22.2%之間,λS的最大值是其最小值的1.7倍。可以看出:受地震和風(fēng)荷載共同作用時間的影響,輸電塔風(fēng)荷載應(yīng)力影響系數(shù)是不確定的,且變化范圍較大。一般來說,當(dāng)觀測桿件地震作用應(yīng)力極大值與風(fēng)致作用應(yīng)力極大值出現(xiàn)時刻接近時,觀測桿件應(yīng)力極大值變大。當(dāng)?shù)卣鹱饔脩?yīng)力極大值與風(fēng)致作用響應(yīng)極小值出現(xiàn)時刻接近時,觀測桿件應(yīng)力極大值變小。輸電塔在地震作用-風(fēng)荷載多災(zāi)害工況下的峰值響應(yīng)與耦合作用時間相關(guān),其影響不容忽視。

表3 罕遇地震-風(fēng)荷載(耦合時間不同)耦合作用下輸電塔風(fēng)荷載應(yīng)力影響系數(shù)Table 3 Wind load strss influence factors of transmission towerunder the coupling of rarely occurred earthquake and wind with different coupling time

3.4.3 風(fēng)向影響

直線塔最不利風(fēng)向一般為45°或60°,此SZC2型輸電塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最不利風(fēng)向?yàn)?5°。為研究風(fēng)向?qū)旊娝卣痦憫?yīng)的影響,風(fēng)速取10 m/s,風(fēng)向分別采用0°(前文采用的風(fēng)向)、90°、180°、270°及最不利風(fēng)向(45°風(fēng)向),如圖2所示。地震波采用Humbolt Bay波,分別輸入不同風(fēng)向的風(fēng)荷載,對輸電塔-線體系進(jìn)行動力時程分析。觀測桿件在地震-風(fēng)荷載(風(fēng)向不同)激勵下的應(yīng)力時程曲線如圖10所示。可以看出:改變風(fēng)向后觀測桿件的應(yīng)力響應(yīng)變化明顯。0°、45°和180°風(fēng)向耦合工況應(yīng)力時程明顯大于90°和270°風(fēng)向耦合工況。風(fēng)向?yàn)?80°時,峰值正應(yīng)力最大; 0°和45°風(fēng)向耦合工況峰值負(fù)應(yīng)力較為接近,45°風(fēng)向工況略大于0°風(fēng)向工況;其余工況的應(yīng)力時程曲線基本位于上述三者曲線之間?？梢钥闯?當(dāng)風(fēng)荷載對地震輸入主方向造成影響時,輸電塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)產(chǎn)生的變化最大。

圖10 罕遇地震-風(fēng)荷載(不同風(fēng)向)耦合作用下觀測桿件應(yīng)力時程曲線

觀測點(diǎn)在耦合作用下的位移時程曲線如圖11所示,風(fēng)向包括0°、45°、90°、180°和270°五個風(fēng)向?？梢钥闯?觀測點(diǎn)位移時程曲線受風(fēng)向的影響較大。較地震單獨(dú)作用工況,地震-0°風(fēng)耦合工況下,觀測點(diǎn)位移時程曲線整體向X向正向偏移,0°風(fēng)增大了觀測點(diǎn)正向峰值位移。相反地,較地震單獨(dú)作用工況,地震-180°風(fēng)耦合工況下,觀測點(diǎn)位移時程曲線整體向X向負(fù)向偏移,180°風(fēng)增大了觀測點(diǎn)負(fù)向峰值位移。90°風(fēng)和270°風(fēng)向?yàn)轫槍?dǎo)(地)線方向,與結(jié)構(gòu)主地震輸入方向垂直,觀測點(diǎn)位移時程曲線整體上位于地震-0°風(fēng)和地震-180°風(fēng)時程曲線之間。最不利風(fēng)向(45°)工況位移時程曲線同整體向X向正向偏移,偏移幅度小于0°風(fēng)耦合工況。

圖11 罕遇地震-風(fēng)荷載(風(fēng)向不同)耦合作用下觀測點(diǎn)側(cè)向塔頂位移時程曲線

表4給出了不同風(fēng)向工況下輸電塔風(fēng)荷載影響系數(shù)。在不同風(fēng)向下,λS介于-0.2%～24.74%之間,λD介于-28.3%～41.7%之間?？紤]風(fēng)荷載耦合作用后,輸電塔在罕遇地震作用下的響應(yīng)可能增大,也可能減小。由于輸電塔-線體系高階振型影響較大,λS和λD的正負(fù)可能不同。例如,在Humbolt Bay-90°工況下,考慮10 m/s的風(fēng)荷載后,觀測桿件峰值應(yīng)力提高了12.2%,觀測點(diǎn)峰值位移減小了28.3%。

表4 罕遇地震-風(fēng)荷載(風(fēng)向不同)耦合作用下輸電塔風(fēng)荷載影響系數(shù)Table 4 Wind load influence factors of transmission towerunder the coupling of rarely occurred earthquake and wind with different directions

通過以上分析可以看出:輸電塔在地震作用-風(fēng)荷載下的耦合響應(yīng)受風(fēng)向影響顯著。風(fēng)荷載可以增大,也可以減小輸電塔在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。一般而言,當(dāng)風(fēng)向與輸電塔地震作用下最大位移響應(yīng)的方向一致時,風(fēng)荷載可增大其地震響應(yīng)。當(dāng)風(fēng)向與其地震作用下最大位移響應(yīng)的方向相反時,風(fēng)荷載可減小其地震響應(yīng)。對輸電塔進(jìn)行地震作用下-風(fēng)荷載下的多災(zāi)害響應(yīng)分析時,應(yīng)考慮風(fēng)向的影響。

4 結(jié)論

以某220 kV輸電塔為研究對象,采用動力時程分析法對其進(jìn)行罕遇地震作用和罕遇地震-風(fēng)荷載耦合作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行對比分析,研究了輸電塔受風(fēng)速、耦合作用時間和風(fēng)向等因素的影響,得到以下結(jié)論:

1)考慮風(fēng)荷載的耦合作用后,輸電塔-線體系在罕遇地震作用下的影響發(fā)生明顯變化。風(fēng)荷載對輸電塔多災(zāi)害動力響應(yīng)的影響不容忽視,其風(fēng)荷載影響系數(shù)會隨風(fēng)速的增大呈增大趨勢。

2)輸電塔在地震作用-風(fēng)荷載多災(zāi)害工況下的峰值響應(yīng)與耦合作用時間相關(guān),耦合作用時間的影響不容忽視。當(dāng)?shù)卣鹱饔孟碌膽?yīng)力峰值與風(fēng)致應(yīng)力極值(正負(fù)號與應(yīng)力峰值相同)出現(xiàn)時刻接近時,多災(zāi)害應(yīng)力響應(yīng)極值明顯增大。

3)輸電塔在地震作用-風(fēng)荷載下的耦合響應(yīng)受風(fēng)向影響顯著。風(fēng)荷載可以增大,也可以減小輸電塔在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。對輸電塔進(jìn)行地震作用下-風(fēng)荷載下的多災(zāi)害響應(yīng)分析時,應(yīng)考慮風(fēng)向的影響。

4)研究輸電塔-線體系在旱遇地震-風(fēng)共同作用下的響應(yīng)時,僅采用了某220 kV直線塔塔型,對于其他塔型,有待進(jìn)一步研究。