摘 要：輸變電塔體系遭受風(fēng)雨耦合作用破壞時(shí)常將原因歸于風(fēng)荷載，忽略了雨荷載耦合激勵(lì)的放大效應(yīng)。針對某輸電線路“一塔兩線”體系模型，以數(shù)值方法模擬良態(tài)風(fēng)雨場與濕下?lián)舯┝鲌龅娘L(fēng)雨時(shí)程荷載，分別對塔線體系進(jìn)行動力響應(yīng)分析，結(jié)果表明：降雨對輸電塔線體系的響應(yīng)，具有顯著影響，隨著雨強(qiáng)變大，塔線體系響應(yīng)增大明顯；在極值降雨條件下，濕下?lián)舯┝鲌鏊斘灰圃龇畲?，在X向和Y向分別達(dá)到31.30%和33.93%；兩種風(fēng)雨場中塔頂位移及加速度功率譜密度均出現(xiàn)明顯增幅，體系共振響應(yīng)增強(qiáng)，塔身關(guān)鍵位置主材應(yīng)力分別增大了11.64%、37.07%；在不同類風(fēng)場中，強(qiáng)降雨時(shí)雨滴沖擊對塔線體系產(chǎn)生的激勵(lì)增大作用不可忽略。

關(guān)鍵詞：塔線體系；風(fēng)雨荷載；良態(tài)風(fēng)雨場；濕下?lián)舯┝?；動力響?yīng)分析

中圖分類號：TU312+.1；V211.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.11776/j.issn.1000-4939.2024.02.014

Influence of raindrop impact load on dynamic response of transmission tower line system in different wind fields

Abstract：The damage of transmission and transformation tower system under wind-rain coupling often attributes to wind load， ignoring the amplification effect of rain load coupling excitation. Based on the tensioning tower system model of a transmission line， the time-history loads of wind and rain in a normal weather field and a wet downburst field are simulated. The dynamic response analysis of the tower-line system is carried out. The results show that the rainfall has a significant impact on the response of the transmission tower-line system. With the increase of rainfall intensity， the response of the tower-line system increases obviously. Under the condition of extreme rainfall， the displacement of tower top in wet downburst field increased by 31.30% in X direction and 33.93% in Y direction， respectively. The displacement and acceleration power spectral density of the tower top increased significantly in both wind and rain fields，and the resonance response of the system was enhanced. The stress of the main material at the key position of the tower increased by 11.64% and 37.07%，respectively. In different wind fields， the increasing incentive effect of raindrop impact on tower-line system during heavy rainfall cannot be ignored.

Key words：tower-line system; wind-rain load;normal wind and rain; filed wet downburst; dynamic response analysis

輸電塔線體系是電能輸送的載體，因其具有輕質(zhì)、高柔、小阻尼的特性，在極端氣象條件下容易發(fā)生疲勞損傷和倒塌破壞[1]，而事故調(diào)查分析往往將原因歸結(jié)于強(qiáng)風(fēng)作用。由于強(qiáng)風(fēng)通常伴隨強(qiáng)降雨，降雨對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響顯著[2]，因此有必要針對不同類型的風(fēng)場，對輸電塔線體系受風(fēng)雨作用效應(yīng)開展深入研究，為電力設(shè)施抵抗強(qiáng)風(fēng)雨作用的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

目前，有關(guān)輸電塔線體系抗風(fēng)雨研究還比較缺乏。對于良態(tài)風(fēng)場，文獻(xiàn)[3]對輸電塔線路的風(fēng)雨激振特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，表明降雨具有顯著荷載效應(yīng)。文獻(xiàn)[4]考慮降雨分類，建立輸電塔線體系的風(fēng)雨激勵(lì)動力分析模型，分析降雨對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的貢獻(xiàn)程度。上述研究為深入揭示風(fēng)雨對塔線體系的作用機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。而對于下?lián)舯┝鳎鋵儆谔禺愶L(fēng)，相較于良態(tài)風(fēng)存在顯著差異，具有對流空間小、突發(fā)性強(qiáng)、瞬間風(fēng)力大的特點(diǎn)，而濕下?lián)舯┝鬟€會伴隨強(qiáng)降雨，對構(gòu)筑物產(chǎn)生的影響仍然缺乏必要認(rèn)識。文獻(xiàn)[5]對輸電塔線在下?lián)舯┝髯饔孟碌氖芰μ卣骷坝绊憛?shù)進(jìn)行研究，但未考慮降雨荷載的影響。文獻(xiàn)[6]利用非高斯隨機(jī)過程方法，模擬濕下?lián)舯┝鞯挠甑螞_擊荷載，為濕下?lián)舯┝鲗λ€體系的作用研究提供理論方法。文獻(xiàn)[7]對輸電線路受下?lián)舯┝黠L(fēng)雨作用的振動特性進(jìn)行分析，但未涉及塔線體系。

由于雨滴沖擊力受重力及風(fēng)力雙重驅(qū)動作用，不同風(fēng)場結(jié)構(gòu)類型的風(fēng)雨對塔線體系的作用必然存在差異。本研究以“一塔兩線”體系模型為對象，針對兩種風(fēng)場伴隨不同降雨，模擬風(fēng)雨對塔線體系的動力作用，從塔身的塔頂位移響應(yīng)均方根、功率譜以及主材應(yīng)力等角度分析，獲取相關(guān)特性。

1 風(fēng)雨荷載模擬理論方法

1.1 風(fēng)荷載

對于良態(tài)風(fēng)，采用諧波疊加法進(jìn)行脈動風(fēng)模擬。對于下?lián)舯┝黠L(fēng)，可以看作由平均部分和具有隨機(jī)性的脈動部分組成。其平均部分風(fēng)速具有時(shí)變特征，可由豎向風(fēng)剖面分布函數(shù)與時(shí)間函數(shù)的相乘獲得，即

式中：V（z）為豎向風(fēng)剖面在該高度處的最大風(fēng)速；f（t）為描述數(shù)值風(fēng)剖面變化的時(shí)間函數(shù)。

f（t）=Vc（t）/maxVc（t）（2）

式中：Vc（t）為合成風(fēng)速，根據(jù)文獻(xiàn)[8]提出的矢量合成方法，空間一點(diǎn)P的風(fēng)速為徑向風(fēng)速Vr（r，t）與風(fēng)暴移動速度Vt的矢量和。

非平穩(wěn)脈動風(fēng)速可表示為調(diào)制函數(shù)和平穩(wěn)高斯隨機(jī)過程的乘積[9]。

u（x，y，z，t）=a（x，y，z，t）k（x，y，z，t）（3）

由兩種風(fēng)雨場各高度點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程可確定結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載時(shí)程，即

式中：μr為50年重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)1.0；ρ為空氣密度；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；As為體系結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積。

1.2 雨荷載

按每小時(shí)降雨量對雨強(qiáng)等級進(jìn)行分類，如表1所示。結(jié)合已有實(shí)測數(shù)據(jù)和研究分析，單位體積中雨滴的分布情況可由M-P譜分布確定，即

n（d）=n0e－Λd（5）

式中：n0=8×103個(gè)·m-3·mm-1；斜率因子Λ=4.1I－0.21，這里I為雨強(qiáng)（mm/h）。

單個(gè)雨滴的作用力為

式中：τ為雨滴撞擊結(jié)構(gòu)持續(xù)時(shí)間；d為雨滴直徑；Vs為雨滴撞擊前的末速度。

模擬時(shí)將雨滴作用力轉(zhuǎn)化為構(gòu)件表面的均布面荷載，即

Fd=F（τ）/Abα（7）

式中：A為雨滴截面面積，A=πd2/4；α為雨滴空氣中占有率，取α=1/6πd3N。雨滴的作用力可以表示為順風(fēng)向和豎直方向，順風(fēng)向雨滴速度趨于風(fēng)速，豎直方向速度趨于自由下落速度，與雨滴粒徑、阻力系數(shù)、雨滴密度和空氣密度相關(guān)。

2 結(jié)構(gòu)及荷載模型

2.1 塔線體系模型

以南方某地區(qū)110kV輸電線路耐張塔為對象，塔高45.5m，塔腿根開為10.42m×10.42m，水平檔距為400m，線路兩端無高度差。塔體主材及輔材分別采用Q345、Q235角鋼，彈性模量均為206GPa；輸電導(dǎo)線截面積3.8cm2，彈性模量10.1GPa；建立梁桿混合模型，對于主材位置采用B31空間梁單元建模，輔材及導(dǎo)線建模選用T3D2單元，體系整體有限元模型如圖2所示。

對塔線體系進(jìn)行模態(tài)分析，獲取塔體及導(dǎo)線的一階振型頻率，以反應(yīng)體系的動力特性，其結(jié)果如表2所示。

2.2 風(fēng)雨荷載

對于良態(tài)風(fēng)，輸電塔所在地為B類地貌（α=0.15），10m高度處設(shè)計(jì)風(fēng)速v10=27m/s；風(fēng)速譜采用Davenport譜；時(shí)間步長Δt=0.125s，截取頻率上限ωup=8π，采樣頻率點(diǎn)數(shù)N=4096。按上述條件模擬獲得塔線體系各高度點(diǎn)脈動風(fēng)時(shí)程[10]，由圖3可知，模擬風(fēng)速的功率譜和理想譜能較好吻合。

對于下?lián)舯┝黠L(fēng)，模擬參數(shù)取Vt=8m/s，最大徑向風(fēng)速取Vr，max=47m/s，特征距離r=700m，模擬時(shí)長為900s。體系與風(fēng)暴中心初始相對d0=3500m，e0=600m，下?lián)舯┝髦行南鄬w系移動狀態(tài)見圖4。疊加平均以及脈動風(fēng)得到體系不同高度處綜合風(fēng)速時(shí)程。

根據(jù)表3對體系進(jìn)行分段，塔體μs取2.36，導(dǎo)線μs為1.1，按公式（4）將風(fēng)速時(shí)程轉(zhuǎn)換為風(fēng)力時(shí)程，以集中力的形式施加于結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力響應(yīng)分析。

良態(tài)風(fēng)荷載的水平向力起控制作用，其加載方向?yàn)榇怪睂?dǎo)線（X向）。對于下?lián)舯┝黠L(fēng)，風(fēng)暴相對輸電塔線體系移動時(shí)，由于風(fēng)向角不斷變化，故將風(fēng)荷載分解為垂直導(dǎo)線（X向）與順導(dǎo)線（Y向）分力并施加于作用點(diǎn)上。雨滴沖擊荷載作為附加荷載，假定其為時(shí)均力。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

對塔線體系風(fēng)雨荷載作用下的動力響應(yīng)進(jìn)行有限元模擬，分析不同風(fēng)雨耦合環(huán)境下雨滴沖擊荷載對塔線體系的激勵(lì)影響。

3.1 風(fēng)雨作用響應(yīng)分析

塔線體系受風(fēng)雨激勵(lì)產(chǎn)生的最大位移出現(xiàn)于塔頂位置，圖5給出了兩類風(fēng)場環(huán)境下無降雨及極值降雨時(shí)塔頂位移時(shí)程。

由圖可知，對于良態(tài)風(fēng)雨作用，整體位移時(shí)程均值出現(xiàn)明顯上移，塔頂在22s及110s分別出現(xiàn)82mm及78mm的位移；在濕下?lián)舯┝鲌鲋?，受極值降雨影響，各向位移幅值顯著增加；沿X向，隨著風(fēng)暴中心不斷向塔線體系靠近，塔頂位移分量先增大，之后隨暴風(fēng)雨遠(yuǎn)離塔線體系而減小，位移主要出現(xiàn)在濕下?lián)舯┝髯饔玫?80s至700s區(qū)間內(nèi)，并在400s及510s處出現(xiàn)了130mm及132mm的極限位移；沿Y向，由于風(fēng)暴移動導(dǎo)致與塔頂?shù)娘L(fēng)向角不斷改變，在200～400s及500～600s兩個(gè)區(qū)段內(nèi)位移響應(yīng)波動劇烈，并出現(xiàn)兩個(gè)方向相反的位移峰值，在340s時(shí)出現(xiàn)正向84mm的位移量，410s時(shí)則出現(xiàn)負(fù)向26mm的位移量。

表4給出了純風(fēng)和不同降雨時(shí)塔頂位移均方根值。降雨強(qiáng)度較小時(shí)，兩類風(fēng)雨環(huán)境中雨壓荷載引起的位移均方根值增幅均較小。當(dāng)雨強(qiáng)增大至大暴雨強(qiáng)度時(shí)，塔頂位移均方根值出現(xiàn)顯著增大；極值降雨時(shí)，良態(tài)風(fēng)雨場中輸電塔頂X向位移均方根增大19.74%，而濕下?lián)舯┝鲌鲋兴擷向增大31.30%，Y向增大33.93%。雨壓荷載對體系的各向加速度也有明顯激勵(lì)效應(yīng)。由圖6可知，極值降雨條件下，良態(tài)風(fēng)雨場中塔頂X向加速度均值和峰值增大明顯；對于濕下?lián)舯┝鲌?，隨著風(fēng)暴移動，加速度有明顯的時(shí)效性，集中出現(xiàn)于暴風(fēng)雨靠近塔線體系的時(shí)段內(nèi)，加速度峰值在X向可達(dá)1.8m/s2，在Y向可達(dá)1.9m/s2，對結(jié)構(gòu)和導(dǎo)線產(chǎn)生不利影響。

3.2 響應(yīng)頻譜分析

結(jié)合體系模態(tài)分析結(jié)果，利用功率譜描述雨壓荷載對體系非線性動力響應(yīng)的貢獻(xiàn)[11]。圖7和圖8分別給出了塔線體系在純風(fēng)作用和兩類風(fēng)雨環(huán)境下的塔頂位移及加速度功率譜。圖7表明塔線體系受純風(fēng)作用時(shí)位移功率譜分布在低頻處與風(fēng)速譜形狀相近，存在較高的能量分布，該部分為背景響應(yīng)，主要體現(xiàn)為外界風(fēng)荷載對體系的作用。純風(fēng)與極值降雨情況下的譜總體分布大致相似，區(qū)別主要為后者較前者密度峰值提高。在極值降雨條件下，良態(tài)風(fēng)雨場中塔頂X向位移功率譜在0.393、0.851及1.312Hz處出現(xiàn)凸起的尖峰，表明塔線體系在這些頻點(diǎn)附近產(chǎn)生共振響應(yīng)，體現(xiàn)了風(fēng)雨荷載對體系的動力作用。對于濕下?lián)舯┝鲌?，塔頂位移功率譜密度在兩個(gè)方向均有大幅提高，在X向的0.329、0.659、2.187Hz處，以及Y向的0.351、0.668、2.231Hz處出現(xiàn)功率譜峰值。X向出現(xiàn)峰值的頻點(diǎn)相對于Y向偏低，分析是由于X向?qū)Ь€受風(fēng)雨荷載作用面積更大，且導(dǎo)線對體系平面外剛度約束較小。在兩種風(fēng)雨場中，共振頻點(diǎn)相較于塔體自振頻率提前，表明對于剛度較大的耐張塔線體系，在強(qiáng)風(fēng)雨荷載的激勵(lì)下，體系在低頻處便發(fā)生多次平面內(nèi)外振動。在純風(fēng)與極值降雨?duì)顟B(tài)下，塔頂加速度功率譜總體分布也較為相似，但后者在密度峰值上出現(xiàn)較大的增幅效應(yīng)（圖8），表明塔線體系受雨荷載的激勵(lì)作用后，整個(gè)體系的振動加速度響應(yīng)明顯提高。良態(tài)風(fēng)雨場中的加速度功率譜能量主要集中在低頻區(qū)間，高于3Hz的區(qū)域分布比較少；對于濕下?lián)舯┝鲌鲋?，在超過塔體自振頻率的頻率區(qū)域仍有較大的頻譜密度分布，表明其對塔線體系的破壞作用更大。

3.3 體系應(yīng)力分布

塔身主材應(yīng)力主要考慮桿件中彎曲應(yīng)力與拉壓應(yīng)力的組合，在風(fēng)雨作用下，塔身主材應(yīng)力沿高度變化較明顯，提取塔身各分段沿X向受拉主材單元應(yīng)力，如圖9所示。

應(yīng)力分布在①段處較小，之后沿高度增長先增大，在④段達(dá)到最大值后，沿高度增長則趨于減小，在⑨段出現(xiàn)非線性增大現(xiàn)象，分析原因是由于①段塔身主材截面尺寸較大，整體穩(wěn)定性較好；④段處于近地面塔身中下部，主材受較大的基底剪力以及來流外荷載作用，故應(yīng)力分布最大；⑨段處為橫擔(dān)，由于受荷面積突增而導(dǎo)致外荷載增大，且懸掛的絕緣子受導(dǎo)線兩端張力差作用，引起應(yīng)力出現(xiàn)非線性增大。對于良態(tài)風(fēng)雨場，在極值降雨條件下，④段位置主材應(yīng)力較純風(fēng)時(shí)增大了11.64%，而在濕下?lián)舯┝鲌?，較純風(fēng)時(shí)增大37.07%。這是由于濕下?lián)舯┝骺拷w系時(shí)，下沉氣流攜帶大量雨滴猛烈沖擊地面后向四周迅速擴(kuò)散，使得塔線體系同時(shí)受X及Y兩個(gè)方向的荷載作用，且在Y向，由于塔身橫擔(dān)部分與來流風(fēng)雨接觸面積最大，荷載增大效應(yīng)最為顯著；高柔性塔線體系在受雙向強(qiáng)風(fēng)雨作用時(shí)，風(fēng)雨致振動造成塔體彎曲應(yīng)力增大，且導(dǎo)線兩端張力牽引也引起塔體出現(xiàn)顯著的軸向應(yīng)力，最終導(dǎo)致濕下?lián)舯┝鲌鲋鞑膽?yīng)力增幅明顯。

4 結(jié) 論

本研究以耐張塔線體系為對象，對其在良態(tài)風(fēng)雨場及濕下?lián)舯┝鲌鲋性馐懿煌涤晏卣鞯膭恿憫?yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，獲得了以下主要結(jié)論。

1）小雨強(qiáng)時(shí)塔頂位移均方根值增幅不明顯，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到大暴雨級別后出現(xiàn)顯著增幅，當(dāng)降雨達(dá)到極值時(shí)在良態(tài)風(fēng)雨場X向增幅可達(dá)到19.74%，濕下?lián)舯┝鲌鯴向增幅可達(dá)到31.30%，Y向增幅達(dá)到33.43%。強(qiáng)風(fēng)雨作用時(shí)段內(nèi)整個(gè)體系的加速度幅值顯著提升，將會對塔線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定帶來不利影響。

2）強(qiáng)降雨作用下，位移功率譜出現(xiàn)多個(gè)尖峰，表明塔線體系的耦合動力響應(yīng)劇烈，產(chǎn)生多次體系共振反應(yīng)。加速度功率譜相較于純風(fēng)作用時(shí)密度峰值劇增，良態(tài)風(fēng)雨場的加速度功率譜主要分布于低頻區(qū)域，濕下?lián)舯┝鲌鲈诟哳l區(qū)頻譜密度仍然較大。

3）極值降雨條件下，在良態(tài)風(fēng)雨場中，關(guān)鍵位置主材應(yīng)力較純風(fēng)時(shí)增大了11.64%，在濕下?lián)舯┝鲌鲋?，較純風(fēng)時(shí)增大了37.07%。

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