输电塔在断线荷载下的动力响应

徐 乾,简 政,胡 丰,2,刘 晨

(1.西安理工大学土木建筑工程学院,陕西 西安 710048;2.西北电力设计院,陕西 西安 710075)

0 前 言

输电塔是远距离输电的主要承载体系,在运行过程中要承受水平方向和竖直方向的各种荷载。国内外许多研究都是关于输电塔在地震荷载、风载和覆冰荷载下的抗震、抗风和振动控制,对于输电塔在断线荷载作用下的动力响应研究并不多。而在1975年美国的Wiscomsin和Indiana就发生了因线路断线导致多个输电线倒塌,使整个输电线系统瘫痪的事故。1993年美国Nebraska州发生多股诺米牌恶性倒塌事件,即输电塔受冲击作用一个接一个发生倒塌,103 km长的400多座输电塔发生连续倒塌[1],这是国内外著名的因导线断裂,而造成的输电塔倒塌的事故。2008年年初,在我国的南方地区遭受五十年一遇的冰雪灾害,许多输电塔因导线突然断裂发生倒塌或倾斜,这严重影响了人们的正常生活和经济建设[2]。

鉴于导线断裂会给输电塔带来很大的冲击效应,目前对于输电塔在冲击荷载下的动力响应研究也有不少。Fleming等用静力平衡法分析了线路断线不平衡张力,并编写了相应的计算程序[3];Peyrot结合实测研究了输电线路断线动态张力前两个峰值的估算公式[4];Campbell推导得输电塔线体系断线时的静力方程,获得断线后的平衡位置和残余应力[5];Mozer依据简化物理模型推导出断线荷载下峰值应力的半解析公式[6]。我国学者在这方面的研究也比较多,夏正春、李黎、梁政平等人通过有限元数值模拟分析,得到了输电塔在断线荷载作用下的响应[7-8];后勤工程学院的谭庆等人给出了输电线体系在发生断线时,塔-线体系的动力响应[9];此外浙江大学的沈国辉、孙炳楠、楼文娟等人也研究了断线荷载对输电塔体系的冲击效应,以及导线断裂后落在地面而引发的对塔—线体系的二次冲击效应[10]。但所有研究都是将断线荷载考虑为瞬间、同时作用在输电塔上,没有分析在不同步断线荷载作用下输电塔的动力响应。

本文通过有限元计算,比较了不同断线情况下输电塔的动力响应。结果发现断线发生后,输电塔会产生很大的位移响应和应力响应,这种现象在塔头位置最为明显。还发现当多根导线不同时断裂时引发的动力响应更为明显。但是在现行的杆塔设计规范中,只是将断线荷载等效为导线极限应力的15%～25%,没有考虑断线时所引发的动力响应[11]。

1 输电塔有限元模型

模型包括三座输电塔两档导(地)线,塔高85.9 m、塔头宽度3 m、根开24.45m、档距450 m。输电导线为双回路,导(地)线分四层,最上层为两根地线,其下三层每层由四根导线组成。导线牌号为LGJ-240/40,弹性模量为78.4 GPa,导线直径 18.58mm,导线面积为271mm2,导线单位质量为969 kg/km,导线比载为34.047×10-3N/(m·mm2),导线运行张力86.18 N/mm2,导线极限张力为77.028 kN。地线牌号为JL/LB/A99/55,弹性模量为178 GPa,地线直径为13.95mm,地线面积为152.8mm2,地线单位质量为639.2 kg/km,地线比载为 40.99N×10-3N/(m·mm2),地线运行张力为 103.76 N/mm2,地线极限张力为83.48 kN。采用SAP2000有限元程序建模,其中用杆单元模拟输电塔的等边角钢,单个直线塔包括1058个节点,2674个杆单元。对于导线也用杆单元模拟,但要求其只能受拉不能受压,而且也不能抗弯,所以需要对其属性进行修正,最后建立起输电塔体系有限元模型。取塔头位置节点77及横担位置节点730和节点729作为指定计算点,如图1所示。取塔身13个杆件作为指定计算杆件,如图2所示。

图1 指定节点示意图

图2 指定杆件示意图

2 断线分析

现有的许多研究表明,当多根导线同时断裂时,输电塔的最大位移响应和应力响应大都出现在导线断裂后0～2 s内,因此考虑导线断裂时间间隔在0～3 s内时,断线荷载对输电塔的冲击效应。规定材料本构关系遵循广义胡克定律,而且荷载工况仅考虑断线荷载,不考虑地震荷载、风载、覆冰荷载等荷载工况。导线断裂在瞬间(1s～4 s内)完成,导线内的应力也同时瞬间线性卸除。导线断裂后输电塔在阻尼(阻尼比 ξ=0.02)作用下做有阻尼的自由振动,为方便分析计算,假定导线断裂间隔时间为0.5 s、1 s、1.5 s和 2 s,假定最多有四根导线断裂 ,计算在不同断线组合条件下的危险工况,输出断线后10 s内输电塔的动力响应。用Uy表示断线荷载作用下指定节点的顺线向位移,用冲击系数η来表征指定杆件轴向应力动力响应,其中η=(NU-N0)/N0,NU为冲击荷载下杆件的轴向应力;N0为自重作用下杆件的轴向应力。

2.1 导线断裂两根时的危险工况

规定导线同时断裂为工况一,当导线断裂有时间间隔的工况为工况二,而且发现两根导线断裂时间间隔为1.5 s时,输电塔的动力响应最大。

2.2 导线断裂四根时的危险工况

仍然规定四根导线同时断裂为工况一,四根导线断裂有时间间隔的工况为工况二,且第一根导线与第二根导线断裂时间间隔1.5 s、第二根导线与第三根导线断裂间隔0.5 s、第三根导线与第四根导线断裂间隔1.5 s时,输电塔的动力响应最大。

通过图3～图10的Uy时程曲线图中可以观察到,随断线根数增加,塔头位移和横担两侧的位移响应有所增大。当断线根数相同时,在断线后大约2 s内,导线同时断裂所引发的顺线向位移要大于导线断裂有时间间隔时所引起的位移响应;在这以后,后者所引发的动力响应将远大于前者,而且随断线根数的增加,这种现象将更加明显。顺线向位移最大可达204.4cm。而且都伴随着较大的扭转变形,随断线根数的增加,这种扭转效应也将更加明显。而且大约在断线后6 s内,输电塔的扭转变形比较明显,随时间的推移,这种扭转变形逐渐消失。此外,塔身杆件轴力也有较大变化,通过表1及表2都可以观察到这一现象。随断线根数的增加,η也会逐渐变大。当断线根数相同时,导线同时断裂工况下的η稍小于导线不同时断裂工况下的η,但随断线根数增加,两者之间的差别就非常明显了。这些计算结果都比在自重条件下位移和应力大很多,通过以上的图表也能看到。所以将断线荷载看做静力荷载进行设计,难免有不妥之处。

图3 导线断裂两根时节点77Uy时程曲线图

3 结 论

(1)通过SAP2000有限元程序,在线弹性范围内,可以较好的模拟输电塔在断线荷载作用下的动力响应。

(2)导线断裂后,在塔头位置产生较大的顺线向位移,在横担两侧出现较大的相对位移。表明输电塔在断线荷载作用下,产生了大位移。输电塔会进入非线性状态,因此仅采用线性理论分析方法有一定的局限性。

图4 导线断裂两根时节点729Uy时程曲线图

图5 导线断裂两根时节点730Uy时程曲线图

图6 导线断裂两根时节点729与节点730Uy时程曲线图

图7 导线断裂四根时节点77Uy时程曲线图

图8 导线断裂四根时节点729Uy时程曲线图

表1 导线断裂两根时塔身指定杆件轴向应力

表2 导线断裂四根时塔身指定杆件轴向应力

图9 导线断裂四根时节点730Uy时程曲线图

(3)针对断线后输电塔产生的动力响应,可以在输电塔上设置支撑或阻尼器,以减小这种冲击效应。

(4)分析结果显示,断线荷载引发的动力响应远大于静力作用下输电塔的响应,这对杆塔设计和工程应用有一定的参考意义。

图10 导线断裂四根时节点729与节点730Uy时程曲线图

[1]John D Mozer,Joe C Pohlman,JohnF.Fleming longitudinal load analysis of transmission line system[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1977,96(5):1657-1665.

[2]王方林.对我国南方地区冰雪灾害中输电杆塔破坏的讨论[J].特种结构,2008,25(2):14-16.

[3]Fleming J F,Athins R S,Mozer JD.A program for longitudinal load analysis of electric transmission lines[J].Computers and Structures,1978,9(3):237-253.

[4]Peyrot A H,Kluge R O,Lee J W.Longitudinal loads from broken conductors and broken insulators and their effect on transmission lines[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1980,99(1):222-234.

[5]David B Campbell.UnbalancedTensions in transmission lines[J].Journal of the StructuralDivision Proceeding of American Society of Civil Engineering,197096(STl0):2189-2207.

[6]Mozer J D,Wood W A,Itribar John A.Brokenwire test on a model transmission line systems[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1981,100(3):938-947.

[7]夏正春,李 黎,梁政平,等.输电塔在线路断线作用下的动力响应[J].振动与冲击,2007,26(11):46-49.

[8]夏正春,梁政平,李黎,等.大跨越输电塔线的断线振动及控制[J].武汉理工大学学报,2008,30(9):85-88.

[9]谭 庆,程 华,王仲刚,等.输电塔-线体系在断线作用下的动力响应[J].后勤工程学院学报,2009,25(3):15-18.

[10]沈国辉,墨增禄,孙炳楠,等.突然断线对输电塔线体系的冲击作用研究[J].振动与冲击,2009,28(12):5-8.

[11]西南电力设计院.DL/T5154—2002.架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S].北京:中国电力出版社,2002.