横隔面在高压输电塔抗风设计中的作用分析

肖 琦，王永杰，肖茂祥，刘剑波

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012;2.天津电力公司，天津300010;3.中国石油天然气集团公司吉林化建工程股份有限公司，吉林吉林132021)

高压输电塔作为一项重要的生命线电力工程设施，确保其结构体系在各种荷载作用下的安全可靠运行，具有重要的社会和经济意义［1］。近年来，我国高压输电线路风致倒塔事故呈逐年增多的趋势。据不完全统计显示:仅2005年全国因风致倒塌500 kV超高压输电塔18基，110 kV以上线路倒塔60基，我国输电线路防御重大自然灾害，特别是风灾的形式非常严峻。为了正确分析横隔面在输电塔抗风设计中的作用，本文以某实际500kV输电线路典型输电塔结构为背景，建立了不同横隔面配置方式的精细化输电塔-线耦联体系三维有限元模型，然后采用考虑随高度变化的Kaimal风速谱和Devenport相干函数，并结合谐波合成法数值模拟线路风场，利用大型通用有限元软件ANSYS对不同横隔面配置方式的输电塔耦联体系进行了风致动力响应分析。对比分析表明:在输电塔设计中合理设置横隔面，可以进一步提高输电塔的抗风性能［2-3］。

1 风荷载数值模拟方法

1.1 脉动风速时程模拟方法

近地风一般来说包含长周期的平均风和短周期的脉动风两部分。平均风沿高度遵循指数规律变化，通常视为静荷载;脉动风则随时间和空间而随机的变化，在数学上属于随机过程范畴。要模拟风场必须具备脉动风的自功率谱和互功率谱［4-5］。脉动风的自功率谱由强风观测得到风速时程获得，本文采用考随高度变化的Kaimal谱［6］，其形式为:

脉动风的互功率谱可通过相干函数求出，相干函数一般采用Davenport给出的经验公式［6］:

式中:cy是脉动风横向衰减因子，取值范围(7，20)，工程中一般可取cy=7或cy=8;Δy为空间两点的距离。

对于一维N变量具有零均值平稳随机过程Vj(t)(j=1，2，…，n)，其谱密度函数矩阵为S(w)，S(w)的各元素(j=1，2，…，n;k=1，2，…，n)是相关函数的傅立叶变换，按照Clolesky分解法，可分解为:

式中:H(w)为下三角矩阵。那么需要模拟的风速具有如下形式［7］:

式中:风谱在频率范围内划分为N个相同部分，Δw为频率增量，Hjm(wi)为上述下三角矩阵元素的模，ψjm(wi)为两个不同作用点之间的相位角，θml为介于0和2pi之间均匀分布的随机数［8］。

根据以上理论，在Matlab环境里开发了空间相关的风速模拟程序［9］。选定的风速时程采样点即风荷载加载节点，在迎风面上均匀分布，其中输电线平均每隔10.0 m取一个采样点，输电塔划分为12个区域，模拟每个区域正中位置处的风速时程［10］。结构10 m高处的平均风速为20 m/s，模拟时间步长0.2 s，共3000步，总时长600 s。图1是中相导线挂点处的风速时程曲线。

图1 中相导线挂点处的脉动风速时程曲线

1.2 风荷载时程计算

根据我国电力行业的标准［11］，输电塔上的风荷载可以按下式计算:

式中:k是风载体型系数;Ac是输电塔上杆件的挡风面积;V是计算风速。

对于输电线路风偏，作用在导线上起决定性作用的顺风向风荷载可按下式计算:

式中:Wx是垂直于电线轴线的水平风荷载;μsc是电线体型系数;d电线的外径，分裂导线取所有子导线外径的总和;lH是杆塔的水平档距;V为设计风速;θ是风向与电线轴向间的夹角;βc是风荷载调整系数，规范中在计算风偏角时取1.0，不考虑风的动态特性。

绝缘子串上的风压Pz，按下式计算:

式中:A是绝缘子串的受风面积;V是设计风速。

将由式(4)得到的风速时程代入式(5)～(7)，即可得到输电塔、导线和绝缘子串上的风荷载时程。

2 输电塔塔线耦联体系建模

2.1 输电塔原始设计简介

某500 kV超高压输电塔线路中的直线型自立式猫头塔，其三维有限元模型见图2。塔高46 m，呼高36 m，单回路设计。导线采用4×LGJ—500/45钢芯铝绞线，地线采用铝包钢绞线

LHBGJ—95/55。水平档距为400 m，无高差，最大设计风速30 m/s。

原始设计中，在塔身坡度不变段只设置了两个横隔，一个是塔腿处，另一个位于塔身第四段。

2.2 输电塔线耦联体系模型的建立

本文建立水平档距为400 m，无高差的一塔两线有限元模型见图3。为了简化模型，单根导线由四分裂导线等效而得，此导线的面积、张力与质量均为子导线的4倍。

建模分析时，对输电塔各受力杆件采用梁-杆单元进行模拟。采用ANSYS单元库中的Mpc184单元来模拟绝缘子［12］，选择ANSYS单元库中的Link10单元来模拟导-地线，该单元可以模拟几何大变形，常用来模拟松弛的线索。直线猫头塔底部四个节点采用固定约束。中间铁塔所挂的绝缘子两端采用铰接约束，用来平衡输电塔顺导线方向的张力，已达到对实际情况的模拟。

3 不同横隔面配置方式的输电塔-线耦联体系风致动力响应分析比较

3.1 原始设计输电塔的部分模态分析结果

模态频率分析结果见表1。输电塔模态分析结果表明:在输电塔的第3、5、6阶模态中，对应的频率分别为输电塔塔身下部无横隔面部位的交叉斜撑出现了出现了较为严重的局部阵型，见图4。根据模态分析结果可知，原有输电塔在第四阶模态就出现了塔身下部的局部阵型，第5、6阶模态也是塔身下部的局部阵型。此局部阵型容易在脉动风荷载的激励下使该部位的杆件产生较大的平面外位移，从而可能导致杆件发生失稳引起结构整体破坏，故在设计中本文适当增加了横隔面的数量以控制局部阵型的过早出现，从而增加结构的整体性能。

根据以上分析结果，在塔身下部增设了三个横隔面，增设横隔面前后塔身示意图见图6。新增设3个横隔面在中间3个塔段中央，其余位置的杆件形式和杆件均没有发生变化。

表1 原始输电塔模态分析

3.2 增加横隔面后输电塔的模态分析

如图6(b)所示，在原输电塔的2、3、4塔段各增设一个横隔面，然后对增设横隔面的输电塔再进行模态分析。模态分析的结果表明:增设了横隔面后，输电塔的前面6阶阵型中再没有出现局部振动模态。输电塔的相应第4阶模态见图5。

从输电塔模态阵型对比分析可以看出:输电塔在未增设横隔面之前塔身下半段整体性比较差，较早出现了局部振动模态。这样的局部振动模态在脉动风荷载的作用下很有可能造成结构的动力失稳破坏。增设了横隔面以后原来输电塔塔身的局部阵型得到了很好的抑制。

3.3 风致动力响应分析结果比较

采用ANSYS软件对所建模型进行风致动力响应时程分析。在进行时程分析之前需求出各模型在自重下的平衡状态，即找形分析。采用文献［13］提出的找形方法计算400 m档距模型在自重荷载作用下导线最大弧垂为10.933 m，与由悬链线方程理论计算值10.918 m相比，误差甚微，说明该找形方法精度较高。将自重下的平衡状态作为时程分析的初态，然后计算在随机风荷载作用下的动态响应。

按照设计风速取400 s的风速时程作为输入。由模拟得到的风荷载作用在输电塔线体系上，对比未增设横隔面的塔线体系和增设了横隔面的塔线体系的风致动力响应时程分析结果。在输电塔的结构设计中，由于受压杆件的面外变形对压杆的稳定有重要作用，在计算比较分析中，主要对比了两种不同横隔面配置方式下受压斜撑面外变形的大小。选取的对比斜撑为耦联体系中间塔与风向平行的受压面斜撑，此斜撑受力作用最大。为考察面外变形选取了几个关键节点位置如图6中数字所示。结果分析主要比较了关键节点面外位移的时程，绝对最大面外位移、平均面外位移。图7所示为中间塔的塔身下部分在动力风荷载作用下部分节点的面外位移dm时程曲线对比。其中“无横隔”是指实际铁塔塔身下部分未加横隔面时的计算结果。“有横隔”是本文根据模态分析结果建议在塔身下部分增设横隔面后的计算结果。

图7 不同横隔面配置方式下第2、3塔段斜撑面外位移计算结果

从图7分析对比结果可以看出:增设横隔面后原有斜撑的面外位移得到了大幅度降低，这大大降低了受压斜撑发生动态失稳的可能性。

两种不同横隔面配置方式下输电塔线耦联体系的风致动力响应内力计算表明:输电塔结构主材内力变化较大，节点3是两个塔段斜撑与主材相互连接的节点，对于未增设横隔面的情况下，该点的应力最大值为186 MPa，增设了横隔面以后提取该点的应力最大值为151MPa，增设横隔面以后该节点主材应力降低了18.8%。

4 结 论

在ANSYS有限元软件中建立不同横隔面配置方式的输电塔线体系的有限元模型，用ANSYS有限元软件分别对模型进行模态分析及风致动力响应时程分析;分析结果显示:

(1)输电塔如果没有合理配置横隔面，会过早出现严重的局部阵型，在脉动风荷载作用下出现局部阵型的部位，杆件面外位移比较大，有可能出现局部失稳从而导致结构出现动力失稳而破坏;

(2)输电塔通过增加横隔面后，虽然增加了用钢量，但结构的整体性能得到了极大的提高。模态分析和风致动力响应时程分析都表明横隔面的设置方式对输电塔的动力性能影响很大，合理的设置可以大大降低塔段斜撑的面外位移，减少输电塔段斜撑在脉动风荷载作用下发生面外失稳的可能性，同时也降低了输电塔主材的应力。总之，合理配置横隔面可以有效提高输电塔的抗风性能。

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