500 kV同塔四回路大跨越塔动力特性分析

何天胜，耿景都，王振华，何运祥

(1.广东省电力设计研究院，广州市 510663;2.中国电力科学研究院，北京市 100192)

0 引言

大跨越输电塔结构具有高度大和档距大等特点，风荷载是设计控制荷载。随着塔高的增加，风荷载对塔的动力作用也随之增大，在研究大跨越塔的动力响应前先分析其动力特性有着十分重要的意义。因为从输电塔设计角度看，输电塔应该以横向和纵向弯曲振型为主，而其扭转振型不应先于弯曲振型出现。

GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》［1］规定:基本周期大于0.25 s的各种高耸结构均应考虑风压脉动对结构发生顺风向的风振影响，风振计算应按随机振动理论进行，结构的自振周期应按结构动力学计算。虽然其附录E给出了近似的基本周期计算公式，但公式范围太宽，而且基本周期只跟高度有关系。对于大跨越塔而言，在高度方向，大跨越塔在塔头位置具有质量集中和横担悬挑长的特点，其动力特性会发生改变。因此，有必要采用有限元方法对大跨越塔进行动力特性分析［2-9］。

西江500 kV同塔四回路大跨越塔工程为世界首例500 kV同塔四回路大跨越工程，其具有回路数多和横担悬挑长等特点，在进行风振动力响应计算前，应先分析其动力特性。本文以该工程为例，分析了大跨越塔单塔和塔线体系的动力特性，并比较了大跨越单塔与塔线体系动力特性的差异，论述了导线对塔线体系动力特性的影响，可为同类工程设计提供参考。

1 工程概况

图1为西江500 kV同塔四回路大跨越塔，其跨越形式采用耐—直—直—耐，档距分配为360 m—1 200 m—360 m。输电塔的呼高为140.0 m，塔全高为193.5 m，地线支架悬挑32 m，横担悬挑约27 m，塔头宽8 m，边坡宽12 m，根开为42.96 m。该塔为钢管结构，主材采用Q345钢，最大规格为φ1 422 mm×28 mm。大跨越塔中间设有电梯井筒，部分横隔面上设置休息平台及走道。导线共12相，每相挂2根KTACSR/EST－1000导线，共挂4根JLB20B－240地线。大跨越塔设计风速为37 m/s，B类地貌。

图1 西江500 kV同塔四回路大跨越塔Fig.1500 kV four-circuit on one large crossing transmission tower in Xijiang

2 有限元模型

利用ANSYS建立了输电塔线体系(2塔3线)的有限元模型，如图2所示。

图2 大跨越塔线体系有限元模型Fig.2Finite element model of large crossing transmission tower

根据性能参数等效的原则，将每相导线2× KTACSR/EST－1000等效为1根导线，并考虑4根地线。坐标设置:横担方向为x轴，顺线方向为y轴，铁塔竖向为z轴。塔身和横担的主材、塔身横隔面与电梯井筒之间相连杆件以及电梯井筒均采用空间梁单元BEAM4模拟，其他杆件采用空间杆单元LINK8模拟，绝缘子串采用LINK8单元模拟，地线和导线采用LINK10单元模拟。导线初始形态符合悬链线，导线张力通过初始应变施加。根据构造塔底按固结处理，地线、导线与绝缘子串的连接按铰接处理，绝缘子串与塔的连接也按铰接处理。塔线有限元模型共3 396个节点，4 722个单元，其中每根导线301个单元。

3 动力特性分析

3.1 基本理论

由结构动力学可知，结构处于弹性阶段的情况下，无阻尼多自由度体系的自由振动方程为

式中:M为质量矩阵;K为刚度矩阵;x为加速度;x为位移。

对式(1)进行边界条件处理，假设结构在无阻尼条件下作简谐振动，可以得到结构的广义特征方程为

式中:ω为结构的自振频率;{Φ}为振型向量。式(2)的特征行列式为

解式(3)可得到结构的各阶自振频率ωi和振型向量{Φ}i。

3.2 单塔动力特性

大跨越单塔模型前3阶振型见图3。从结果可以看出，单塔模型首先出现x轴一阶弯曲振型，然后是y轴一阶弯曲振型，再是z轴扭转振型，表明大跨越塔的结构体系布置合理。x轴(0.820 4 Hz)和y轴(0.828 8 Hz)弯曲振型的频率非常接近，z轴(1.281 6 Hz)扭转振型的频率与前2阶弯曲振型的频率相差约55%。

图3 单塔前3阶振型Fig.3First three order modes of single tower

3.3 塔线体系动力特性

大跨越塔线体系模型前6阶振型见图4。从结果可以看出，塔线模型首先出现x轴弯曲振型，然后是y轴弯曲振型，再是z轴扭转振型。对于塔线体系模型的x轴、y轴弯曲振型和z轴扭转振型，其同向一阶振型先于反向二阶振型出现，表明导线对输电塔形成了一定程度上的约束，提供了抗扭刚度。x轴(0.818 1、0.818 2 Hz)和y轴(0.836 5、0.837 6 Hz)弯曲振型的频率非常接近，z轴(1.266 2、1.312 7 Hz)扭转振型的频率与前2阶弯曲振型的频率相差约51%。

图4 塔线体系前6阶振型Fig.4First six order modes of tower-line system

3.4 单塔与塔线体系动力特性比较

大跨越塔单塔前3阶和塔线体系的前6阶频率和振型见表1。由表1可以看出，单塔的x轴弯曲振动频率高于塔线体系，而单塔的y轴弯曲频率和z轴扭转频率低于塔线模型，表明导线提高了塔线体系的y轴弯曲和z轴扭转刚度。

4 结论

(1)单塔和塔线体系均首先出现x轴一阶弯曲振型，然后是y轴一阶弯曲振型，再是z轴扭转振型，表明大跨越塔结构体系布置合理。

(2)塔线体系的x轴、y轴弯曲振型和z轴扭转振型的同向一阶振型先于反向二阶振型出现，表明导线对输电塔反向振动形成了约束。

表1 大跨越单塔和塔线体系自振频率对比Tab.1Natural frequency comparison between large crossing single tower and tower-line system

(3)单塔的x轴弯曲振动频率高于塔线体系，而单塔的y轴弯曲频率和z轴扭转频率低于塔线模型，表明导线提高了塔线体系的y轴弯曲和z轴扭转刚度。

［1］GB 50009—2001建筑结构荷载规范［S］.

［2］赵滇生，金三爱.有限元模型对输电塔架结构动力特性分析的影响［J］.特种结构，2004，21(3):8-11.

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(编辑:魏希辉)