输电铁塔强震抗灾能力分析

陈大斌，李东亮，朱瑞民，田雷

（国网北京经济技术研究院，北京市 100052）

0 引 言

相对于钢筋混凝土建（构）筑物而言，输电铁塔属于轻型、高柔结构，具有较好的抗震性能，在历次地震中输电铁塔震害相对较轻［1－2］。近年来，由于土地资源日益紧张，电网建设外部环境日益恶化，输电线路路径难免要经过一些对地震作用有放大效应的地段。地处抗震不利地段的铁塔，在强震作用下的抗震能力较普通地段差，是工程抗震设计的薄弱环节。同时，随着西藏、新疆等西部地区与内地联网工程的建设，输电线路不可避免会经过一些高烈度地震地区。为实现“小震不坏、中震可修、强震不倒”的抗震设防目标［3］，对输电铁塔进行强震作用下抗灾能力分析，并提出相应抗震措施对提高电网抗灾能力具有重要意义。本文以1基典型500kV输电铁塔为研究对象，以我国2008年汶川地震记录和美国1940年California EL Centro地震记录作为地震输入，采用时程分析法，分析其强震作用效应与非地震作用效应的差异，评价典型输电塔的强震抗灾能力。

1 分析模型

1.1 模型简化

本文在计算杆塔的动力特性时暂不计入导线和地线的质量［4］，主要基于以下考虑：（1）导线通过周期较铁塔长得多的绝缘子串与铁塔相连，挂有导线的铁塔动力响应比单独铁塔小；（2）导、地线的支撑作用增加了铁塔的刚度，会使周期减小，导、地线的质量又会使铁塔周期变长，总体上导、地线使铁塔的第1周期减小，对2阶以上的周期影响不大。

1.2 单元选择

铁塔是由许多构件组成的立体空间结构，本文进行的有限元分析中将每个构件视为1个梁单元（BEAM4）［5－6］，铁塔原形选择500kV双回路铁塔SZ4进行分析。

1.3 模型的自振频率

SZ4塔的自振频率计算结果如表1所示。

表1 SZ4塔自振频率Tab.1 Natural frequency of SZ4tower

2 铁塔抗震分析

2.1 分析方法

结构抗震动力分析一般采用反应谱分析法和时程分析法［7－8］。尽管反应谱法在抗震设计计算中得到广泛应用，但在分析多质点体系时，反应谱仅能给出结构各振型反应的最大值，而丢失了与最大值和振型组合有关的重要信息，难以正确进行各振型最大值的组合。时程分析法，也称直接动力法，可直接获得地震过程中结构节点各时刻的位移、速度和加速度，从而计算各时刻构件的地震内力。本文采用时程分析法进行铁塔的强震抗震能力分析。

2.2 地震波的选取

2008年“5.12”汶川大地震是国内近年来较为典型的高烈度地震，本文收集了汶川大地震中绵竹市清平、什邡八角等地的地震数据，选取较为典型的绵竹清平地震记录作为地震输入。该地震加速度时程的最大值相当于罕遇地震9度以上，低于10度。地震记录时长为160 s，时间间隔为0.005 s，NS向峰值为824.128 cm／s2、EW 向为802.713 cm／s2、UD 向为622.911 cm／s2，出现时间分别为46.86、48.52、47.24 s，EW、NS、UD方向加速度峰值比例为1∶0.97∶0.76。图1为EW、NS、UD方向的波形图。同时选用美国1940年California EL Centro地震记录作为对照计算，该记录是1个典型的Ⅰ、Ⅱ类场地地震记录，中长周期频谱丰富。

图1 汶川地震绵竹清平地震加速度图Fig.1 Seismic acceleration of the Wenchuan Earthquake in Qingping County of Mianzhu City

2.3 时间步长的选择

时程分析法的精度与时间步长的取值有关，一般，时间步长等于或小于结构自振周期的1／10，就可得到满意的结果。文献［8］指出时域中数值计算的精度不仅取决于方法的稳定性，还与时间步长有关。为保证计算的精度，避免出现发散现象，时间步长Δt应满足：Δt≤Tp／20（T为过程中出现的最大频率；p为对应的周期）。本次采用的地震记录时长为0.005s，足以满足计算精度的要求。根据竖向地震作用对结构影响的分析结果，本课题均需考虑竖向地震作用的影响，一般来讲竖向地震作用表现为高频振动，周期较短，在采取时程分析时，也有必要缩小步长，以防止计算结果分散，减少误差。

2.4 时长的选择

GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》指出：输入的地震加速度时程曲线的持续时间，不论实际的强震记录还是人工模拟波形，一般为结构基本周期的510倍［3］。根据铁塔动力特性分析，本结构的基本周期为0.76s，若按照上述规定，则分析时长达到7.6s即可满足要求。但从实际计算结果来看，7.6s不满足铁塔计算精度要求。为了便于比较，分别计算了160、3656、4656、3650s这4个时长的峰值，从计算结果看出3656s的峰值和160s的峰值极为接近。本次分析选取3656s的时长进行分析。

3 铁塔地震响应分析结果

地震作用下铁塔各构件的反应如表2所示。

由表2可知，SZ4塔在地震作用下的结构内力反应存在如下规律：

（1）主材内力自上而下逐渐加大。杆件210—220、690—800、800—860、6000—6100的内力（以压力说明）分别为－486.993、－1563.092、－1760.226、－2402.644kN，与非地震荷载作用下的内力分布趋势一致。

（2）横担主材受力自上而下逐渐减小。杆件170—210、250—260、520—530最大拉力分别为203.319、102.299、37.726kN；杆件180—220、420—430、680—690最大压力分别为－226.428、－132.755、－44.974kN。这显示了地震作用下，上部悬臂结构的放大作用非常明显，与非地震荷载作用有明显区别。

（3）在多遇地震下，即使9度以上地震，铁塔的地震效应也没有超出非地震荷载效应。

（4）在罕遇地震下，8度地震作用时，主要构件的铁塔地震效应与非地震荷载控制工况的效应相当。

（5）塔腿斜材内力与静力荷载分析结果对比，增加较多。

表2 SZ4铁塔主要构件内力Tab.2 Internal forces of main members of SZ4tower

4 竖向地震作用对结构的影响

由于输电铁塔横担属于较长的悬臂结构，计算了SZ4塔分别在有、无竖向地震作用参与时铁塔构件的内力反应（见表3），从表3可看出，竖向地震作用对塔身主材内力影响较小，最小值为2.22%，最大值约为17.41%；对横担内力影响较大，最小值为41.08%，最大值达215.87%。因此，对于横担较长的铁塔，进行抗震验算时应考虑竖向地震作用的影响。

表3 竖向地震作用影响分析Tab.3 Impact of vertical earthquake action

5 结 语

基于现阶段我国社会经济发展水平和输电杆塔的承载力水平，我国输电杆塔抗震设计以满足第2水准烈度——基本地震烈度基本要求，未提出强震烈度（第3水准烈度）设计要求。本文分析表明，典型杆塔在基本设防烈度下的地震作用效应一般低于非地震作用的荷载效应，具有较好的抗震能力，但在强震情况下，尤其是8度及以上设防烈度地区，罕遇地震作用超出了杆塔的承载能力，不一定满足“强震不倒”。因此，建议对于大跨越等抗灾能力要求很高的输电线路杆塔，应提出更高的抗震设防目标，考虑罕遇地震作用下承载能力验算。同时，对于横担悬臂较长（20 m以上）的杆塔，抗震验算时应考虑竖向地震作用的影响。

［1］尹荣华，李东亮，刘戈林，等.高压输电塔震害及抗震研究［J］.世界地震工程，2005，21（1）：51－54.

［2］张子引，赵彪，曹炜伟.四川汶川8.0级地震电网受灾情况调研与初步分析［J］.电力技术经济，2008，20（4）：1－4.

［3］GB50011—2010建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［4］GB50260—1996电力设施抗震设计规范［S］.北京：中国计划出版社，1996.

［5］徐鹤山.ANSYS在建筑工程中的应用［M］.北京：机械工业出版社，2005：206－216.

［6］傅鹏程，邓洪洲，吴静.输电塔结构动力特性研究［J］.特种结构，2005，22（1）：47－49.

［7］陈大斌，李东亮，张军，等.输电杆塔结构抗震设计［J］.电力建设，2012，32（5）：58－60.

［8］裴星洙，张立，任正权.高层建筑结构地震响应的时程分析方法［M］.北京：中国水利水电出版社，2006：111－139.

［9］GB50545—2010110750 kV架空输电线路设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2010.