输电线路在地震动作用下动力响应分析★

马芳静 　 付 兴 　 郑 帅

(1.辽宁工业大学管理学院，辽宁 锦州　121001；　2.大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连　116024；　3.中国建筑第八工程局有限公司大连分公司，辽宁 大连　116023)

0　引言

现如今，电力是支撑整个社会正常运行的基本要素，输电线路担负着传输电能的重要任务。一旦输电线路发生破坏，将会造成巨大的经济损失，严重影响人民生产生活。在各种威胁输电线路结构安全性的外部荷载中，地震显得尤为重要，在历次震害中均发生了输电塔倒塌事故。因此，非常有必要研究输电线路在地震动作用下的响应，分析各参数的影响，为输电线路抗震设计提供支撑。

在国内李宏男率先开展了输电塔线体系抗震方面的研究[1-3]，提出了塔线体系的简化运动方程，并通过震动台试验进行了验证。随着科技进步，计算机的计算速度越来越快，且出现了很多商业有限元软件，在此基础上，输电线路在地震动作用下的大规模精确模拟成为可能[4]。由于输电线路的跨越距离非常大，因此行波效应对输电线路的震动反应可能会有影响，有很多专家学者在这方面进行了研究[5]。由于地震会造成铁塔震动反应过大，从而引起整个输电线路发生倒塌，为了减小地震反应，提出了很多类型的阻尼器应用于输电塔线体系[6,7]。

本文以某500 kV输电线路为例，研究了地震动对整个结构动力反应的影响，得到了一些有工程参考价值的结果。

1　模型简介

本文模拟以某实际500 kV输电线路为例，塔高99.9 m，呼高69 m，相邻两塔跨越距离为500 m，是典型的羊角塔。铁塔杆件均采用角钢，所用钢材为Q235，Q345及Q420，弹性模量为206 GPa。输电导线为四分裂，导线型号采用LGJ630/45，单位长度质量为2.06 kg/m，导线平均运行张力为35.3 kN。地线型号采用JLB20A-150，单位长度质量为0.99 kg/m，地线平均运行张力为30.5 kN。绝缘子串的高度为6.654 m，总质量为285.6 kg。

本文数值模拟采用ANSYS建立整个塔线体系的有限元模型，为了更好的模拟边界条件，本文建立三塔四线模型来计算地震响应[8]，建立的有限元模型如图1所示。本文以中间塔为研究对象，导、地线及两侧铁塔是为了提供合理的边界条件。

2　地震波选取

本文采用的输电线路所在地区设防烈度为7度，场地类别为Ⅳ类场地，地震分组为第三组，特征周期为0.90 s。地震波的选取要满足《建筑抗震设计规范》[9]中5.1.2条的要求，经反复对比选取三条地震波(两条天然波，一条人工波)，其中天然波1为天津波(1976/11/25)，天然波2为Cape Mendocino波(1992/4/25，简写为Cape波)，人工波根据该工程场地特性合成，经归一化的加速度时程曲线如图2所示。三条地震波加速度反应谱平均值与规范反应谱对比如图3所示，可以看出所选地震波的平均反应谱和规范谱在统计意义上相符，满足规范要求。

根据《建筑抗震设计规范》表5.1.2-2，多遇地震峰值加速度取35 cm/s2，罕遇地震峰值加速度取220 cm/s2。在本文分析中，地震波的峰值加速度均取35 cm/s2，地震波施加方向垂直导线走向。从图2中可明显看出，地震波加速度较大区域都集中在前面，后面的加速度相对较小。因此，为了节省ANSYS计算时间，三条地震波时程均计算到20 s结束。

3　输电塔线体系地震作用下动力反应分析

将上节中提到的三条地震波依次施加到有限元模型中，计算整个塔线体系的动力反应。以中间塔为研究对象，应力最大时刻的云图如图4所示，从图4中可明显看出在三条地震波作用下，输电塔各个杆件的最大应力均没有超过屈服强度，杆件保持弹性状态，同时这三条地震波的计算结果相近，说明了所选地震波的合理性。

塔顶在两个水平方向的加速度时程曲线如图5水平方向顶点加速度对比所示，从图5中可明显看出两个方向的加速度相差很大。输电塔线体系在风荷载作用下，塔顶的横风向振动非常严重，两个方向震动通常在一个量级[10,11]。通过图5水平方向顶点加速度对比可知，风荷载与地震荷载的作用机理相差很大，输电线路在这两种荷载作用下的反应可比性很小。

为进一步说明建模时考虑导、地线的必要性，建立了一个单塔模型，同样施加上述三条地震波，计算得到的铁塔基底剪力、顶点加速度及位移最大值如表1所示，通过对比可明显看出，塔线体系与单塔模型计算的最大基底剪力非常接近，但人工波计算结果误差较大，达到了27.7%；顶点加速度及位移最大值相差非常大，单塔计算结果明显高于塔线体系计算结果，天津波作用下顶点加速度的相对误差最大达到了72.1%，说明单塔模型高估了结构响应，模拟输电塔在地震作用下的反应时，非常有必要考虑导、地线的影响。

表1　塔线体系模型与单塔模型计算结果最大值对比

4　结语

本文对某500 kV输电线路进行了抗震分析，为了准确的模拟输电塔线体系在地震作用下的动力反应，文中建立了三塔四线模型，以准确模拟输电塔的边界条件。通过模拟分析，得到了以下一些结论：

1)不同于风振响应，在地震作用下，输电塔横向震动情况非常小，可以忽略；

2)单塔模型高估了结构响应，模拟输电塔在地震作用下的反应时，非常有必要考虑导、地线的影响。

参考文献:

[1]王前信，陆鸣，李宏男.输电塔—电缆体系的合理抗震计算简图[J].地震工程与工程振动,1989,9(3):81-90.

[2]李宏男，陆鸣，王前信.大跨越自立式高压输电塔—电缆体系的简化抗震计算[J].地震工程与工程振动,1990,10(2):73-87.

[3]李宏男，王前信.大跨越输电塔体系的动力特性[J].土木工程学报,1997,30(5):28-36.

[4]朱碧蕾，胡文悌，李春祥.基于有限元分析高压输电塔结构的地震反应[J].地震工程与工程振动,2006,26(5):161-166.

[5]TIAN L，LI H，LIU G.Seismic response of power transmission tower-line system under multi-component multi-support excitations[J].Journal of earthquake and tsunami,2012,6(4):1250025.

[6]ZHANG P，SONG G，LI H-N，et al.Seismic control of power transmission tower using pounding TMD[J].Journal of Engineering Mechanics,2013,139(10):1395-1406.

[7]ZHANG P，REN L，LI H，JIA Z，et al.Control of wind-induced vibration of transmission tower-line system by using a spring pendulum[J].Mathematical Problems in Engineering,2015(5):671632.

[8]TIAN L，GAI X.Nonlinear Seismic Behavior of Different Boundary Conditions of Transmission Line Systems under Earthquake Loading[J].Shock and Vibration,2016(9):29-30

[9]GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

[10]付兴，李宏男.良态风及台风不同风谱对结构风雨振反应对比分析[J].振动与冲击,2015,34(11):7-10.

[11]付兴，林友新，李宏男.风雨共同作用下高压输电塔的风洞试验及反应分析[J].工程力学,2014,34(1):72-78.