强风作用下高柔角钢输电铁塔风致振动研究

张志强

(广东电网有限责任公司湛江供电局,湛江 524005)

输电塔线体系是重要的生命线工程结构，它们长期在野外复杂地形地区服役，容易多发由于恶劣环境和荷载引起的损伤破坏事故。据国内外相关统计，在输电线路发生的灾害事故中，强风引发的损伤破坏占据了很大比例[1,2]。近年来我国常有输电铁塔的强台风损伤破坏事故。这些事故中输电线路已有多处铁塔基础发生倒塌、倾斜或杆件开裂破坏等，如2008年“黑格比”台风给广东阳江电网造成了很大损害，2012年强台风“韦森特”造成珠海、江门、阳江等市电网设备受损严重，2015年强台风“苏迪罗”造成福建电网大量灾害事故。输电线路的强台风倒塌灾害造成了重大的经济损失和次生灾害[3,4]。因此，研究输电塔线体系的风致振动特点，系统掌握其强台风破坏机理，可以了解目前输电线路设计建造和维护过程中的不足，可以进一步提出相关的加固处置措施，这具有非常重要的实际工程意义。但目前对输电塔线体系风致响应的研究还不完善。基于此，以南部沿海某实际输电塔线体系为工程背景，研究了角钢输电铁塔的风致响应问题，为输电杆塔的抗风防灾提供参考。

1 塔线体系模型及运动方程

基于有限元理论，输电铁塔杆件可采用梁单元进行模拟。输电线通常可采用索单元进行模拟，进一步的组合铁塔和输电线的刚度矩阵可得输电塔线体系的整体矩阵[5]

(1)

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式中，nc为塔线体系中导线的数量；M为输电塔线体系的总质量矩阵；K为输电塔线体系的总刚度矩阵。Mt为铁塔质量矩阵；Kt为铁塔刚度矩阵；Ml为输电线质量矩阵；Kl为输电线刚度矩阵。

输电塔线体系在风荷载作用下的运动方程可表示为

(3)

式中,x为塔线体系节点位移矩阵；M为塔线体系整体质量矩阵；C为塔线体系整体阻尼矩阵；K为塔线体系整体刚度矩阵；P为整体坐标系下的风荷载向量。

2 风致响应分析

由于输电线的影响，塔线体系是一种强非线性体系，其在强风荷载和自重作用下的动力响应计算必须采用非线性迭代算法

(4)

式中,R为塔线体系的总荷载向量，其中包括风荷载和自重荷载；Rs为初应力等效节点荷载向量。

采用Newton-Rapshon迭代法进行输电塔线体系的非线性反应分析。首先将杆塔和输电导线的刚度矩阵组集，则可得塔线体系在自重和强风荷载作用下的受力平衡方程

(5)

式中,KL和KNL分别为塔线体系的线性刚度矩阵和非线性刚度矩阵。

通过计算可得切线刚度矩阵并计算不平衡力向量，则第j+1步的塔线体系位移可表示为

xj+1=xj+Δxj

(6)

若不平衡力足够小并满足设定的标准值则计算完毕。如果不满足设定的收敛准则，则重复以上步骤直至满足收敛准则为止。

3 工程实例

某220 kV角钢输电铁塔位于广东南部沿海地区，塔高62.5 m。该塔为直线塔，塔型为KGU，杆件截面为L型角钢，底部根开7.5×7.5 m。塔的呼高为45 m。塔腿高度相等，接腿高度为2.28 m，横担以上高度为17.5 m，塔总高度为62.5 m。该塔两侧所连的输电线为不等长档距，短档距为490 m，长档距为530 m，两边各连导线6相，导线型号为2×LGJQRe-300。地线2根，型号为GJ-50。杆塔材料为Q235和Q345钢，弹性模量Es=2.01×1011N/m2，密度ρ=7.85×103kg/m3，泊松比0.25，构件截面为等肢角钢。图1显示

了该角钢输电铁塔结构示意图。图2为输电塔线体系有限元模型，该塔共有470个节点，1 370个单元。输电塔线体系出平面方向横向为x轴，在平面方向纵向为y轴,沿塔高为z向。该文首先分析计算了该塔的动力特性，结果表明由于导线的偶联效应，输电塔的振动频率发生了一定程度的变化，各阶频率变化幅度约为1%～10%，塔线体系的偶联效应的影响较为显著。

分析研究表明强风荷载沿着平面外方向作用时，结构的风振响应明显大于沿着平面内方向作用的响应。因此论文在此重点给出了强风沿平面外方向作用时的塔线体系风致响应分析结果。图3和图4分别给出了塔顶节点和塔身中部节点的动力响应时程曲线。表1则给出了输电塔线体系不同位置的风振响应峰值结果。计算结果表明：该文所研究的角钢输电铁塔其塔顶的风振响应远远大于塔身的风振响应。塔顶平面外方向的位移可达1.189 m。而塔身中部节点6114的平面外方向的峰值位移为0.255 m。显然通过对比不同位置的风致位移峰值可知：该输电塔的风致位移表现为弯曲变形特征。而速度和加速度风致响应结果与位移类似，随着高度的增加峰值速度和加速度逐渐增加。

表1 输电塔线体系不同位置的风振响应峰值

4 结 语

该文研究了沿海地区某高柔角钢输电杆塔的风致响应特点。首先基于有限元理论建立了输电铁塔的有限元模型，在此基础上考虑导地线作用建立了输电塔线体系的三维有限元模型。进一步的计算了塔线体系的风致振动响应。研究表明：该输电塔的风致位移表现为弯曲变形特征。而速度和加速度风致响应结果与位移类似，随着高度的增加峰值速度和加速度逐渐增加。