新型单回路T接塔线体系的风致静力及动力稳定性研究

盛金马, 姜克儒, 常 江, 黎 彬, 王陈杰, 陈 磊, 李 凯

(1.国网安徽省电力有限公司 经济技术研究院,安徽 合肥 230071; 2.安徽华电工程咨询设计有限公司,安徽 合肥 230022; 3.北京航空航天大学合肥创新研究院,安徽 合肥 230012; 4.安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

因为输电塔线体系因风载荷作用下经常会发生侧倾失稳破坏[1-3],所以研究风载荷作用下的输电塔线体系的稳定性非常必要[4-6]。对输电塔线系统的静态稳定分析可以精确给出临界风速和塔失效单元[7-9],但是进一步对塔线体系进行动态稳定分析也非常必要[10-11],目前相关研究工作较少[12]。

本文以35 kV输电线路中一种新型的接线塔——单回路T接塔作为研究对象,传统的单回路T接塔采用双回路耐张塔单边挂线的方式实现T接,杆塔单侧受力,导线由三角排列变垂直排列,空间上存在角度差,结构受力不合理,在经济性上也比较差。新型的单回路T接塔在塔身四周设置横担实现T接,T接过程中导线始终保持三角排列,结构受力较为合理[13]。

本文基于线性滤波法,选用沿高度变化的Kaimal谱模拟脉动风[14],编制MATLAB程序模拟风荷载,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA分析输电塔在静力风荷载和脉动风荷载下的稳定性,用B-R准则判断失稳[15-16],为此新型单回路T接塔的输电线路技术设计提供指导。

1 模 型

1.1 有限元模型

本文以35 kV输电线路中一种新型单回路T接塔作为研究对象。导线为LGJ-240/30,地线为GJ-50,水平跨度L为300 m,绝缘子型号为XWP-70。

利用ANSYS中的APDL语言编写程序建立一塔三线模型,考虑几何非线性,采用理想弹塑性模型模拟钢材的材料非线性。塔身和横担主材采用Q345角钢,塔身斜材、横膈和其他辅材选用Q235角钢。

在静力计算中铁塔杆件采用可自定义截面形状的BEAM188梁单元;在动力学计算中铁塔杆件和绝缘子采用BEAM161单元,输电线选用LINK160单元。塔线体系有限元模型的示意图如图1所示。

导线在自重作用下的抛物线型计算公式[17]为:

(1)

其中:H为跨中张力;q为导线线荷载;L为跨度。

图1 一塔三线输电塔线体系精细化有限元模型

1.2 风荷载模型

在静力风下输电塔体系稳定性分析时,利用逐渐增加载荷法分析非线性稳定,考虑几何和材料双重非线性的影响,计算拟静力荷载为:

F=βsμsμzAV2/1.6

(2)

其中:βs为风振系数;μs为风载的体形系数;μz为风压高度变化系数;A为受力面积;V为风速。

模拟脉动风时,采用线性滤波法。利用沿高度变化的Kaimal谱,即

(3)

对于铁塔类细长建筑物,一般仅考虑竖向相关性,相关性取如下相关函数:

ρij=exp(-|zi-zj|/60)

(4)

其中:ρij为脉动风压相关函数;zi、zj分别为i、j点高度。

互谱密度函数为:

(5)

其中,Sii(n)、Sjj(n)分别为自谱密度函数。

图2 各个位置点的风速时程曲线

1.3 角钢构件材料本构

为精确模拟导线断裂诱发塔失效行为,为电塔角钢构件选择合适的材料本构模型十分关键。本文采用线弹塑性本构模型,角钢材料常用的线弹塑性随动硬化材料模型如图3所示,从图3可以看出其应力与应变的关系。

图3中:E、Et分别为弹性、塑性硬化模量;β为硬化参数控制材料的硬化方向,β=0、β=1分别为随动硬化、各向同性硬化,0<β<1为混合硬化,本文β取1。

图3 线弹塑性随动硬化材料模型

2 静力风下电塔稳定性分析

为得到风载导致的传输电塔失效机理,首先进行塔线体系的静态稳定分析,根据(2)式计算电塔各分段处的风压;然后加载到对应有限元模型的分段上,进行静态稳定分析。

为了清楚地显示电塔经过静力计算后的变形情况,放大10倍后的静力风下塔线体系静态失效模式如图4所示。从图4可以看出,静风作用下塔在下部位置出现破坏。

图4 塔线体系静态失效模式

电塔顶点(#556节点)风速-位移曲线如图5所示。由图5可知,在60 m/s拟静风作用下,曲线趋于水平,依据B-R准则,结构已达到失稳状态。为验证失稳,施加61 m/s风速,发生较大位移,确认结构失稳。

图5 静力风下结构顶点风速-位移曲线

3 动力风下稳定性分析

为分析动力风下塔线体系的失稳行为,采用线性滤波法模拟动力风时程。根据脉动风计算结果在塔线体系上施加总风压,对电塔进行动力稳定性分析。

动力风载作用下塔线体系失稳模式的模拟过程如图6所示,分别对应0.3、0.8、1.3、1.7 s时的状态。从图6可以看出,塔的材料首先从底部发生塑性变形,然后向上扩展,最终在塔的底部偏上的位置发生了破坏,这与静风作用下的失稳破坏位置类似。结果表明,此塔需在底部位置进行加强,以提高抗风能力。

图6 塔线体系动态失效模式

根据各风速下的位移-时程结果可得到电塔结构顶点的最大位移,例如塔线体系在风速为30 m/s时,电塔结构顶点位移-时程曲线如图7所示。

图7 结构顶点位移-时程曲线

由图7可知，塔线体系在30 m/s的脉动风作用下塔顶的最大位移为0.27 m,依次类推可以获得各种风速下的最大位移,电塔结构顶点风速-位移曲线如图8所示。由图8可知,结构在38 m/s动力风作用下曲线已趋于水平,位移达到最大值0.42 m,接近60 m/s静力风速时对应节点位移。并且,当对结构施加39 m/s动力风进行瞬态分析时,顶点发生较大位移,电塔失去承载能力。比较静力风和动力风作用下的风速-位移曲线(图5、图8)可知,电塔线体系稳定性受脉动风影响较大,电塔设计时应充分考虑动力学效应。

图8 动力风速-顶点位移曲线

4 结 论

本文以35 kV输电线路中一种新型单回路T接塔作为研究对象,对风载诱发的非线性静力稳定性及非线性动力稳定性进行了研究,依据B-R准则判断塔线体系的失效状态。首先基于Kaimal谱建立了风载荷模型,模拟风谱和目标风谱具有很好的一致性；然后利用ANSYS/LS-DYNA软件研究了不同风载荷作用下塔的静态和动态稳定性,获得了失效模式和最大位移-风速曲线。研究结果表明,风载荷对塔稳定性具有重要影响,动力学失稳总是比静力学失稳更加容易,因此在塔线体系设计时应该充分考虑动力学效应特征。该研究结果对此新型单回路T接塔的设计及应用具有一定的指导意义。