钢管输电铁塔风致振动疲劳损伤机理及其防治措施研究现状与展望

2023-12-19舒前进

科技创新与应用 2023年34期

党睿，贾秩，舒前进

（1.国网新疆电力有限公司，乌鲁木齐 830000；2.国网山西省电力公司，太原 030021；3.中国矿业大学，江苏徐州 221116）

随着我国经济社会的快速发展以及人们对电力供应需求量的增高，特高压输电铁塔的建设变得极为重要，其安全性与耐久性也越来越受到人们的重视与关注。而钢管体型良好、迎风系数小、截面回转半径大且轻质高强，具有较好的各向同性；在结构计算时受力简单、路径明确，能够有效减小塔身风荷载，提高结构稳定性，因而被广泛应用于大部分输电线路铁塔中。目前，随着我国同塔多回路工程、大截面导线工程、大跨越铁塔及特高压输电铁塔的不断建设，塔身所承受的荷载越来越大；而铁塔又属于高耸风敏感结构，其风荷载效应非常突出。近年来，因风荷载造成的输电铁塔倒塌事故频出。因此，如何准确计算铁塔风荷载对于铁塔的振动变形与疲劳损伤就显得尤为重要。基于以上背景，本文分别阐述了国内外钢管输电铁塔的风致振动和疲劳损伤研究现状，总结当前研究所得出的杆塔风致响应影响规律以及防治措施，指出目前存在的不足和后续可能的研究方向，从而达到减少铁塔在风荷载下的振动与疲劳破坏、提高铁塔结构稳定性、延长铁塔寿命的目的。

1 输电铁塔的风致疲劳性能研究

风荷载是输电铁塔的主要设计荷载。风荷载会导致杆塔的整体振动以及局部钢管杆件的涡激振动，在节点板和钢管相交或邻近的范围内产生局部破坏，久而久之出现疲劳破坏，影响铁塔主体结构安全。因此，对输电铁塔结构进行风振疲劳分析有着重要的现实意义。国内外学者对输电塔的风致疲劳性能进行了研究。

关于输电塔系风振疲劳的研究，是从1966 年Davenport 在研究风致疲劳问题引入了高斯假定开始的。

在铁塔节点疲劳试验研究上，龙翔等[1]对输电塔架的K 型节点进行了疲劳试验：从静载应变的分析结果来看，测点的应力变化大致成线性，在循环荷载的反复加载下，没有出现应力重分布现象，构件偏于安全。

在铁塔风致疲劳寿命的预测方法上，Mikitarenko等[2]总结了国外多地的铁塔倒塌事件，认为风荷载是导致其破坏破坏的主要原因，对铁塔的疲劳寿命及耐久性作出了评价。汪之松等[3]针对某自立式输电杆塔的风振疲劳性能进行了塔线耦合体系建模，随后进行了随机风荷载的数值模拟并对耦合塔线体系进行了非线性时程分析，得到了铁塔的疲劳危险杆件，并运用线性累计损伤法对其进行了疲劳寿命评估。饶俊[4]总结了随机风荷载的模拟方法以及常用的疲劳寿命估算方法，并完整地阐述了风振时域分析的一般性步骤，最后对某双回路直线塔进行了风振频域分析，得到了影响杆件和连接件疲劳寿命的可能影响因素，并对铁塔的疲劳寿命进行了预测。周春良等[5]对随机风荷载的计算方法以及钢塔架的结构响应进行了理论分析，采用等效窄带法进行了铁塔疲劳寿命的计算并进一步研究了钢塔架的风振疲劳累计损伤。孙成等[6]模拟了某铁塔输电线路的瞬时风荷载并对其进行风振时程分析，而后通过Miner 线性累积损伤理论对其进行疲劳寿命预测，得到了在不同风荷载下铁塔的疲劳部位，最后通过雨流法和S-N 曲线计算了关键部位的疲劳寿命。Toshinaga 等[7]对一个大型输电塔架进行长期实地观测，分析了大型输电塔架在风荷载作用下的响应特征。Wyatt[8]分析了塔架对风致疲劳的敏感性，研究表明：当节点设计良好时，可以有效减少阵风对于铁塔的疲劳破坏。Dionne 等[9]进行了基于频域方法的结构风振疲劳寿命计算研究。

总的来说，对于铁塔的疲劳分析，首先是基于风荷载下的风振时程模拟，得出铁塔的疲劳损伤关键部位，然后根据计算结果运用疲劳累积损伤Miner 准则、雨流法或频域方法来估算铁塔的疲劳寿命。在铁塔的疲劳寿命预测方法的选取上，各方法均有自己的局限性：如目前常用于输电铁塔风振疲劳计算的Miner 准则未考虑低于疲劳极限的应力影响，会得出比较偏于危险的结果。而雨流计数法用来估算铁塔构件的疲劳寿命在计算量上非常巨大，实际应用时并不方便。频域分析的计算方法，可以由激励荷载谱和结构的频响函数方便地得到结构的响应来估算铁塔的疲劳寿命。此外，在疲劳强度测试中，一般只考虑风荷载的理想状态，未考虑其他因素的影响，这就导致计算结果不准确。且当前对于铁塔风振疲劳的研究试验大多只针对1～2 种特定的塔型并基于特定的工程实例来进行研究[10]，未来应考虑不同塔型以及不同地貌特征下的普遍情况并综合考虑导线、金具以及其他外力因素的耦合作用，从而得到更普遍的铁塔风致疲劳规律。

2 输电铁塔的风振响应规律研究

对于大跨越铁塔来说，其杆塔结构高、横担长，质量和刚度沿高度的不均匀性更明显。因此，风荷载对大跨越铁塔结构的弯曲、扭转作用都十分显著。风荷载影响下的输电铁塔结构体系，其自振频率趋近于风的卓越频率，这就会使得铁塔的风振响应变得十分敏感。在输电铁塔及塔线体系的风振响应研究中更多是通过时域分析方法，得到多种参数的时程曲线，可以较为全面地反应风荷载作用下杆塔及线路的动力特性和几何非线性。学者们对输电铁塔的风振响应规律已有一定的研究。

刘慧群等[11]对输电铁塔的顺风风振响应计算方法进行了理论分析，并基于现场实测数据，拟合得到了塔架的一阶线性广义荷载谱并对其进行了简化。夏闯娜[12]对单塔以及塔线体系分别进行了有限元建模，并进行了动态特性与风振时程分析，得到了单塔与塔线体系相比分别在位移均方根和加速度均方根上的变化规律。龚靖等[13]建立了大跨越输电铁塔的有限元模型并对其进行了风荷载下的抗风时程分析，研究表明，塔中混凝土灌注量的增加可以增加铁塔刚度，进而减少风荷载下的塔顶位移。鞠彦忠等[14]以某四回路钢管角钢组合塔为对象，利用有限元进行风速时程模拟，比较了不同风速谱下与目标谱的拟合结果，得到了输电塔的脉动风响应规律。付兴等[15]模拟了台风风场对某铁塔进行了动力时程分析，并基于惯性力法获取了铁塔的风振系数及塔线的耦联效应，研究表明，台风相比于良态风，顺风向风振系数更大，且导线会放大铁塔的基频。屈讼昭等[16]运用随机振动线性滤波器模拟脉动风荷载，得到了铁塔的风振系数，得到了在不同风振系数下的主材内力变化规律。窦汉岭等[17]基于谐波合成法和New Mark 法对输电塔线体系进行了风振响应时程分析。研究发现，在一定风速范围内，塔内侧位移大于外侧，节点位移随节点高度的增加而变大。

风荷载主要分为静力风以及脉动风对铁塔的破坏。目前主要采用控制风振系数以及背风面荷载遮挡系数来确定风荷载的取值，采用风洞试验法和数值分析法或时域分析方法得到塔线体系在不同类型风荷载下的振动规律。但当前对于铁塔风振的模拟还存在不足：一方面，对于风致响应机制的研究还略有不足，在输电线路的设计中，塔与线进行了割裂设计，这就导致无法考虑他们之间所产生的耦合效应，使得风振计算结果偏于保守[18]；另一方面，对于铁塔体系有限元模型作了较多简化，没有全面考虑线路中导线档距、转角的影响。因此，未来应重点考虑塔与线之间的耦合效应分析，从而更加真实还原铁塔在风荷载下的力学行为。

3 输电铁塔的风振疲劳控制措施研究

输电塔线体系由输电铁塔和线路共同组成，其体系跨度很大。铁塔的动力响应会具有显著的几何非线性和一定的随机性。风灾是引发输电铁塔发生局部损害或者整体倒塌的重要因素。因此，国内外学者对风荷载下的铁塔结构风振疲劳控制措施进行了研究。

在风致疲劳控制措施研究中，Long 等[19]研究了风荷载对风机叶片的疲劳影响规律，得出导致叶片疲劳损坏的最大诱因是较低的构件刚度以及随机荷载，并提出了相应的改进措施来改善叶片的疲劳寿命。Ronaldo 等[20]在塔架上安装钟摆阻尼器并建立三维有限元模型对阻尼器的安放位置、安放方式等参数进行分析；提出了一种风荷载作用下的稳定性评估方法；揭示了铁塔在风荷载下的动力特性与坍塌机理。Havard等[21]分析了阻尼器对塔架疲劳破坏的影响，研究表明：在风荷载相近时，有阻尼器的输电塔架具有更好的疲劳性能。

袁俊等[22]对某大跨越输电钢管铁塔进行了基于Davenport 风谱的随机风荷载模拟，风振响应结果得出了塔上各点的加速度以及位移变化规律，最后比选了粘弹性阻尼器与调谐阻尼器的减震效果。李黎等[23]对加设橡胶铅芯阻尼器的输电铁塔进行了基于不同风向角风荷载下的风振时程分析，得到了阻尼器的最佳布置位置以及横、顺线的风振变化规律。柳国环[24]考虑了导线几何刚度时变的特性，对有无调谐质量阻尼器的单塔以及塔线体系的风振响应进行了分析。杨靖波等[25]分别对钢管塔的顺风向振动控制和微风振动控制分别提出采用TMD 粘弹性阻尼器和在结构上增加旋涡干扰装置来减少铁塔的风振响应，并验证了其优异的耗能效果。

总的来说，对于输电铁塔的风振响应控制，主要采用不同材料的阻尼器或者从结构本身进行优化。然而，强风具有随机性，按照传统的抗风设计的结构不具备自我调节能力，不能及时作出相应调整。目前对于杆塔脉动风致响应的影响规律研究还不够透彻。因此，需要创新更多辅助措施来减少铁塔在风荷载下的振动与疲劳破坏，提高铁塔结构稳定性，延长铁塔寿命。