高压输电线路杆塔结构抗震性能研究

梁枫 崔寒珺

摘要：在输电线路体系中，高压输电线路杆塔结构尤为重要，相较于其他电力设备，其具有诸多方面的特点，主要体现在高度、跨度、柔性、耦合作用等方面，随着此类装置的增加，关于其抗震性的研究逐渐深入。因此，本文通过结合实例的方式，对高压输电线路杆塔结构的抗震性能展开研究，首先分析了导致线路杆塔受损的地震灾害，其次针对杆塔结构建立分析模型，在此基础上，分析了其动力特性，最后分析了杆塔结构在地震作用下的内力，并辅以数据佐证。希望通过研究，为相关行业提供借鉴。

关键词：高压输电；杆塔结构；抗震；性能

DOI：10.12433/zgkjtz.20241251

一、输电线路地震灾害分析

地震发生后线路受损，其主要原因是线路设防烈度低于地震烈度，处于地震断裂带处的线路受到的影响最为严重。国内外因地震而出现的输电线路杆塔损坏的现象屡见不鲜。

因地震带来的次生灾害，同样是导致输电线路和杆塔受损的重要原因，如泥石流、山体滑坡等。调查结果表明，若输电杆塔所处位置较为有利，其在遭受严重地震时受到的损害更小。为此，应将线路的重要性作为依据，同时兼顾成本，在路径和塔位的选择上，以有利位置为标准，以此规避或降低次生灾害对输电线路的影响。

二、分析模型

（一）对象

本次研究以某地区高压输电线路工程中使用的杆塔为研究对象，主要分为两类：单回耐张塔和直线塔。假设杆塔所处的环境，风速为每秒25m、覆冰厚度为10mm、导线截面积为4×JL/G2A-720、地线-OPGW-150、ZVB7102对中相V串加以应用。同时，设置酒杯型杆塔，其导线排列方式以水平排列为主，其中，水平档之间的距离为450m，垂直档之间的距离为600m，塔的重量为30t。单回耐张塔属于干字型铁塔，其水平档之间的距离为500m，处置挡距离分别为550m和150m，塔高39m，重量为45t。

（二）参数

本研究在分析杆塔结构抗震性能的过程中，应用的软件为STAAD，该软件在国内外均被广泛应用，考虑到铁梁桁模型比较符合受力状态下的铁塔，故将其作为模型选择。值得注意的是，在计算动力特性的过程中，不会对地线重量进行计算。简言之，就是忽视线路导地线对杆塔结构抗震性能提供的有利作用。在计算方法的选择方面，以振型分解反应谱法为主，其中，杆塔内各项参数指标如下所述：

1.钢材弹性模量：2.06×105N/mm2。

2.剪变模量：7.9×104N/mm2。

3.密度：7850kg/m?。

4.阻尼比：0.03。

（三）荷载组合

在荷载组合上，考虑地震作用效应组合的过程中，主要依据架空输电线路杆塔结构设计技术规定完成荷载组合。在考虑地震作用时，将电力设施抗震设计规范作为依据，其中，风荷载、活荷载组合系数的取值分别为0.2和0.35，承载力抗震调整系数的取值0.8，若杆塔处在不利位置，则该取值会增加到1.3。

三、杆塔动力特性分析

在开展振动研究前，需要对结构动力特性进行详细分析，同时，分析结果还能为地震响应分析提供数据支持。在分析杆塔周期和振型后，可明确杆塔刚度的分布状态，在此基础上，即可定位杆塔的薄弱处。该软件完成模态分析，技术人员可掌握杆塔的自振周期和振型，酒杯型和干字型杆塔的特点如下：

（一）酒杯型杆塔

阶数1：频率为1.446Hz；周期为0.69s；振型描述：纵向弯曲振动。阶数2：频率为1.452Hz；周期为0.68s；振型描述：横向弯曲振动。阶数3：频率为2.126Hz；周期为0.47s；振型描述：竖向扭转振动。阶数4：频率为4.713Hz；周期为0.21s；振型描述：纵向弯曲振动。阶数5：频率为4.723Hz；周期为0.215s；振型描述：横向弯曲振动。阶数6：频率为6.8513Hz；周期为0.146s；振型描述：竖向扭转振动。

（二）干字型杆塔

阶数1：频率为2.4063Hz；周期为0.413s；振型描述：纵向弯曲振动。阶数2：频率为2.4073Hz；周期为0.415s；振型描述：横向弯曲振动。阶数3：频率为3.7813Hz；周期为0.264s；振型描述：竖向扭转振动。阶数4：频率为5.0193Hz；周期为0.196s；振型描述：纵向弯曲振动。阶数5：频率为5.432Hz；周期为0.181s；振型描述：横向弯曲振动。阶数6：频率为6.132Hz；周期为0.161s；振型描述：竖向扭转振动。

通过上述参数可知，两种杆塔在第一阶时，在振型上具有相似特征，均以纵向平动为主，由此可见，杆塔纵向刚度偏低，而扭转在3个阶段出现，且扭转周期与平动周期之间存在显著差距，说明杆塔抗扭转度良好。6个阶段内，局部振动振型均未出现，表明上述杆塔刚度分布均匀程度较好，整体性能优越，在地震发生后，杆塔不易因薄弱部件受损而受到影响。但是，由于干字型杆塔存在跳线架，结构对称效果不佳，导致相同振型中对称杆件的振幅存在明显差异，具体表现为地线支架侧的振幅更大。

四、杆塔结构抗震性能分析

为降低分析难度，更直观地了解杆塔在地震作用下的状态，在表示地震作用对杆件影响程度时，应用公式：

β=SE/S0                                                      式（1）

式（1）中，地震组合下杆件内力由SE表示；未发生地震时，杆件内力由S0表示；若β值较大，则表明杆件受到地震的影响较为严重，反之亦然。如果β值超过1，则表示地震作用会完全控制杆塔内力。

（一）酒杯型杆塔

酒杯型杆塔杆件数量为350根，为明确杆塔在不同地震作用下的受力情况，对三类地震水准、地震烈度和四类场地下的内力加以计算，最终得到β值，用于反映杆塔内部杆件的受力情况。β值的大小，与场地类别之间存在密切关系，具体表现为场地类别越高，β值越大。而杆件内力的受影响程度，与抗震烈度息息相关，而场地类别的影响程度最小。具体情况如下：

1.抗震烈度

酒杯型杆塔结构，其主材结构的β值不超过1，在7度时，β值处在0.3281～0.3391之间；8度时处在0.3631～0.3852之间；9度时处在0.4～0.5之间。

塔身斜材在7度时，β值处在0.07～0.25之间；在8度时，β值处在0.09～0.33之间；9度时，β值处在0.12～0.49之间。

上下曲臂杆件：其β值均低于1，其中，在7度时，曲臂主材的β值处在0.06～0.07之间内；在8度时，曲臂主材的β值处在0.1～0.62之间；在9度时，曲臂主材的β值处在0.16～0.66之间。

边导线主材：其β值均低于1。其中，主材的β值，处在0.4～0.5之间，上下面斜材为0.18～0.28之间。地震组合会对正面部分的斜材内力给予控制，其值处在1.0～1.2的范围内。

中导线衡梁杆件：其β值均低于1。其中，主材的β值处在0.33～0.42之间，斜材为0.09～0.70之间。

地线支架杆件：β值均低于1。其中，主材的β值处在0.15～0.31之间，斜材为0.02～0.27之间。

瓶口横隔面杆件：β值处在0.3～0.5之间，斜材为1.25～4.2之间，由于斜材内力较小，选择杆件材料时需要依据长细比。

2.设防地震水准

在设防地震水准下，地震烈度和场地类别均会对β值产生影响，主要表现为β值会随着二者的提高而增加，其中，抗震烈度对杆件的影响显著高于场地，具体情况如下：

主材结构的β值不超过1，在7度时，β值处在0.39～0.46之间；8度时处在0.45～0.57之间；9度时处在0.58～0.75之间。

塔身斜材在7度时，β值处在0.1～0.4之间；8度时，β值处在0.15～0.60之间；9度时，β值约为1.05。在选择其余杆件材料时，可以不考虑地震情况。

上下曲臂杆件：其β值均低于1，在7度时，曲臂主材的β值处在0.30～0.55之间；8度时，曲臂主材的β值处在0.38～0.59之间；9度时，曲臂主材的β值处在0.52～0.82之间。

边导线主材：其β值均低于1。其中，主材的β值处在0.49～0.55之间，上下面斜材在0.20～0.38之间。地震组合会对正面部分的斜材内力给予控制，其值处在1.02～1.69范围内。由于斜材内力较小，选择杆件材料时需要依据长细比。

中导线衡梁杆件：7～8度时的β值均低于1。其中，主材的β值在0.36～0.76之间，斜材在0.10～0.84之间。但在9度时，上平面部分斜材的β值均会超过1，达到1.4，但选择杆件材料时，不会受地震组合的影响。

地线支架杆件：β值均低于1。其中，主材的β值在0.5～0.98之间，斜材在1.54～9.9之间。

瓶口横隔面杆件：β值处在0.4～0.87之间，斜材在1.54～9.9之间。由于斜材内力较小，选择杆件材料时，需要将长细比控制作为依据。

在罕遇地震水准下，地震烈度对β值的影响最严重，具体情况如下：

7～8度时，主材结构的β值不超过1。塔身斜材在7度时，β值处在0.16～0.65之间；8度和9度时，地震工况会对内力选材造成影响。β值超过1。

上下曲臂杆件：其β值在7～8度时均低于1；9度时，曲臂主材的β值约为1.08。

边导线主材：其β值均低于1。其中，主材的β值处在0.5～0.56之间，上下面斜材为0.25～0.6之间。地震组合会对正面部分的斜材内力给予控制，其值处在1.17～2.06的范围内。由于斜材内力较小，选择杆件材料时，需要依据长细比。

中导线衡梁杆件：主材的β值处在1.17～2.05之间，斜材为0.12～0.9之间。但在8或9度时，上平面部分斜材的β值均会超过2，但由于杆件内力较小，故选材时，主要依据长细比。

地线支架杆件：β值均低于1。其中，主材的β值处在0.19～0.46之间，斜材在0.06～0.47之间。

瓶口横隔面杆件：在7～8度时，β值处在0.47～0.87之间。

计算酒杯型杆塔在地震作用下的内力后得知，该塔与抗震设计要求吻合。其中，杆塔的抗震薄弱部位分别为瓶口、横隔面和腿部斜材处。因此，在设计上述部位的过程中，需要增加角钢规格的等级，并通过应用连接构造措施，保证抗震效果。

（二）干字型转角塔

该塔共有550个杆件，为对其在各种条件下的受力情况进行分析，本文分别计算两种地震水准下杆塔的杆件内力。

1.多遇地震

在多遇地震条件下，β值的大小与地震烈度和场地类别存在直接关联，其中，前者的影响程度远大于后者。具体情况如下：

塔身主材和斜材的β值均小于1，其中，前者处在0.6～0.85之间；后者处在0.2～0.62之间。

地线主材、上下平面斜材：β值均小于1。其中，前者处在0.16～0.65之间，后者处在0.05～0.63之间。在地震组合的影响下，地线内部分斜材内力较大，其β值超过1.3，由于杆件内力偏小，选择杆件材料时，依然以长细比为主。

导线横担主材：β值处在0.4～0.89之间。其中，地震组合会对部分斜材产生影响，故此部分斜材，β值较大，最大值为3.9，最小值超过1。但因杆件内力表达，依然以长细比为标准选择杆件材料。

2.设防地震

在此条件下，β值的大小同样与地震烈度和场地类别有密切关系。其中，前者的影响程度更高。具体情况如下：

变坡点和下塔身的主材和斜材β值均小于1；导线地线横担和跳线主材的β值均小于1；9度设防地地震下，部分横隔面的内力与地震工况存在关联，β值处在1.07～1.11之间。

五、结论

综上所述，本文研究结果表明，在对高压输电线路杆塔进行抗震设计的过程中，要明确杆塔的抗震性能，并依据计算结果选择合适的杆件材料。通常情况下，杆件内力与地震烈度和场地类别息息相关。其中，前者的影响程度远大于后者，为此，建议设计人员对此类情况给予高度重视。

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