輸電塔在斷線荷載下的動(dòng)力響應(yīng)

徐 乾,簡(jiǎn) 政,胡 豐,2,劉 晨

(1.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.西北電力設(shè)計(jì)院,陜西 西安 710075)

0 前 言

輸電塔是遠(yuǎn)距離輸電的主要承載體系,在運(yùn)行過(guò)程中要承受水平方向和豎直方向的各種荷載。國(guó)內(nèi)外許多研究都是關(guān)于輸電塔在地震荷載、風(fēng)載和覆冰荷載下的抗震、抗風(fēng)和振動(dòng)控制,對(duì)于輸電塔在斷線荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究并不多。而在1975年美國(guó)的Wiscomsin和Indiana就發(fā)生了因線路斷線導(dǎo)致多個(gè)輸電線倒塌,使整個(gè)輸電線系統(tǒng)癱瘓的事故。1993年美國(guó)Nebraska州發(fā)生多股諾米牌惡性倒塌事件,即輸電塔受沖擊作用一個(gè)接一個(gè)發(fā)生倒塌,103 km長(zhǎng)的400多座輸電塔發(fā)生連續(xù)倒塌[1],這是國(guó)內(nèi)外著名的因?qū)Ь€斷裂,而造成的輸電塔倒塌的事故。2008年年初,在我國(guó)的南方地區(qū)遭受五十年一遇的冰雪災(zāi)害,許多輸電塔因?qū)Ь€突然斷裂發(fā)生倒塌或傾斜,這嚴(yán)重影響了人們的正常生活和經(jīng)濟(jì)建設(shè)[2]。

鑒于導(dǎo)線斷裂會(huì)給輸電塔帶來(lái)很大的沖擊效應(yīng),目前對(duì)于輸電塔在沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)研究也有不少。Fleming等用靜力平衡法分析了線路斷線不平衡張力,并編寫(xiě)了相應(yīng)的計(jì)算程序[3];Peyrot結(jié)合實(shí)測(cè)研究了輸電線路斷線動(dòng)態(tài)張力前兩個(gè)峰值的估算公式[4];Campbell推導(dǎo)得輸電塔線體系斷線時(shí)的靜力方程,獲得斷線后的平衡位置和殘余應(yīng)力[5];Mozer依據(jù)簡(jiǎn)化物理模型推導(dǎo)出斷線荷載下峰值應(yīng)力的半解析公式[6]。我國(guó)學(xué)者在這方面的研究也比較多,夏正春、李黎、梁政平等人通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析,得到了輸電塔在斷線荷載作用下的響應(yīng)[7-8];后勤工程學(xué)院的譚慶等人給出了輸電線體系在發(fā)生斷線時(shí),塔-線體系的動(dòng)力響應(yīng)[9];此外浙江大學(xué)的沈國(guó)輝、孫炳楠、樓文娟等人也研究了斷線荷載對(duì)輸電塔體系的沖擊效應(yīng),以及導(dǎo)線斷裂后落在地面而引發(fā)的對(duì)塔—線體系的二次沖擊效應(yīng)[10]。但所有研究都是將斷線荷載考慮為瞬間、同時(shí)作用在輸電塔上,沒(méi)有分析在不同步斷線荷載作用下輸電塔的動(dòng)力響應(yīng)。

本文通過(guò)有限元計(jì)算,比較了不同斷線情況下輸電塔的動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)斷線發(fā)生后,輸電塔會(huì)產(chǎn)生很大的位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng),這種現(xiàn)象在塔頭位置最為明顯。還發(fā)現(xiàn)當(dāng)多根導(dǎo)線不同時(shí)斷裂時(shí)引發(fā)的動(dòng)力響應(yīng)更為明顯。但是在現(xiàn)行的桿塔設(shè)計(jì)規(guī)范中,只是將斷線荷載等效為導(dǎo)線極限應(yīng)力的15%～25%,沒(méi)有考慮斷線時(shí)所引發(fā)的動(dòng)力響應(yīng)[11]。

1 輸電塔有限元模型

模型包括三座輸電塔兩檔導(dǎo)(地)線,塔高85.9 m、塔頭寬度3 m、根開(kāi)24.45m、檔距450 m。輸電導(dǎo)線為雙回路,導(dǎo)(地)線分四層,最上層為兩根地線,其下三層每層由四根導(dǎo)線組成。導(dǎo)線牌號(hào)為L(zhǎng)GJ-240/40,彈性模量為78.4 GPa,導(dǎo)線直徑 18.58mm,導(dǎo)線面積為271mm2,導(dǎo)線單位質(zhì)量為969 kg/km,導(dǎo)線比載為34.047×10-3N/(m·mm2),導(dǎo)線運(yùn)行張力86.18 N/mm2,導(dǎo)線極限張力為77.028 kN。地線牌號(hào)為JL/LB/A99/55,彈性模量為178 GPa,地線直徑為13.95mm,地線面積為152.8mm2,地線單位質(zhì)量為639.2 kg/km,地線比載為 40.99N×10-3N/(m·mm2),地線運(yùn)行張力為 103.76 N/mm2,地線極限張力為83.48 kN。采用SAP2000有限元程序建模,其中用桿單元模擬輸電塔的等邊角鋼,單個(gè)直線塔包括1058個(gè)節(jié)點(diǎn),2674個(gè)桿單元。對(duì)于導(dǎo)線也用桿單元模擬,但要求其只能受拉不能受壓,而且也不能抗彎,所以需要對(duì)其屬性進(jìn)行修正,最后建立起輸電塔體系有限元模型。取塔頭位置節(jié)點(diǎn)77及橫擔(dān)位置節(jié)點(diǎn)730和節(jié)點(diǎn)729作為指定計(jì)算點(diǎn),如圖1所示。取塔身13個(gè)桿件作為指定計(jì)算桿件,如圖2所示。

圖1 指定節(jié)點(diǎn)示意圖

圖2 指定桿件示意圖

2 斷線分析

現(xiàn)有的許多研究表明,當(dāng)多根導(dǎo)線同時(shí)斷裂時(shí),輸電塔的最大位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)大都出現(xiàn)在導(dǎo)線斷裂后0～2 s內(nèi),因此考慮導(dǎo)線斷裂時(shí)間間隔在0～3 s內(nèi)時(shí),斷線荷載對(duì)輸電塔的沖擊效應(yīng)。規(guī)定材料本構(gòu)關(guān)系遵循廣義胡克定律,而且荷載工況僅考慮斷線荷載,不考慮地震荷載、風(fēng)載、覆冰荷載等荷載工況。導(dǎo)線斷裂在瞬間(1s～4 s內(nèi))完成,導(dǎo)線內(nèi)的應(yīng)力也同時(shí)瞬間線性卸除。導(dǎo)線斷裂后輸電塔在阻尼(阻尼比 ξ=0.02)作用下做有阻尼的自由振動(dòng),為方便分析計(jì)算,假定導(dǎo)線斷裂間隔時(shí)間為0.5 s、1 s、1.5 s和 2 s,假定最多有四根導(dǎo)線斷裂 ,計(jì)算在不同斷線組合條件下的危險(xiǎn)工況,輸出斷線后10 s內(nèi)輸電塔的動(dòng)力響應(yīng)。用Uy表示斷線荷載作用下指定節(jié)點(diǎn)的順線向位移,用沖擊系數(shù)η來(lái)表征指定桿件軸向應(yīng)力動(dòng)力響應(yīng),其中η=(NU-N0)/N0,NU為沖擊荷載下桿件的軸向應(yīng)力;N0為自重作用下桿件的軸向應(yīng)力。

2.1 導(dǎo)線斷裂兩根時(shí)的危險(xiǎn)工況

規(guī)定導(dǎo)線同時(shí)斷裂為工況一,當(dāng)導(dǎo)線斷裂有時(shí)間間隔的工況為工況二,而且發(fā)現(xiàn)兩根導(dǎo)線斷裂時(shí)間間隔為1.5 s時(shí),輸電塔的動(dòng)力響應(yīng)最大。

2.2 導(dǎo)線斷裂四根時(shí)的危險(xiǎn)工況

仍然規(guī)定四根導(dǎo)線同時(shí)斷裂為工況一,四根導(dǎo)線斷裂有時(shí)間間隔的工況為工況二,且第一根導(dǎo)線與第二根導(dǎo)線斷裂時(shí)間間隔1.5 s、第二根導(dǎo)線與第三根導(dǎo)線斷裂間隔0.5 s、第三根導(dǎo)線與第四根導(dǎo)線斷裂間隔1.5 s時(shí),輸電塔的動(dòng)力響應(yīng)最大。

通過(guò)圖3～圖10的Uy時(shí)程曲線圖中可以觀察到,隨斷線根數(shù)增加,塔頭位移和橫擔(dān)兩側(cè)的位移響應(yīng)有所增大。當(dāng)斷線根數(shù)相同時(shí),在斷線后大約2 s內(nèi),導(dǎo)線同時(shí)斷裂所引發(fā)的順線向位移要大于導(dǎo)線斷裂有時(shí)間間隔時(shí)所引起的位移響應(yīng);在這以后,后者所引發(fā)的動(dòng)力響應(yīng)將遠(yuǎn)大于前者,而且隨斷線根數(shù)的增加,這種現(xiàn)象將更加明顯。順線向位移最大可達(dá)204.4cm。而且都伴隨著較大的扭轉(zhuǎn)變形,隨斷線根數(shù)的增加,這種扭轉(zhuǎn)效應(yīng)也將更加明顯。而且大約在斷線后6 s內(nèi),輸電塔的扭轉(zhuǎn)變形比較明顯,隨時(shí)間的推移,這種扭轉(zhuǎn)變形逐漸消失。此外,塔身?xiàng)U件軸力也有較大變化,通過(guò)表1及表2都可以觀察到這一現(xiàn)象。隨斷線根數(shù)的增加,η也會(huì)逐漸變大。當(dāng)斷線根數(shù)相同時(shí),導(dǎo)線同時(shí)斷裂工況下的η稍小于導(dǎo)線不同時(shí)斷裂工況下的η,但隨斷線根數(shù)增加,兩者之間的差別就非常明顯了。這些計(jì)算結(jié)果都比在自重條件下位移和應(yīng)力大很多,通過(guò)以上的圖表也能看到。所以將斷線荷載看做靜力荷載進(jìn)行設(shè)計(jì),難免有不妥之處。

圖3 導(dǎo)線斷裂兩根時(shí)節(jié)點(diǎn)77Uy時(shí)程曲線圖

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)SAP2000有限元程序,在線彈性范圍內(nèi),可以較好的模擬輸電塔在斷線荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)。

(2)導(dǎo)線斷裂后,在塔頭位置產(chǎn)生較大的順線向位移,在橫擔(dān)兩側(cè)出現(xiàn)較大的相對(duì)位移。表明輸電塔在斷線荷載作用下,產(chǎn)生了大位移。輸電塔會(huì)進(jìn)入非線性狀態(tài),因此僅采用線性理論分析方法有一定的局限性。

圖4 導(dǎo)線斷裂兩根時(shí)節(jié)點(diǎn)729Uy時(shí)程曲線圖

圖5 導(dǎo)線斷裂兩根時(shí)節(jié)點(diǎn)730Uy時(shí)程曲線圖

圖6 導(dǎo)線斷裂兩根時(shí)節(jié)點(diǎn)729與節(jié)點(diǎn)730Uy時(shí)程曲線圖

圖7 導(dǎo)線斷裂四根時(shí)節(jié)點(diǎn)77Uy時(shí)程曲線圖

圖8 導(dǎo)線斷裂四根時(shí)節(jié)點(diǎn)729Uy時(shí)程曲線圖

表1 導(dǎo)線斷裂兩根時(shí)塔身指定桿件軸向應(yīng)力

表2 導(dǎo)線斷裂四根時(shí)塔身指定桿件軸向應(yīng)力

圖9 導(dǎo)線斷裂四根時(shí)節(jié)點(diǎn)730Uy時(shí)程曲線圖

(3)針對(duì)斷線后輸電塔產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng),可以在輸電塔上設(shè)置支撐或阻尼器,以減小這種沖擊效應(yīng)。

(4)分析結(jié)果顯示,斷線荷載引發(fā)的動(dòng)力響應(yīng)遠(yuǎn)大于靜力作用下輸電塔的響應(yīng),這對(duì)桿塔設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用有一定的參考意義。

圖10 導(dǎo)線斷裂四根時(shí)節(jié)點(diǎn)729與節(jié)點(diǎn)730Uy時(shí)程曲線圖

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