橫隔面在高壓輸電塔抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的作用分析

肖 琦，王永杰，肖茂祥，劉劍波

(1.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.天津電力公司，天津300010;3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司吉林化建工程股份有限公司，吉林吉林132021)

高壓輸電塔作為一項(xiàng)重要的生命線(xiàn)電力工程設(shè)施，確保其結(jié)構(gòu)體系在各種荷載作用下的安全可靠運(yùn)行，具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義［1］。近年來(lái)，我國(guó)高壓輸電線(xiàn)路風(fēng)致倒塔事故呈逐年增多的趨勢(shì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)顯示:僅2005年全國(guó)因風(fēng)致倒塌500 kV超高壓輸電塔18基，110 kV以上線(xiàn)路倒塔60基，我國(guó)輸電線(xiàn)路防御重大自然災(zāi)害，特別是風(fēng)災(zāi)的形式非常嚴(yán)峻。為了正確分析橫隔面在輸電塔抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的作用，本文以某實(shí)際500kV輸電線(xiàn)路典型輸電塔結(jié)構(gòu)為背景，建立了不同橫隔面配置方式的精細(xì)化輸電塔-線(xiàn)耦聯(lián)體系三維有限元模型，然后采用考慮隨高度變化的Kaimal風(fēng)速譜和Devenport相干函數(shù)，并結(jié)合諧波合成法數(shù)值模擬線(xiàn)路風(fēng)場(chǎng)，利用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)不同橫隔面配置方式的輸電塔耦聯(lián)體系進(jìn)行了風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析。對(duì)比分析表明:在輸電塔設(shè)計(jì)中合理設(shè)置橫隔面，可以進(jìn)一步提高輸電塔的抗風(fēng)性能［2-3］。

1 風(fēng)荷載數(shù)值模擬方法

1.1 脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程模擬方法

近地風(fēng)一般來(lái)說(shuō)包含長(zhǎng)周期的平均風(fēng)和短周期的脈動(dòng)風(fēng)兩部分。平均風(fēng)沿高度遵循指數(shù)規(guī)律變化，通常視為靜荷載;脈動(dòng)風(fēng)則隨時(shí)間和空間而隨機(jī)的變化，在數(shù)學(xué)上屬于隨機(jī)過(guò)程范疇。要模擬風(fēng)場(chǎng)必須具備脈動(dòng)風(fēng)的自功率譜和互功率譜［4-5］。脈動(dòng)風(fēng)的自功率譜由強(qiáng)風(fēng)觀測(cè)得到風(fēng)速時(shí)程獲得，本文采用考隨高度變化的Kaimal譜［6］，其形式為:

脈動(dòng)風(fēng)的互功率譜可通過(guò)相干函數(shù)求出，相干函數(shù)一般采用Davenport給出的經(jīng)驗(yàn)公式［6］:

式中:cy是脈動(dòng)風(fēng)橫向衰減因子，取值范圍(7，20)，工程中一般可取cy=7或cy=8;Δy為空間兩點(diǎn)的距離。

對(duì)于一維N變量具有零均值平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程Vj(t)(j=1，2，…，n)，其譜密度函數(shù)矩陣為S(w)，S(w)的各元素(j=1，2，…，n;k=1，2，…，n)是相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換，按照Clolesky分解法，可分解為:

式中:H(w)為下三角矩陣。那么需要模擬的風(fēng)速具有如下形式［7］:

式中:風(fēng)譜在頻率范圍內(nèi)劃分為N個(gè)相同部分，Δw為頻率增量，Hjm(wi)為上述下三角矩陣元素的模，ψjm(wi)為兩個(gè)不同作用點(diǎn)之間的相位角，θml為介于0和2pi之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)［8］。

根據(jù)以上理論，在Matlab環(huán)境里開(kāi)發(fā)了空間相關(guān)的風(fēng)速模擬程序［9］。選定的風(fēng)速時(shí)程采樣點(diǎn)即風(fēng)荷載加載節(jié)點(diǎn)，在迎風(fēng)面上均勻分布，其中輸電線(xiàn)平均每隔10.0 m取一個(gè)采樣點(diǎn)，輸電塔劃分為12個(gè)區(qū)域，模擬每個(gè)區(qū)域正中位置處的風(fēng)速時(shí)程［10］。結(jié)構(gòu)10 m高處的平均風(fēng)速為20 m/s，模擬時(shí)間步長(zhǎng)0.2 s，共3000步，總時(shí)長(zhǎng)600 s。圖1是中相導(dǎo)線(xiàn)掛點(diǎn)處的風(fēng)速時(shí)程曲線(xiàn)。

圖1 中相導(dǎo)線(xiàn)掛點(diǎn)處的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程曲線(xiàn)

1.2 風(fēng)荷載時(shí)程計(jì)算

根據(jù)我國(guó)電力行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)［11］，輸電塔上的風(fēng)荷載可以按下式計(jì)算:

式中:k是風(fēng)載體型系數(shù);Ac是輸電塔上桿件的擋風(fēng)面積;V是計(jì)算風(fēng)速。

對(duì)于輸電線(xiàn)路風(fēng)偏，作用在導(dǎo)線(xiàn)上起決定性作用的順風(fēng)向風(fēng)荷載可按下式計(jì)算:

式中:Wx是垂直于電線(xiàn)軸線(xiàn)的水平風(fēng)荷載;μsc是電線(xiàn)體型系數(shù);d電線(xiàn)的外徑，分裂導(dǎo)線(xiàn)取所有子導(dǎo)線(xiàn)外徑的總和;lH是桿塔的水平檔距;V為設(shè)計(jì)風(fēng)速;θ是風(fēng)向與電線(xiàn)軸向間的夾角;βc是風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，規(guī)范中在計(jì)算風(fēng)偏角時(shí)取1.0，不考慮風(fēng)的動(dòng)態(tài)特性。

絕緣子串上的風(fēng)壓Pz，按下式計(jì)算:

式中:A是絕緣子串的受風(fēng)面積;V是設(shè)計(jì)風(fēng)速。

將由式(4)得到的風(fēng)速時(shí)程代入式(5)～(7)，即可得到輸電塔、導(dǎo)線(xiàn)和絕緣子串上的風(fēng)荷載時(shí)程。

2 輸電塔塔線(xiàn)耦聯(lián)體系建模

2.1 輸電塔原始設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

某500 kV超高壓輸電塔線(xiàn)路中的直線(xiàn)型自立式貓頭塔，其三維有限元模型見(jiàn)圖2。塔高46 m，呼高36 m，單回路設(shè)計(jì)。導(dǎo)線(xiàn)采用4×LGJ—500/45鋼芯鋁絞線(xiàn)，地線(xiàn)采用鋁包鋼絞線(xiàn)

LHBGJ—95/55。水平檔距為400 m，無(wú)高差，最大設(shè)計(jì)風(fēng)速30 m/s。

原始設(shè)計(jì)中，在塔身坡度不變段只設(shè)置了兩個(gè)橫隔，一個(gè)是塔腿處，另一個(gè)位于塔身第四段。

2.2 輸電塔線(xiàn)耦聯(lián)體系模型的建立

本文建立水平檔距為400 m，無(wú)高差的一塔兩線(xiàn)有限元模型見(jiàn)圖3。為了簡(jiǎn)化模型，單根導(dǎo)線(xiàn)由四分裂導(dǎo)線(xiàn)等效而得，此導(dǎo)線(xiàn)的面積、張力與質(zhì)量均為子導(dǎo)線(xiàn)的4倍。

建模分析時(shí)，對(duì)輸電塔各受力桿件采用梁-桿單元進(jìn)行模擬。采用ANSYS單元庫(kù)中的Mpc184單元來(lái)模擬絕緣子［12］，選擇ANSYS單元庫(kù)中的Link10單元來(lái)模擬導(dǎo)-地線(xiàn)，該單元可以模擬幾何大變形，常用來(lái)模擬松弛的線(xiàn)索。直線(xiàn)貓頭塔底部四個(gè)節(jié)點(diǎn)采用固定約束。中間鐵塔所掛的絕緣子兩端采用鉸接約束，用來(lái)平衡輸電塔順導(dǎo)線(xiàn)方向的張力，已達(dá)到對(duì)實(shí)際情況的模擬。

3 不同橫隔面配置方式的輸電塔-線(xiàn)耦聯(lián)體系風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析比較

3.1 原始設(shè)計(jì)輸電塔的部分模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)頻率分析結(jié)果見(jiàn)表1。輸電塔模態(tài)分析結(jié)果表明:在輸電塔的第3、5、6階模態(tài)中，對(duì)應(yīng)的頻率分別為輸電塔塔身下部無(wú)橫隔面部位的交叉斜撐出現(xiàn)了出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的局部陣型，見(jiàn)圖4。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可知，原有輸電塔在第四階模態(tài)就出現(xiàn)了塔身下部的局部陣型，第5、6階模態(tài)也是塔身下部的局部陣型。此局部陣型容易在脈動(dòng)風(fēng)荷載的激勵(lì)下使該部位的桿件產(chǎn)生較大的平面外位移，從而可能導(dǎo)致桿件發(fā)生失穩(wěn)引起結(jié)構(gòu)整體破壞，故在設(shè)計(jì)中本文適當(dāng)增加了橫隔面的數(shù)量以控制局部陣型的過(guò)早出現(xiàn)，從而增加結(jié)構(gòu)的整體性能。

根據(jù)以上分析結(jié)果，在塔身下部增設(shè)了三個(gè)橫隔面，增設(shè)橫隔面前后塔身示意圖見(jiàn)圖6。新增設(shè)3個(gè)橫隔面在中間3個(gè)塔段中央，其余位置的桿件形式和桿件均沒(méi)有發(fā)生變化。

表1 原始輸電塔模態(tài)分析

3.2 增加橫隔面后輸電塔的模態(tài)分析

如圖6(b)所示，在原輸電塔的2、3、4塔段各增設(shè)一個(gè)橫隔面，然后對(duì)增設(shè)橫隔面的輸電塔再進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析的結(jié)果表明:增設(shè)了橫隔面后，輸電塔的前面6階陣型中再?zèng)]有出現(xiàn)局部振動(dòng)模態(tài)。輸電塔的相應(yīng)第4階模態(tài)見(jiàn)圖5。

從輸電塔模態(tài)陣型對(duì)比分析可以看出:輸電塔在未增設(shè)橫隔面之前塔身下半段整體性比較差，較早出現(xiàn)了局部振動(dòng)模態(tài)。這樣的局部振動(dòng)模態(tài)在脈動(dòng)風(fēng)荷載的作用下很有可能造成結(jié)構(gòu)的動(dòng)力失穩(wěn)破壞。增設(shè)了橫隔面以后原來(lái)輸電塔塔身的局部陣型得到了很好的抑制。

3.3 風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果比較

采用ANSYS軟件對(duì)所建模型進(jìn)行風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程分析。在進(jìn)行時(shí)程分析之前需求出各模型在自重下的平衡狀態(tài)，即找形分析。采用文獻(xiàn)［13］提出的找形方法計(jì)算400 m檔距模型在自重荷載作用下導(dǎo)線(xiàn)最大弧垂為10.933 m，與由懸鏈線(xiàn)方程理論計(jì)算值10.918 m相比，誤差甚微，說(shuō)明該找形方法精度較高。將自重下的平衡狀態(tài)作為時(shí)程分析的初態(tài)，然后計(jì)算在隨機(jī)風(fēng)荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

按照設(shè)計(jì)風(fēng)速取400 s的風(fēng)速時(shí)程作為輸入。由模擬得到的風(fēng)荷載作用在輸電塔線(xiàn)體系上，對(duì)比未增設(shè)橫隔面的塔線(xiàn)體系和增設(shè)了橫隔面的塔線(xiàn)體系的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程分析結(jié)果。在輸電塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于受壓桿件的面外變形對(duì)壓桿的穩(wěn)定有重要作用，在計(jì)算比較分析中，主要對(duì)比了兩種不同橫隔面配置方式下受壓斜撐面外變形的大小。選取的對(duì)比斜撐為耦聯(lián)體系中間塔與風(fēng)向平行的受壓面斜撐，此斜撐受力作用最大。為考察面外變形選取了幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置如圖6中數(shù)字所示。結(jié)果分析主要比較了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)面外位移的時(shí)程，絕對(duì)最大面外位移、平均面外位移。圖7所示為中間塔的塔身下部分在動(dòng)力風(fēng)荷載作用下部分節(jié)點(diǎn)的面外位移dm時(shí)程曲線(xiàn)對(duì)比。其中“無(wú)橫隔”是指實(shí)際鐵塔塔身下部分未加橫隔面時(shí)的計(jì)算結(jié)果?！坝袡M隔”是本文根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果建議在塔身下部分增設(shè)橫隔面后的計(jì)算結(jié)果。

圖7 不同橫隔面配置方式下第2、3塔段斜撐面外位移計(jì)算結(jié)果

從圖7分析對(duì)比結(jié)果可以看出:增設(shè)橫隔面后原有斜撐的面外位移得到了大幅度降低，這大大降低了受壓斜撐發(fā)生動(dòng)態(tài)失穩(wěn)的可能性。

兩種不同橫隔面配置方式下輸電塔線(xiàn)耦聯(lián)體系的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)內(nèi)力計(jì)算表明:輸電塔結(jié)構(gòu)主材內(nèi)力變化較大，節(jié)點(diǎn)3是兩個(gè)塔段斜撐與主材相互連接的節(jié)點(diǎn)，對(duì)于未增設(shè)橫隔面的情況下，該點(diǎn)的應(yīng)力最大值為186 MPa，增設(shè)了橫隔面以后提取該點(diǎn)的應(yīng)力最大值為151MPa，增設(shè)橫隔面以后該節(jié)點(diǎn)主材應(yīng)力降低了18.8%。

4 結(jié) 論

在ANSYS有限元軟件中建立不同橫隔面配置方式的輸電塔線(xiàn)體系的有限元模型，用ANSYS有限元軟件分別對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析及風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程分析;分析結(jié)果顯示:

(1)輸電塔如果沒(méi)有合理配置橫隔面，會(huì)過(guò)早出現(xiàn)嚴(yán)重的局部陣型，在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下出現(xiàn)局部陣型的部位，桿件面外位移比較大，有可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)動(dòng)力失穩(wěn)而破壞;

(2)輸電塔通過(guò)增加橫隔面后，雖然增加了用鋼量，但結(jié)構(gòu)的整體性能得到了極大的提高。模態(tài)分析和風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程分析都表明橫隔面的設(shè)置方式對(duì)輸電塔的動(dòng)力性能影響很大，合理的設(shè)置可以大大降低塔段斜撐的面外位移，減少輸電塔段斜撐在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下發(fā)生面外失穩(wěn)的可能性，同時(shí)也降低了輸電塔主材的應(yīng)力。總之，合理配置橫隔面可以有效提高輸電塔的抗風(fēng)性能。

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