鄧洪洲,司瑞娟,鄧凌君
(同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系,上海 200092)
送電線路的安全可靠運(yùn)行是電網(wǎng)的重要一環(huán),一旦破壞將會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。輸電塔的設(shè)計(jì)荷載主要考慮大風(fēng)、斷線及安裝等工況,地震作用在輸電塔設(shè)計(jì)中較少論及。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,送電線路里程近年急劇增長(zhǎng)。我國(guó)是世界上的多地震國(guó)家,大量送電線路跨越震區(qū)不可避免,而作為送電線路支撐物的鐵塔,確保其在地震作用下的安全成為人們關(guān)心的課題。
國(guó)內(nèi)很多研究者對(duì)輸電塔抗震進(jìn)行了一系列的研究。李宏男[1,2]等對(duì)輸電塔在地震作用下各種關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究,分析中輸電塔運(yùn)用了多質(zhì)點(diǎn)的糖葫蘆串簡(jiǎn)化模型,輸電導(dǎo)線則簡(jiǎn)化為垂鏈或懸鏈模型。該簡(jiǎn)化模型法可以較好地反映出結(jié)構(gòu)的整體受力性能,但無(wú)法體現(xiàn)具體桿件的受力情況。瞿偉廉[3]也是采用多質(zhì)點(diǎn)模型對(duì)輸電塔線體系進(jìn)行的研究。鄧洪洲[4]等采用三維空間有限元模型對(duì)輸電塔和塔線體系的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。全偉,李宏男[5]等在輸電塔線體系空間有限元模型的基礎(chǔ)上,研究了體系在多點(diǎn)地震輸入下的反應(yīng)特性,主要探討了各種場(chǎng)地條件對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響。沈國(guó)輝等[6]則基于精細(xì)化的有限元模型采用反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法,分析了某大跨越輸電塔在地震作用下的響應(yīng),驗(yàn)證了這兩種方法具有較好的可比性。由以往的研究可以看出,對(duì)輸電塔在地震作用下的研究多集中在模型簡(jiǎn)化處理、場(chǎng)地條件的影響和不同計(jì)算方法的比較上。對(duì)地震作用下輸電塔可能存在的薄弱環(huán)節(jié)的研究較少,地震作用對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)本身的影響情況如何以及實(shí)際設(shè)計(jì)中如何考慮地震作用的影響更是鮮有提及。
閆祥梅等[7]對(duì)輸電塔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),并用有限元對(duì)輸電塔的動(dòng)力特性進(jìn)行了計(jì)算,兩者吻合較好。本文以榕江大跨越輸電線路為工程背景,建立了大跨越輸電塔線體系精細(xì)化的有限元分析模型,基于振型反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法對(duì)其進(jìn)行了多遇地震響應(yīng)的分析研究,在將該兩種方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析的同時(shí),對(duì)榕江大跨越輸電塔在地震作用下的響應(yīng)特征進(jìn)行了總結(jié),并將計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)內(nèi)力進(jìn)行了綜合的對(duì)比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),下橫擔(dān)拉桿和塔身二次變坡以下的K型支撐受地震影響較大,考慮地震作用的計(jì)算軸力為設(shè)計(jì)控制軸力的90%,是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)于大跨越高塔來(lái)說(shuō),設(shè)計(jì)時(shí)考慮地震工況對(duì)橫擔(dān)拉桿和部分塔身斜材的影響是很有必要的。
榕江大跨越為500 kV潮南至汕頭送電線路中的工程,位于汕頭地區(qū),地震設(shè)防烈度為8°。該 跨 越 塔 高215.5 m,呼高 185 m,塔頭高 30.5 m,下橫擔(dān)總長(zhǎng)度達(dá)65 m,見(jiàn)圖1所示。地線和二分裂導(dǎo)線分別采用 JLB1B-100,2xKTAcsr/EST-720特強(qiáng)鋼芯耐熱鋁合金線,全塔桿件均采用薄壁鋼管,上層為地線,中間和下層分別為二相和四相二分裂導(dǎo)線。整個(gè)跨越體系采用耐張塔-直線塔 -直線塔-耐張塔的跨越方式,過(guò)江段跨距1 444 m,兩側(cè)耐張塔檔距分別為621 m和 556 m,總跨度2 621 m,見(jiàn)圖2。
圖1 榕江大跨越輸電塔立面(m)Fig.1 The facade of Rongjing large crossing transmission tower(m)
圖2 塔線體系跨度示意Fig.2 The sketch of the transimission tower-line system
采用 ANSYS有限元程序?qū)﹂沤罂缭捷旊娝€系進(jìn)行有限元分析,其單元選取如下:① 塔身、橫擔(dān)主材及一些橫隔面的主要桿件采用空間梁?jiǎn)卧?② 次要的單根桿件采用桿單元;③ 導(dǎo)地線均按懸鏈線行找形,采用單向受拉的桿單元。建成的塔線體系模型共有1 660個(gè)節(jié)點(diǎn),840個(gè)梁?jiǎn)卧? 024個(gè)桿單元,1 040個(gè)單向受拉的桿單元。由于兩側(cè)耐張塔導(dǎo)地線端點(diǎn)只能發(fā)生很小的位移,故將導(dǎo)地線在耐張塔處簡(jiǎn)化為固定鉸支座連接。每根地線和每組二分裂導(dǎo)線均簡(jiǎn)化為一根索考慮。大跨越輸電塔線體系的有限元模型如圖3所示,X方向?yàn)闄M導(dǎo)線方向,Y方向?yàn)轫槍?dǎo)線方向,Z方向?yàn)樨Q直方向。
圖3 榕江大跨越塔線體系有限元模型Fig.3 Finite element method model Rongjiang large crossing tower-line system
有限元計(jì)算所得的輸電單塔一階頻率0.686 Hz,和根據(jù)電力系統(tǒng)多個(gè)輸電塔實(shí)測(cè)得到的一階頻率估算公式[8]的計(jì)算值0.692 Hz比較相近,可知所建立的輸電塔模型應(yīng)是正確的。為驗(yàn)證建立的輸電線模型的正確性,將導(dǎo)線ANSYS模態(tài)分析的結(jié)果(0.064 6 Hz)與懸鏈線一階自振頻率的理論解(0.064 8 Hz)進(jìn)行比較,二者吻合較好,誤差不超過(guò)1%,說(shuō)明所建立的有限元模型是正確的。
進(jìn)行輸電塔的動(dòng)力特性研究,以確定振型、頻率和阻尼等參數(shù),是后續(xù)進(jìn)行地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。動(dòng)力特性計(jì)算中,本文取體系靜力終態(tài)的內(nèi)力和幾何坐標(biāo)作為動(dòng)力初始態(tài),即假定體系在靜力平衡位置微幅振動(dòng)。采用Lanczos法對(duì)結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)方程進(jìn)行特征值求解,一方面避免了大量的迭代步驟,另一方面也避免了漏掉可能激起的振型,大大提高了計(jì)算的效率。
我國(guó)電力設(shè)施抗震規(guī)范[9]指出,計(jì)算桿塔動(dòng)力特性時(shí),可不計(jì)入導(dǎo)地線等物的重量,導(dǎo)地線只是作為外荷載加在桿塔上進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。為了解榕江大跨越輸電塔的特性,本文給出了兩種單塔模型和塔線體系模型的計(jì)算結(jié)果。表1給出了跨越單塔和塔線體系中跨越塔的前6階振型結(jié)果。
比較模型1和模型2的結(jié)果可以看出:如果不考慮導(dǎo)地線剛度的影響,而只是把導(dǎo)地線作為質(zhì)量附加于跨越塔上,輸電塔的各階頻率均將明顯變小。扭轉(zhuǎn)頻率的變化尤為明顯,一階扭轉(zhuǎn)減小達(dá)38.7%。后面的三階扭轉(zhuǎn)模態(tài)則早于三階y向模態(tài)出現(xiàn)。
表1 輸電塔主要振型和頻率(Hz)Tab.1 Main vibration modes and frequencies of the crossing tower(Hz)
比較模型3和模型1的結(jié)果可以看出:導(dǎo)地線的存在使得塔線體系的x向振型頻率變小,一階頻率減少約6.0%。而y向頻率變大,一階頻率增大約8.1%??梢?jiàn)導(dǎo)地線對(duì)輸電塔在順導(dǎo)線方向的剛度貢獻(xiàn)大于垂直導(dǎo)線方向。
與不考慮導(dǎo)地線時(shí)的單塔相比,受導(dǎo)地線的影響,塔線體系中塔的兩向彎曲頻率略有減小或增大,但其值仍屬接近。塔線體系中低頻的部分主要是集中反映在導(dǎo)地線上的振型上。在初步設(shè)計(jì)階段對(duì)塔的動(dòng)力特性進(jìn)行估計(jì)時(shí),可以不考慮導(dǎo)地線的影響。但由于慣性力對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響不可忽略,因此在進(jìn)行塔線體系的響應(yīng)分析時(shí)則應(yīng)計(jì)入導(dǎo)地線的影響。
我國(guó)電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[9]和建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[10]均是以反應(yīng)譜理論為基礎(chǔ)的。反應(yīng)譜是通過(guò)理想的單質(zhì)點(diǎn)體系反應(yīng)來(lái)描述地震動(dòng)特性,它定義為:一個(gè)自振周期為T(mén)、阻尼比為ζ的單質(zhì)點(diǎn)體系在地震動(dòng)作用下反應(yīng)的最大值S(T,ζ)隨周期T而變的函數(shù)。
對(duì)于自由度為N的線彈性體系,在地面運(yùn)動(dòng)加速度ag(t)的一致激勵(lì)下,其運(yùn)動(dòng)微分方程為[11]:
式中,[M] 、[C] 和[K] 分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣;}和{x(t)}分別為結(jié)構(gòu)相對(duì)于基底的加速度、速度和位移列向量;{I}為影響向量,表示基礎(chǔ)發(fā)生單位位移時(shí)結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的位移。用振型分解法對(duì)式(1)進(jìn)行解耦,最終結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)可表示為一般振型的迭加:
振型反應(yīng)譜方法的著眼點(diǎn)在于上述振型反應(yīng)的最大值,并采用反應(yīng)譜來(lái)計(jì)算這個(gè)最大值,設(shè)振型反應(yīng){Sj}的最大值為{Qj},則有:
式中,Sd(ωj·ζ)與 Sa(ωj·ζ)分別為相對(duì)位移反應(yīng)譜和絕對(duì)加速度反應(yīng)譜。
由于三個(gè)方向上的地震波之間相關(guān)性較小,采用式(4)來(lái)估計(jì)地震響應(yīng):
式中,Qx,Qy,Qz分別為X方向、Y方向和Z方向的單向地震作用效應(yīng)。
由于輸電塔線體系振型頻率密集,在確定參與計(jì)算的振型數(shù)目時(shí),以所取振型數(shù)的有效質(zhì)量占總質(zhì)量的90%以上為原則,對(duì)于塔線體系取前2 400階進(jìn)行組合,3個(gè)方向即X方向平動(dòng)、Y方向平動(dòng)、繞Z方向扭轉(zhuǎn)的累加有效質(zhì)量分別為 97.24%、97.29%、92.76%。
圖4 塔線體系各方向有效質(zhì)量系數(shù)Fig.4 Effective mass coefficients of vibration modes of tower-line system
反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果只能給出反應(yīng)最大值,而不能給出發(fā)生反應(yīng)的全過(guò)程,可能會(huì)遺漏某些比較重要的過(guò)程信息。時(shí)程分析則能給出結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的全部反應(yīng),可使設(shè)計(jì)人員更清楚地了解地震作用下結(jié)構(gòu)的薄弱部位和破壞機(jī)理,以正確提高結(jié)構(gòu)抗震能力。我國(guó)抗震規(guī)范也規(guī)定對(duì)重要結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行時(shí)程分析計(jì)算。
根據(jù)榕江大跨越塔的地質(zhì)報(bào)告,該區(qū)域場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi),屬8°抗震設(shè)防。根據(jù)場(chǎng)地類(lèi)別和周期本文選取了三條相應(yīng)的地震波對(duì)輸電塔進(jìn)行分析,分別為ELCentro、taft以及蘭州人工波。為了與當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計(jì)地震烈度相當(dāng),根據(jù)選用的實(shí)際地震波加速度峰值與設(shè)防烈度相應(yīng)的多遇地震時(shí)的加速度時(shí)程曲線最大值相等的原則,對(duì)選用的地震加速度時(shí)程記錄曲線按適當(dāng)?shù)谋壤M(jìn)行調(diào)幅。計(jì)算中保證調(diào)整后的各地震波平均地震影響系數(shù)與振型分解反應(yīng)譜法采用的地震影響系數(shù)在統(tǒng)計(jì)意義上保持一致。地震波輸入采用三向同時(shí)輸入,即垂直線條方向(X向)+順線向(Y向)+豎向(Z向)。三方向加速度最大值按1∶0.85∶0.65進(jìn)行調(diào)整。
對(duì)單塔和塔線體系進(jìn)行了8°多遇地震的響應(yīng)計(jì)算。根據(jù)對(duì)輸電塔的初步分析,以塔中可能起控制作用的部位的桿件為對(duì)象進(jìn)行分析:地線支架主材1-2;上橫擔(dān)拉桿3-4;上橫擔(dān)壓桿6-7;下橫擔(dān)拉桿10-11;下橫擔(dān)壓桿18-19;下橫擔(dān)上橫隔9-10;塔身主材1-7、41-52、60-61;K 斜材51-52、53-54、55-60;塔身交叉材22-30、40-42。節(jié)點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)圖1。
分別采用反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法對(duì)榕江大跨越輸電塔線體系有限元模型進(jìn)行了有限元計(jì)算。其中,單條地震波時(shí)程計(jì)算所得的地震剪力不小于相應(yīng)振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%,滿足規(guī)范要求。限于篇幅,單條波的計(jì)算結(jié)果不再一一列出,文中主要以時(shí)程曲線結(jié)果的平均值為準(zhǔn)進(jìn)行分析。
由表2可以看出,對(duì)于塔線體系,時(shí)程分析法計(jì)算所得的塔底總水平剪力大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的結(jié)果?;准袅ν耆珴M足抗震規(guī)范中時(shí)程計(jì)算的基底剪力不得低于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果80%的規(guī)定,說(shuō)明所選用的地震波是符合要求的。
比較振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法塔線體系的塔底各支座處的剪力值可以發(fā)現(xiàn),振型分解反應(yīng)法所得的各支座剪力值基本相同,時(shí)程分析法所得的支座剪力值之間則差別明顯,支座一、支座四處的剪力值較大,而支座二、支座三處的剪力值較小。這是因?yàn)檎裥头纸夥磻?yīng)譜法是概率意義上的“平均”地震激勵(lì),且取若干階振型進(jìn)行疊加,會(huì)遺漏結(jié)構(gòu)的某些真實(shí)響應(yīng)情況,而時(shí)程分析法則是完全考慮了塔線體系的振型、非線性和動(dòng)力效應(yīng),就其動(dòng)力計(jì)算的結(jié)果而言是準(zhǔn)確的,更為接近實(shí)際。對(duì)于各自方向上的塔底總剪力來(lái)說(shuō),時(shí)程分析法的結(jié)果要大于相應(yīng)的振型分解反應(yīng)譜法。
表2 塔底水平剪力計(jì)算值(k N)Tab.2 Bottom horizontal shear forces of the crossing tower(kN)
比較塔線體系和單塔體系的計(jì)算結(jié)果可以看出,塔線體系下的塔底剪力較單塔的結(jié)果要小,這說(shuō)明在地震作用下導(dǎo)地線產(chǎn)生的擺動(dòng)會(huì)消耗一部分能量,能夠起到阻尼器的作用。導(dǎo)地線對(duì)輸電塔抗震是有利的。
圖5為榕江大跨越輸電塔各控制桿件的軸力計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況??梢钥闯?,時(shí)程分析法計(jì)算的桿件軸力大于振型分解反應(yīng)譜法,這與兩種方法計(jì)算的塔底剪力的比較結(jié)果是一致的。這主要是因?yàn)闀r(shí)程分析法可以考慮塔線體系的非線性,計(jì)入結(jié)構(gòu)所有振型的振動(dòng)情況,計(jì)算結(jié)果更接近結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。故取塔線體系的時(shí)程計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后續(xù)的分析與比較。
圖5 塔線體系中各控制桿件內(nèi)力Fig.5 Axial forces of main members of tower-line system
比較反應(yīng)譜法和時(shí)程法的計(jì)算結(jié)果可知,時(shí)程分析的結(jié)果偏大,取塔線體系的時(shí)程結(jié)果和設(shè)計(jì)內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比。所選研究桿件的設(shè)計(jì)控制內(nèi)力是指不考慮地震作用時(shí)的最終優(yōu)化結(jié)果,考慮地震作用的各桿件設(shè)計(jì)內(nèi)力根據(jù)塔線體系的時(shí)程結(jié)果進(jìn)行組合計(jì)算,按照規(guī)范[12]規(guī)定,計(jì)算中風(fēng)荷載的作用系數(shù)取0.3,水平地震作用系數(shù)取1.3,同時(shí)作用的豎向地震作用系數(shù)取0.5。圖6給出了各研究對(duì)象的設(shè)計(jì)控制軸力值和考慮地震作用時(shí)的設(shè)計(jì)軸力值。
圖6 兩種內(nèi)力值及對(duì)比圖(絕對(duì)值)Fig.6 Comparison of member axial forces of single tower and tower-line system(absolute)
可以看出,各桿件考慮地震作用的內(nèi)力值均小于無(wú)地震作用時(shí)的設(shè)計(jì)控制內(nèi)力,大多數(shù)桿件的地震作用軸力值在設(shè)計(jì)控制內(nèi)力的70%及以下,這說(shuō)明在大跨越輸電塔的設(shè)計(jì)中,地震效應(yīng)不起主要控制作用。
從圖6還可看到,桿件10-11、9-10和55-60地震作用時(shí)的內(nèi)力占設(shè)計(jì)控制內(nèi)力的比例較大。這三根桿件的設(shè)計(jì)控制內(nèi)力分別為 1518kN、2093kN和350kN,均由60°大風(fēng)工況控制,相應(yīng)的考慮地震作用的內(nèi)力大小為 1 352.4 kN、1 872.5 kN 和315.2 kN,占設(shè)計(jì)控制內(nèi)力的百分比分別達(dá) 89.15%,89.5%和90.1%,是抗震設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)中的相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)。該塔頭型式采用可減輕塔重的蝶形塔頭,下橫擔(dān)每側(cè)懸掛兩相導(dǎo)線,懸挑長(zhǎng)度較大,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯且豎向地震作用效應(yīng)顯著,這些都將直接導(dǎo)致橫擔(dān)根部拉桿的計(jì)算內(nèi)力有所增大。此外,由于該跨越塔高度較大,塔身采用兩次變坡設(shè)計(jì),塔身下部斜材設(shè)計(jì)內(nèi)力較小,多由長(zhǎng)細(xì)比控制,埃菲爾效應(yīng)[13]明顯。即,在地震作用計(jì)算時(shí),輸電塔沿高度方向的質(zhì)量不均勻分布轉(zhuǎn)換成了沿高度明顯分布不均且隨時(shí)間變化的側(cè)向作用,也使得地震作用下二次變坡以下的K型支撐的內(nèi)力有較之靜力計(jì)算結(jié)果有較大變化??紤]到抗震安全度等綜合因素,工程設(shè)計(jì)中對(duì)這些部位的桿件進(jìn)行了適當(dāng)加大。
針對(duì)位于廣東省汕頭市的榕江大跨越輸電塔實(shí)際工程進(jìn)行了地震響應(yīng)分析。通過(guò)建立多種有限元模型分析對(duì)比了單塔、塔線體系的動(dòng)力特性,并采用反應(yīng)譜法和時(shí)程法分析了對(duì)單塔、塔線體系的地震反應(yīng)進(jìn)行了綜合的對(duì)比分析,得出結(jié)論如下:
(1)單塔較塔線體系中塔的兩向彎曲頻率略有減小,但其值仍較為接近,塔線體系中低頻的部分主要是集中反映在導(dǎo)地線上的振型上。在初步設(shè)計(jì)階段對(duì)塔的動(dòng)力特性進(jìn)行估計(jì)時(shí),可以不考慮導(dǎo)地線的影響。
(2)時(shí)程計(jì)算法和反應(yīng)譜法基本一致,證明所用的計(jì)算方法是正確的。整體上來(lái)講,時(shí)程分析的結(jié)果要大于振型分解反應(yīng)譜法的結(jié)果。同時(shí),考慮到塔線體系具有較強(qiáng)的非線性特征、導(dǎo)地線頻率低且分布密集,故建議在地震計(jì)算時(shí)按塔線體系模型進(jìn)行時(shí)程分析。
(3)無(wú)論是支座剪力還是輸電塔桿件軸力,塔線體系的結(jié)果小于單塔。這說(shuō)明在地震作用下導(dǎo)地線產(chǎn)生的擺動(dòng)會(huì)消耗一部分能量,能夠起到阻尼器的作用。導(dǎo)地線對(duì)輸電塔抗震是有利的。因此在進(jìn)行塔線體系的動(dòng)力分析時(shí)應(yīng)計(jì)入導(dǎo)地線的影響。若僅按單塔進(jìn)行計(jì)算,將會(huì)過(guò)大地估計(jì)結(jié)構(gòu)桿件的內(nèi)力。
(4)各桿件考慮地震作用的內(nèi)力值均小于無(wú)地震作用時(shí)的設(shè)計(jì)控制內(nèi)力,這說(shuō)明在榕江大跨越輸電塔的設(shè)計(jì)中,地震效應(yīng)不起主要控制作用。
(5)橫擔(dān)主材拉桿、橫擔(dān)處上橫隔主材和第二道變坡以下的K型支撐,考慮地震作用的設(shè)計(jì)內(nèi)力占設(shè)計(jì)控制內(nèi)力的90%左右,是結(jié)構(gòu)的相對(duì)薄弱部位。在抗震設(shè)計(jì)時(shí),考慮安全度等綜合因素,對(duì)該部位的桿件進(jìn)行了適當(dāng)加大。
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