輸電鐵塔強(qiáng)震抗災(zāi)能力分析

陳大斌，李東亮，朱瑞民，田雷

（國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100052）

0 引 言

相對于鋼筋混凝土建（構(gòu)）筑物而言，輸電鐵塔屬于輕型、高柔結(jié)構(gòu)，具有較好的抗震性能，在歷次地震中輸電鐵塔震害相對較輕［1－2］。近年來，由于土地資源日益緊張，電網(wǎng)建設(shè)外部環(huán)境日益惡化，輸電線路路徑難免要經(jīng)過一些對地震作用有放大效應(yīng)的地段。地處抗震不利地段的鐵塔，在強(qiáng)震作用下的抗震能力較普通地段差，是工程抗震設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)。同時，隨著西藏、新疆等西部地區(qū)與內(nèi)地聯(lián)網(wǎng)工程的建設(shè)，輸電線路不可避免會經(jīng)過一些高烈度地震地區(qū)。為實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、強(qiáng)震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)［3］，對輸電鐵塔進(jìn)行強(qiáng)震作用下抗災(zāi)能力分析，并提出相應(yīng)抗震措施對提高電網(wǎng)抗災(zāi)能力具有重要意義。本文以1基典型500kV輸電鐵塔為研究對象，以我國2008年汶川地震記錄和美國1940年California EL Centro地震記錄作為地震輸入，采用時程分析法，分析其強(qiáng)震作用效應(yīng)與非地震作用效應(yīng)的差異，評價典型輸電塔的強(qiáng)震抗災(zāi)能力。

1 分析模型

1.1 模型簡化

本文在計算桿塔的動力特性時暫不計入導(dǎo)線和地線的質(zhì)量［4］，主要基于以下考慮：（1）導(dǎo)線通過周期較鐵塔長得多的絕緣子串與鐵塔相連，掛有導(dǎo)線的鐵塔動力響應(yīng)比單獨(dú)鐵塔??；（2）導(dǎo)、地線的支撐作用增加了鐵塔的剛度，會使周期減小，導(dǎo)、地線的質(zhì)量又會使鐵塔周期變長，總體上導(dǎo)、地線使鐵塔的第1周期減小，對2階以上的周期影響不大。

1.2 單元選擇

鐵塔是由許多構(gòu)件組成的立體空間結(jié)構(gòu)，本文進(jìn)行的有限元分析中將每個構(gòu)件視為1個梁單元（BEAM4）［5－6］，鐵塔原形選擇500kV雙回路鐵塔SZ4進(jìn)行分析。

1.3 模型的自振頻率

SZ4塔的自振頻率計算結(jié)果如表1所示。

表1 SZ4塔自振頻率Tab.1 Natural frequency of SZ4tower

2 鐵塔抗震分析

2.1 分析方法

結(jié)構(gòu)抗震動力分析一般采用反應(yīng)譜分析法和時程分析法［7－8］。盡管反應(yīng)譜法在抗震設(shè)計計算中得到廣泛應(yīng)用，但在分析多質(zhì)點(diǎn)體系時，反應(yīng)譜僅能給出結(jié)構(gòu)各振型反應(yīng)的最大值，而丟失了與最大值和振型組合有關(guān)的重要信息，難以正確進(jìn)行各振型最大值的組合。時程分析法，也稱直接動力法，可直接獲得地震過程中結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)各時刻的位移、速度和加速度，從而計算各時刻構(gòu)件的地震內(nèi)力。本文采用時程分析法進(jìn)行鐵塔的強(qiáng)震抗震能力分析。

2.2 地震波的選取

2008年“5.12”汶川大地震是國內(nèi)近年來較為典型的高烈度地震，本文收集了汶川大地震中綿竹市清平、什邡八角等地的地震數(shù)據(jù)，選取較為典型的綿竹清平地震記錄作為地震輸入。該地震加速度時程的最大值相當(dāng)于罕遇地震9度以上，低于10度。地震記錄時長為160 s，時間間隔為0.005 s，NS向峰值為824.128 cm／s2、EW 向為802.713 cm／s2、UD 向為622.911 cm／s2，出現(xiàn)時間分別為46.86、48.52、47.24 s，EW、NS、UD方向加速度峰值比例為1∶0.97∶0.76。圖1為EW、NS、UD方向的波形圖。同時選用美國1940年California EL Centro地震記錄作為對照計算，該記錄是1個典型的Ⅰ、Ⅱ類場地地震記錄，中長周期頻譜豐富。

圖1 汶川地震綿竹清平地震加速度圖Fig.1 Seismic acceleration of the Wenchuan Earthquake in Qingping County of Mianzhu City

2.3 時間步長的選擇

時程分析法的精度與時間步長的取值有關(guān)，一般，時間步長等于或小于結(jié)構(gòu)自振周期的1／10，就可得到滿意的結(jié)果。文獻(xiàn)［8］指出時域中數(shù)值計算的精度不僅取決于方法的穩(wěn)定性，還與時間步長有關(guān)。為保證計算的精度，避免出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象，時間步長Δt應(yīng)滿足：Δt≤Tp／20（T為過程中出現(xiàn)的最大頻率；p為對應(yīng)的周期）。本次采用的地震記錄時長為0.005s，足以滿足計算精度的要求。根據(jù)豎向地震作用對結(jié)構(gòu)影響的分析結(jié)果，本課題均需考慮豎向地震作用的影響，一般來講豎向地震作用表現(xiàn)為高頻振動，周期較短，在采取時程分析時，也有必要縮小步長，以防止計算結(jié)果分散，減少誤差。

2.4 時長的選擇

GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》指出：輸入的地震加速度時程曲線的持續(xù)時間，不論實(shí)際的強(qiáng)震記錄還是人工模擬波形，一般為結(jié)構(gòu)基本周期的510倍［3］。根據(jù)鐵塔動力特性分析，本結(jié)構(gòu)的基本周期為0.76s，若按照上述規(guī)定，則分析時長達(dá)到7.6s即可滿足要求。但從實(shí)際計算結(jié)果來看，7.6s不滿足鐵塔計算精度要求。為了便于比較，分別計算了160、3656、4656、3650s這4個時長的峰值，從計算結(jié)果看出3656s的峰值和160s的峰值極為接近。本次分析選取3656s的時長進(jìn)行分析。

3 鐵塔地震響應(yīng)分析結(jié)果

地震作用下鐵塔各構(gòu)件的反應(yīng)如表2所示。

由表2可知，SZ4塔在地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力反應(yīng)存在如下規(guī)律：

（1）主材內(nèi)力自上而下逐漸加大。桿件210—220、690—800、800—860、6000—6100的內(nèi)力（以壓力說明）分別為－486.993、－1563.092、－1760.226、－2402.644kN，與非地震荷載作用下的內(nèi)力分布趨勢一致。

（2）橫擔(dān)主材受力自上而下逐漸減小。桿件170—210、250—260、520—530最大拉力分別為203.319、102.299、37.726kN；桿件180—220、420—430、680—690最大壓力分別為－226.428、－132.755、－44.974kN。這顯示了地震作用下，上部懸臂結(jié)構(gòu)的放大作用非常明顯，與非地震荷載作用有明顯區(qū)別。

（3）在多遇地震下，即使9度以上地震，鐵塔的地震效應(yīng)也沒有超出非地震荷載效應(yīng)。

（4）在罕遇地震下，8度地震作用時，主要構(gòu)件的鐵塔地震效應(yīng)與非地震荷載控制工況的效應(yīng)相當(dāng)。

（5）塔腿斜材內(nèi)力與靜力荷載分析結(jié)果對比，增加較多。

表2 SZ4鐵塔主要構(gòu)件內(nèi)力Tab.2 Internal forces of main members of SZ4tower

4 豎向地震作用對結(jié)構(gòu)的影響

由于輸電鐵塔橫擔(dān)屬于較長的懸臂結(jié)構(gòu)，計算了SZ4塔分別在有、無豎向地震作用參與時鐵塔構(gòu)件的內(nèi)力反應(yīng)（見表3），從表3可看出，豎向地震作用對塔身主材內(nèi)力影響較小，最小值為2.22%，最大值約為17.41%；對橫擔(dān)內(nèi)力影響較大，最小值為41.08%，最大值達(dá)215.87%。因此，對于橫擔(dān)較長的鐵塔，進(jìn)行抗震驗算時應(yīng)考慮豎向地震作用的影響。

表3 豎向地震作用影響分析Tab.3 Impact of vertical earthquake action

5 結(jié) 語

基于現(xiàn)階段我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和輸電桿塔的承載力水平，我國輸電桿塔抗震設(shè)計以滿足第2水準(zhǔn)烈度——基本地震烈度基本要求，未提出強(qiáng)震烈度（第3水準(zhǔn)烈度）設(shè)計要求。本文分析表明，典型桿塔在基本設(shè)防烈度下的地震作用效應(yīng)一般低于非地震作用的荷載效應(yīng)，具有較好的抗震能力，但在強(qiáng)震情況下，尤其是8度及以上設(shè)防烈度地區(qū)，罕遇地震作用超出了桿塔的承載能力，不一定滿足“強(qiáng)震不倒”。因此，建議對于大跨越等抗災(zāi)能力要求很高的輸電線路桿塔，應(yīng)提出更高的抗震設(shè)防目標(biāo)，考慮罕遇地震作用下承載能力驗算。同時，對于橫擔(dān)懸臂較長（20 m以上）的桿塔，抗震驗算時應(yīng)考慮豎向地震作用的影響。

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