高烈度震區(qū)輸電塔的地震響應(yīng)研究

拾 峰，周安清

(江蘇省宏源電力建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 210036)

0 引言

我國(guó)大部分輸電線路都要穿過高烈度地震區(qū)，地震會(huì)導(dǎo)致輸電塔破壞，產(chǎn)生極其嚴(yán)重的后果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年汶川地震造成110 kV線路倒塌20多基，500 kV線路8基和220 kV線路2基鐵塔損毀。理論研究與震害經(jīng)驗(yàn)表明：地震時(shí)，地面運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的空間振動(dòng)，實(shí)際地震不僅有水平振動(dòng)分量，還有豎向振動(dòng)分量。豎向振動(dòng)不僅會(huì)造成豎向結(jié)構(gòu)破壞，還會(huì)使水平方向的大跨和懸臂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。因此，研究高烈度震區(qū)輸電塔結(jié)構(gòu)在地震作用下的時(shí)程響應(yīng)，具有很大意義。

1 理論分析模型

輸電塔在地震作用下，在水平與豎向地震同時(shí)輸入，結(jié)構(gòu)豎向運(yùn)動(dòng)獨(dú)立時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：[M]為輸電塔的質(zhì)量矩陣；[C]V為輸電塔豎向振動(dòng)的阻尼矩陣；[K]V為輸電塔的剛度矩陣；｛Y｝為輸電塔結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)相對(duì)地面的位移向量；為地面運(yùn)動(dòng)加速度；｛I｝為地震作用向量。

輸電塔在地震作用下，水平與豎向地震同時(shí)輸入，結(jié)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)與豎向運(yùn)動(dòng)耦聯(lián)，其運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：[M]為輸電塔的質(zhì)量矩陣；[C]H為結(jié)構(gòu)水平振動(dòng)阻尼矩陣；[K]H為輸電塔的水平剛度矩陣；[KG]為幾何剛度矩陣，其中軸向力包含豎向地震的影響；｛X｝為輸電塔結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)相對(duì)地面的位移向量。

2 數(shù)值模擬分析

某高壓線路位于二類場(chǎng)地，抗震設(shè)防烈度9度，電壓等級(jí)500 kV，輸電塔2C-ZB22酒杯型，呼高36 m，根開6 m，桿材Q345，輔助桿材為Q235，導(dǎo)線LGJ-300/40，地線JLB40-150，檔距500 m。采用ANSYS軟件建立輸電線路有限元模型，輸電線體系中，鐵塔桿材和主斜材采用BEAM 188梁?jiǎn)卧M，輔助桿材采用LINK 180桿單元模擬，絕緣子采用BEAM 188梁?jiǎn)卧M，導(dǎo)(地)線采用LINK 10桿(索)單元來(lái)模擬，導(dǎo)(地)線兩端鉸接。

根據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50260—2013)規(guī)定：驗(yàn)算電力設(shè)施抗震性能時(shí)，應(yīng)至少在2個(gè)水平軸方向分別計(jì)算水平地震作用；抗震設(shè)防烈度為8度或9度時(shí)，大跨度設(shè)施和長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)應(yīng)驗(yàn)算豎向地震作用。當(dāng)采用動(dòng)力時(shí)程分析法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，時(shí)程響應(yīng)的總持續(xù)時(shí)間不應(yīng)小于30 s，其中強(qiáng)震動(dòng)部分不應(yīng)小于6 s；當(dāng)進(jìn)行豎向地震作用的時(shí)程分析時(shí)，地面運(yùn)動(dòng)最大豎向加速度α,可取最大水平加速度的65 %。

本模型采用EI Centro.site，270 Deg地震波(如圖1)，加速度峰值取1.4 m/s2，計(jì)算時(shí)距為0.02 s。本輸電塔線體系抗震設(shè)防烈度為9度，且屬于長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行抗震分析時(shí)，利用ANSYS軟件對(duì)輸電塔進(jìn)行不同方向地震作用下有限元力學(xué)模擬，分別進(jìn)行X向(橫線方向)，Y向(縱線方向)及Z向(豎直方向)的時(shí)程響應(yīng)分析。為了便于對(duì)比研究分析，分別用工況1(X向)、工況2(Y向)及工況3(Z向)來(lái)表示。

圖1 EL Centro地震波

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 基底反力分析

利用ANSYS建立有限元模型，分別對(duì)輸電塔進(jìn)行不同方向地震作用下的有限元力學(xué)模擬分析，其基底反力峰值絕對(duì)值如表1所示，工況1基底X向反力時(shí)程曲線、工況2基底Y向反力時(shí)程曲線及工況3基底Z向反力時(shí)程曲線如圖2所示。

表1 不同工況下的基底反力峰值絕對(duì)值 N

由表1數(shù)據(jù)可知：

(1) 在工況1的條件下(地震波X向激勵(lì))，基底X向反力最大，Z向反力次之，Y向反力最??；

(2) 在工況2的條件下(地震波Y向激勵(lì)時(shí))，基底Y向反力最大，Z向反力次之，X向反力最小，其輸電塔Z向反力增大為工況1時(shí)的1.194倍；在水平向地震作用下，Y向激勵(lì)時(shí)，輸電塔基底反力響應(yīng)更為顯著；

(3) 在工況3的條件下(地震波Z向激勵(lì)時(shí))，基底Z向反力最大，X向反力與Y向反力接近，在豎向地震作用下，輸電塔豎向反力也不容忽視。

圖2 基底反力時(shí)程響應(yīng)

3.2 構(gòu)件軸應(yīng)力分析

高聳塔架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件效應(yīng)主要由軸應(yīng)力產(chǎn)生。為研究地震作用下輸電塔桿件軸應(yīng)力分布規(guī)律，現(xiàn)取輸電塔塔腳桿材A、塔腿桿材B、塔身中部桿材C、下曲臂桿材D、上曲臂桿材E、橫擔(dān)桿材F、支架桿材G等重要部位典型桿件進(jìn)行地震工況下的構(gòu)件軸應(yīng)力分析。

典型桿件位置如圖3所示。

利用ANSYS軟件對(duì)輸電塔進(jìn)行不同方向地震作用下的有限元力學(xué)模擬分析，其典型部位桿材軸應(yīng)力曲線見圖4～6，應(yīng)力峰值絕對(duì)值如表2所示。

圖3 輸電塔桿材編號(hào)

工況1下的C，D，F(xiàn)軸應(yīng)力曲線如圖4所示。

圖4 工況1下的桿材軸應(yīng)力曲線

工況2下的C，D，F(xiàn)軸應(yīng)力曲線如圖5所示。

圖5 工況2下的桿材軸應(yīng)力曲線

工況3下的C，D，F(xiàn)軸應(yīng)力曲線如圖6所示。

由圖4～6可知：在地震作用下，桿材軸應(yīng)力劇烈變化，動(dòng)力效應(yīng)非常明顯；地震持續(xù)30 s后，由于地震加速度衰減，其軸應(yīng)力響應(yīng)也隨之衰減，動(dòng)力效應(yīng)主要集中在前30 s。

由表2可知：

(1) 在工況1下(地震波X向激勵(lì)時(shí))，塔腿桿材B，C軸應(yīng)力峰值絕對(duì)值最大，超過15 MPa；支架桿材G軸應(yīng)力峰值絕對(duì)值最小，為0.023 MPa；輸電塔塔身?xiàng)U材軸應(yīng)力峰值絕對(duì)值要大于曲臂、橫擔(dān)處桿材軸應(yīng)力峰值絕對(duì)值，橫擔(dān)處屬于懸臂構(gòu)件，其軸應(yīng)力峰值絕對(duì)值為5.984 MPa，也不容忽視；

圖6 工況3下的桿材軸應(yīng)力曲線

表2 桿材軸應(yīng)力峰值絕對(duì)值 MPa

(2) 在工況2下(地震波Y向激勵(lì)時(shí))，塔腿桿材B軸應(yīng)力峰值絕對(duì)值最大，為17.179 MPa；支架桿材G軸應(yīng)力峰值絕對(duì)值最小，為0.352 MPa；桿材軸應(yīng)力峰值絕對(duì)值變化規(guī)律和工況1一致。地震波Y向激勵(lì)時(shí)，各部位桿材軸應(yīng)力峰值絕對(duì)值都要大于地震波X向激勵(lì)桿材軸應(yīng)力響應(yīng)；

(3) 在工況3的條件下(地震波Z向激勵(lì)時(shí))，橫擔(dān)桿材F軸應(yīng)力峰值絕對(duì)值最大，為1.514 MPa；支架桿材G軸應(yīng)力峰值絕對(duì)值最小，為0.019 MPa。地震豎向作用時(shí)，對(duì)于懸臂構(gòu)件非常不利。

4 結(jié)論

本文通過ANSYS軟件建立輸電塔有限元模型，分別對(duì)輸電塔進(jìn)行水平向和豎向地震進(jìn)行時(shí)程響應(yīng)分析，得到如下結(jié)論：

(1) 地震波X向激勵(lì)時(shí)，X向基底反力最大；地震波Y向激勵(lì)時(shí)，Y向基底反力最大；地震波Z向激勵(lì)時(shí)，Z向基底反力最大；

(2) 在水平向地震作用下，輸電塔基底反力要明顯大于豎向地震作用；但在豎向地震作用下，輸電塔豎向反力也不容忽視；

(3) 在水平向地震作用下，塔腿桿材B，C軸應(yīng)力峰值絕對(duì)值最大，在輸電塔設(shè)計(jì)和施工時(shí)，此部位桿材應(yīng)注意加強(qiáng)；

(4) 在豎向地震作用下，輸電塔橫擔(dān)桿材F軸應(yīng)力峰值絕對(duì)值最大，豎向地震作用對(duì)懸臂構(gòu)件非常不利；

(5) 在高烈度區(qū)進(jìn)行高壓輸電塔設(shè)計(jì)時(shí)，由于豎向地震作用不容忽視，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加強(qiáng)懸臂構(gòu)件。

1 李宏男，王前信．大跨越輸電塔體系的動(dòng)力特性[J]．土木工程學(xué)報(bào)，1997，30(5)：28-36.