采空區(qū)基礎(chǔ)變形過程中輸電鐵塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力沖擊效應(yīng)分析

楊風(fēng)利

(中國電力科學(xué)研究院，北京 100055)

由于地域特點(diǎn)和走廊條件的限制，輸電線路往往要經(jīng)過煤礦采空區(qū)地段，我國已有1 000 kV特高壓、500 kV及以下電壓等級(jí)的多條輸電線路經(jīng)過煤礦采空區(qū)。受煤礦采空區(qū)地表沉陷的影響，輸電鐵塔基礎(chǔ)將發(fā)生沉降、傾斜、不均勻沉降、水平滑移等變形，進(jìn)而使鐵塔的根開和塔腿高差發(fā)生變化，塔體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，造成塔體局部破壞或整體發(fā)生倒塌，直接威脅鐵塔安全及輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行[1-4]。

我國DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[5]和DL/T 741—2010《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》[6]中對(duì)不同塔高的地基沉降變形限值做出了規(guī)定，而對(duì)基礎(chǔ)不均勻沉降和發(fā)生水平滑移等情況的限值還沒有明確規(guī)定。目前，對(duì)采空區(qū)基礎(chǔ)變形輸電鐵塔的研究大都集中在變形后輸電鐵塔承載力評(píng)估或加固技術(shù)上面。楊風(fēng)利等[7]通過建立1 000 kV特高壓輸電鐵塔有限元模型，對(duì)采空區(qū)鐵塔在基礎(chǔ)發(fā)生沉降、傾斜或滑移后，與正常設(shè)計(jì)工況進(jìn)行組合時(shí)桿件的內(nèi)力及其變化趨勢(shì)進(jìn)行了計(jì)算分析，確定了不同工況下的基礎(chǔ)變形限值。Yang等[8]依據(jù)沈陽500 kV沈沙1、2號(hào)線同塔雙回線路53號(hào)塔扶正后基礎(chǔ)不均勻沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了53號(hào)塔在大風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)承載力，并對(duì)鐵塔的承載性能進(jìn)行了評(píng)估。孫冬明[9]通過建立塔線體系三維有限元模型，針對(duì)工作面推進(jìn)方向與線路方向的三種關(guān)系，對(duì)塔線體系進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)，同時(shí)給出了相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上提出了已建線路工作面布置原則及糾偏加固改造技術(shù)。

近年來，螺栓連接對(duì)基礎(chǔ)變形時(shí)輸電鐵塔承載力的影響成為研究熱點(diǎn)。高康等[10]利用有限元軟件ANSYS探討了螺栓連接滑移非均勻沉降輸電鐵塔的承載能力影響，發(fā)現(xiàn)不考慮滑移的模型塔承載能力隨塔腳沉降量的增加而大幅下降，而考慮滑移模型塔的承載能力下降相對(duì)較緩慢。舒前進(jìn)等[11]認(rèn)為不考慮節(jié)點(diǎn)滑移影響時(shí)，計(jì)算得到的采空區(qū)輸電鐵塔基礎(chǔ)位移限值過于保守。Ahmed等[12]通過進(jìn)行某一塔腿發(fā)生100 mm沉降時(shí)的鐵塔結(jié)構(gòu)受力分析，發(fā)現(xiàn)不考慮連接滑移時(shí)桿件內(nèi)力會(huì)超過極限承載力；考慮螺栓連接滑移后，桿件內(nèi)力雖比基礎(chǔ)沉降前最大增加27%，但均不會(huì)發(fā)生破壞。

采空區(qū)地表沉降有突然沉降和緩慢沉降兩種形式。對(duì)于輸電線路經(jīng)過采厚比(煤礦開采深度H與開采厚度M的比值)小于40的淺層采空區(qū)或采空區(qū)引起地表塌陷在初期變化較為強(qiáng)烈的情況，突然大幅沉降會(huì)造成輸電鐵塔基礎(chǔ)在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變形，對(duì)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)力沖擊效應(yīng)；對(duì)于緩慢沉降情況，沖擊效應(yīng)不明顯，基礎(chǔ)變形可以采用擬靜力荷載步的方式在輸電鐵塔塔腳上施加。

綜上所述，國內(nèi)外已開展了采空區(qū)基礎(chǔ)變形鐵塔承載力分析的相關(guān)研究，這些研究為進(jìn)行煤礦采空區(qū)鐵塔基礎(chǔ)沉降災(zāi)害防治技術(shù)研究打下了良好的基礎(chǔ)，但研究中均未考慮采空區(qū)地表變形沖擊效應(yīng)對(duì)鐵塔結(jié)構(gòu)承載性能的影響，需要結(jié)合基于風(fēng)環(huán)境激勵(lì)實(shí)測(cè)的鐵塔阻尼比識(shí)別結(jié)果，分析鐵塔受力狀態(tài)并建立相應(yīng)的健康狀態(tài)評(píng)估方法。本文以山西省某220 kV貓頭塔為例，通過建立基礎(chǔ)變形輸電鐵塔有限元模型，分析設(shè)計(jì)風(fēng)荷載作用下，鐵塔基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降、傾斜和水平滑移時(shí)，基礎(chǔ)突然變形對(duì)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力沖擊效應(yīng)，為采空影響區(qū)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考和依據(jù)。

1 基礎(chǔ)變形鐵塔分析模型

1.1 設(shè)計(jì)條件及有限元模型

分析對(duì)象為山西省采空區(qū)某220 kV貓頭塔，該塔呼高30 m，10 m高、10 min設(shè)計(jì)風(fēng)速為27 m/s(基本風(fēng)壓為0.46 kN/m2)，分析時(shí)考慮基礎(chǔ)變形與90°大風(fēng)和60°大風(fēng)組合。該塔全部由角鋼組成，塔重約為7.6 t。采用梁桿混合單元建立220 kV貓頭塔有限元模型(如圖1(a)所示)，主材采用BEAM4單元模擬，斜材采用LINK8單元模擬。受基礎(chǔ)變形影響較為明顯的輸電鐵塔典型桿件編號(hào)如圖1(b)所示，編號(hào)為①～④的桿件規(guī)格依次為∟100×8、∟100×8、∟63×5和∟63×5。假定鐵塔結(jié)構(gòu)在外荷載(大風(fēng)、基礎(chǔ)變形等)作用下，桿件只發(fā)生彈性變形。當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生傾斜變形時(shí)，由于鐵塔整體位移較大，產(chǎn)生附加力矩，此時(shí)應(yīng)當(dāng)在程序中打開大變形選項(xiàng)，考慮結(jié)構(gòu)大變形(幾何非線性)的影響。采空區(qū)輸電鐵塔承載力分析采用有限元計(jì)算與規(guī)程結(jié)合的方法，參照DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[13]的相關(guān)要求，對(duì)有限元計(jì)算得到的鐵塔桿件受力狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(a)三維模型(b)典型桿件編號(hào)

圖1 鐵塔有限元模型

Fig.1 FEA model of the transmission tower

1.2 基礎(chǔ)變形模擬方法

通過對(duì)輸電鐵塔塔腳處的合理約束，模擬基礎(chǔ)發(fā)生沉降、傾斜和水平滑移等情況。對(duì)于采用插入式基礎(chǔ)的貓頭塔，基礎(chǔ)未變形時(shí)塔腳的約束型式為固接。三類典型工況下塔腳的約束條件，如表1所示。表中UZ和UX為鐵塔垂直方向和橫線路方向平動(dòng)自由度，ROTY為繞鐵塔順線路方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。其中，基礎(chǔ)不均勻沉降指3個(gè)塔腳不發(fā)生變形、1個(gè)塔腳發(fā)生豎向位移；基礎(chǔ)沿橫線路和順線路發(fā)生變傾斜，鐵塔一側(cè)塔腳固定，另外一側(cè)沉降或傾斜。

表1 塔腳約束條件

1.3 阻尼比及動(dòng)力沖擊仿真方法

220 kV貓頭塔前2階振型如圖2所示，前2階自振頻率分別為f1=2.638 5 Hz、f2=2.640 0 Hz。瞬態(tài)動(dòng)力分析時(shí)鐵塔結(jié)構(gòu)阻尼比按照Rayleigh阻尼的形式施加。采用通用有限元軟件ANSYS的瞬態(tài)分析模塊，第1荷載步施加大風(fēng)工況下包含自重的結(jié)構(gòu)荷載，通過TIMINT/OFF命令關(guān)閉動(dòng)力影響；第2荷載步施加基礎(chǔ)不均勻沉降、傾斜或水平滑移荷載，通過TIMINT/ON命令打開動(dòng)力影響，分析基礎(chǔ)突然變形對(duì)鐵塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力沖擊效應(yīng)。

(a)一階(b)二階

圖2 前2階振型

Fig.2 The first two order vibration shapes

2 靜力計(jì)算及結(jié)果分析

通過進(jìn)行基礎(chǔ)不均勻沉降、傾斜和水平滑移與90°大風(fēng)和60°大風(fēng)組合工況下的靜力分析，計(jì)算得到圖1(b)所示典型桿件的軸力和應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見表2，表中應(yīng)力比為桿件實(shí)際計(jì)算應(yīng)力與設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比值。桿件①、②的鋼材強(qiáng)度級(jí)別為Q345，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為300 MPa；桿件③、④的鋼材強(qiáng)度級(jí)別為Q235，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為215 MPa?；A(chǔ)不均勻沉降與90°大風(fēng)組合工況下，鐵塔桿件軸力及整體位移云圖見圖3。

輸電鐵塔單腿發(fā)生沉降時(shí)，塔腿斜材應(yīng)力變化幅度最大，沉降過程中最先發(fā)生破壞。塔腿斜材應(yīng)力變化曲線如圖4所示，90°大風(fēng)和60°大風(fēng)作用下塔腿斜材發(fā)生破壞的沉降量臨界值分別為1.6 mm和2.4 mm。

輸電鐵塔單腿發(fā)生水平滑移時(shí)，同樣是塔腿斜材應(yīng)力變化幅度最大，滑移過程中最先發(fā)生破壞。塔腿斜材應(yīng)力變化曲線如圖5所示，90°大風(fēng)和60°大風(fēng)作用下塔腿斜材發(fā)生破壞的水平滑移量臨界值分別為6.4 mm和9.6 mm。

3 動(dòng)力計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 阻尼比影響

目前我國規(guī)范計(jì)算輸電線路大風(fēng)、覆冰等工況下的設(shè)計(jì)荷載時(shí)，鐵塔結(jié)構(gòu)阻尼比一般按照鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范取0.01，大都未考慮塔線耦合對(duì)阻尼比的影響。美國ASCE《輸電線路荷載導(dǎo)則》[14]規(guī)定格構(gòu)式鐵塔阻尼比取0.04?；陲L(fēng)環(huán)境激勵(lì)的輸電鐵塔阻尼識(shí)別實(shí)測(cè)結(jié)果表明，考慮塔線耦合影響的輸電鐵塔結(jié)構(gòu)阻尼比一般在0.015～0.045之間。本次分析中以基礎(chǔ)沉降與60°大風(fēng)組合工況為例，考慮阻尼比取0.01、0.02、0.03、0.05四種情況，分別計(jì)算輸電鐵塔典型桿件的軸力時(shí)程曲線(如圖6所示)，阻尼比取不同值時(shí)的桿件軸力、應(yīng)力及應(yīng)力比峰值見表3。可以看出，軸力峰值一般發(fā)生在沉降的初始時(shí)刻附近，阻尼比對(duì)峰值影響不大；阻尼比主要影響峰值的衰減速度，阻尼比越大，峰值衰減越快。阻尼比分別為0.01和0.05時(shí)，塔腿主材軸力峰值僅相差約3.5%。

表2 桿件軸力及應(yīng)力的靜力分析值

(a)軸力(N)

(b)位移(m)

(a)90°大風(fēng)

(b)60°大風(fēng)

(a)90°大風(fēng)

(b)60°大風(fēng)

阻尼比桿件編號(hào)軸力/kN壓應(yīng)力/MPa應(yīng)力比0.010.020.030.05①塔腿主材-461.5-402.61.30②塔身主材-433.1-377.91.22③塔腿斜材-91.7-560.52.60④塔身斜材-39.9-285.41.33①塔腿主材-455.3-397.21.28②塔身主材-427.9-373.31.21③塔腿斜材-91.4-558.72.59④塔身斜材-39.8-284.71.33①塔腿主材-450.8-393.31.27②塔身主材-424.1-370.01.20③塔腿斜材-91.1-556.92.58④塔身斜材-39.7-284.01.33①塔腿主材-446.1-389.21.25②塔身主材-419.1-365.61.18③塔腿斜材-90.5-553.22.56④塔身斜材-39.6-283.21.32

(a)塔腿主材軸力

(b)塔身主材軸力

(c)塔腿斜材軸力

(d)塔身斜材軸力

3.2 沖擊效應(yīng)分析

進(jìn)行基礎(chǔ)沉降與90°大風(fēng)和60°大風(fēng)組合工況下的動(dòng)力分析，偏于安全考慮阻尼比取0.01，鐵塔典型桿件軸力、應(yīng)力及應(yīng)力比峰值計(jì)算結(jié)果分別見表4。定義考慮動(dòng)態(tài)沖擊效應(yīng)后的桿件軸力與靜力計(jì)算得到的桿件軸力之比為“動(dòng)力沖擊系數(shù)”，以此來反映地表變形沖擊效應(yīng)對(duì)輸電鐵塔受力的影響。由表4和表3可得到90°大風(fēng)、60°大風(fēng)與三類基礎(chǔ)變形組合工況的桿件軸力動(dòng)力沖擊系數(shù)，桿件軸力動(dòng)力沖擊系數(shù)計(jì)算值見表5。

表4 考慮動(dòng)力沖擊效應(yīng)的桿件軸力及應(yīng)力

由表5可以看出，基礎(chǔ)沉降、基礎(chǔ)傾斜和基礎(chǔ)水平滑移工況主材軸力的沖擊效應(yīng)均小于斜材?；A(chǔ)沉降工況考慮沖擊效應(yīng)后主材軸力增大約10%；斜材軸力增加約40%～50%，其中塔腿斜材受地表變形沖擊的影響最大，60°大風(fēng)工況下軸力增大52%?；A(chǔ)傾斜工況考慮沖擊效應(yīng)后主材軸力增大約33%～48%；斜材軸力增加約33%～143%，其中塔腿斜材受地表變形沖擊的影響最大，60°大風(fēng)工況下軸力增大143%?；A(chǔ)水平滑移工況考慮沖擊效應(yīng)后主材軸力增大約10%；斜材軸力增加約60%～110%，其中塔腿斜材受地表變形沖擊的影響最大，60°大風(fēng)工況下軸力增大110%。

表5 動(dòng)力沖擊系數(shù)

4 結(jié) 論

本文以山西省采空區(qū)某220 kV貓頭塔為例，通過建立模擬基礎(chǔ)變形輸電鐵塔有限元模型，分別采用靜力和動(dòng)力方法分析了基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降、傾斜和水平滑移時(shí)的鐵塔桿件內(nèi)力，計(jì)算了基礎(chǔ)突然變形時(shí)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力沖擊系數(shù)。主要得到如下結(jié)論：

(1)基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降、傾斜和水平滑移時(shí)，輸電鐵塔塔腿斜材應(yīng)力變化幅度最大，基礎(chǔ)變形過程中最先發(fā)生破壞。

(2)鐵塔桿件軸力峰值一般發(fā)生在基礎(chǔ)沉降的初始時(shí)刻附近，阻尼比對(duì)峰值影響不大；阻尼比主要影響峰值的衰減速度，阻尼比越大，峰值衰減越快。阻尼比分別為0.01和0.05時(shí)，塔腿主材軸力峰值僅相差約3.5%。

(3)考慮基礎(chǔ)變形動(dòng)力沖擊效應(yīng)時(shí)，不均勻沉降工況下塔腿斜材應(yīng)力比增大50%以上，單側(cè)傾斜和水平滑移工況的塔腿斜材應(yīng)力比增大幅度超過100%。對(duì)于此類情況，僅通過提高鐵塔結(jié)構(gòu)承載力、采用大板基礎(chǔ)或加固改造一般不能滿足輸電線路安全性要求。新建輸電線路須避開淺層采空區(qū)或處于采空區(qū)地表塌陷初期的區(qū)域；已建線路則應(yīng)加強(qiáng)地表變形和塔腿基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)，提前做好停電和線路改造處理預(yù)案。

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