輸電桿塔在風(fēng)沙荷載激勵下的動力響應(yīng)分析

張卓群 李宏男 李士鋒 默增祿 郝 鑫

(1大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部, 大連 116024)(2國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司, 北京 100095)

輸電鐵塔結(jié)構(gòu)具有塔身高聳、桿件眾多、結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)復(fù)雜等諸多特點[1-2]．目前，我國電網(wǎng)體系正在逐步完善，越來越多的輸電線路需要穿越大風(fēng)區(qū)、重冰區(qū)、高烈度區(qū)、高海拔區(qū)、多風(fēng)沙區(qū)以及多種不良地質(zhì)條件區(qū)域．針對不同的災(zāi)害形式和荷載組合，如何有效地提高輸電線路整體的安全等級、保證持續(xù)送電時長和防災(zāi)減災(zāi)能力等一直是電力行業(yè)研究的重點和難點．

沙塵暴災(zāi)害是風(fēng)沙危害的一種重要表現(xiàn)形式，也是對輸電線路安全性威脅較大的自然災(zāi)害之一[3-4]．沙塵暴是一種常見的自然現(xiàn)象，多發(fā)生于我國西北、華北和東北等地區(qū)[5]，在輸電塔結(jié)構(gòu)設(shè)計中風(fēng)沙荷載通常被忽視．近年來，我國多次發(fā)生特大沙塵暴，不僅波及范圍越發(fā)廣泛，造成的損失也愈發(fā)嚴(yán)重．2000年3月，大面積沙塵暴天氣發(fā)生在我國內(nèi)蒙古自治區(qū)，局地甚至出現(xiàn)8～9級的瞬時風(fēng)力．我國北方地區(qū)在2002年3月發(fā)生了1990年以來影響最惡劣、強度最大、范圍最廣、持續(xù)時間最長的沙塵天氣，波及范圍多達140×104km2．2010年4月，我國冀東南地區(qū)多個縣市發(fā)生沙塵暴災(zāi)害，部分地區(qū)能見度小于500 m．2015年4月，我國西北、華北大部分等地均出現(xiàn)了揚沙浮塵天氣．其中，北京地區(qū)時隔13年后再次出現(xiàn)強沙塵暴天氣，部分區(qū)域瞬時風(fēng)力達到9級．沙塵暴災(zāi)害不僅給人們的生活帶來諸多不便，也對風(fēng)振敏感度極高的輸電塔線路造成了巨大影響．

雖然風(fēng)沙危害對輸電桿塔具有明顯的風(fēng)蝕效應(yīng)，但是關(guān)于風(fēng)荷載攜帶沙粒后共同作用于桿塔結(jié)構(gòu)所造成的危害則缺乏深入研究，針對風(fēng)沙荷載的破壞程度和等級尚無定論．輸電線路對風(fēng)荷載具有極強的敏感性，隨著沙塵暴荷載強度的升高，風(fēng)沙耦合效應(yīng)對輸電桿塔產(chǎn)生的影響逐漸增大，甚至可能導(dǎo)致桿件破壞．本文基于動量守恒定律和沙塵暴天氣等級理論，建立了風(fēng)沙荷載力學(xué)計算模型．通過Matlab軟件分別對風(fēng)和風(fēng)沙荷載進行模擬，并采用SAP2000軟件對不同荷載作用下的輸電塔結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)差異進行分析，最終求解出不同等級沙塵暴對輸電鐵塔的危害．

1 風(fēng)沙荷載

1.1 沙粒荷載

1.1.1 沙粒荷載分類

沙粒荷載的類別和分類比較復(fù)雜，本文以沙塵濃度作為沙粒荷載分類的主要依據(jù)．沙塵濃度是評判沙塵暴強度的一個重要因素，也是衡量風(fēng)沙流所能攜帶沙粒量的重要參數(shù)．根據(jù)文獻[5-6]和各地觀測值的綜合分析數(shù)據(jù)可知，不同強度的沙塵天氣下，地面沙塵濃度的綜合值是不同的，具體參數(shù)見表1．

表1 沙塵暴顆粒濃度計算參數(shù)

1.1.2 沙粒荷載計算

根據(jù)動量守恒定律和已有試驗研究結(jié)論[7-9]，沙塵暴災(zāi)害發(fā)生時，沙塵顆粒撞擊擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的計算公式為

(1)

式中，F(xiàn)s(τ)為τ時間內(nèi)沙塵顆粒流體對擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的撞擊力；m為τ時間內(nèi)撞擊擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的沙塵顆粒質(zhì)量；v1，v2分別為強風(fēng)流中單位體積沙塵顆粒撞擊結(jié)構(gòu)前、后的速度．

雖然沙粒撞擊鐵塔構(gòu)件表面時存在明顯的沖蝕磨損現(xiàn)象，但是構(gòu)件表面有鍍鋅層保護，因此沖蝕磨損破壞對構(gòu)件承載力無影響，風(fēng)沙荷載計算時可忽略不計．因此，為簡化計算，假定沙塵顆粒撞擊輸電塔構(gòu)件為一種彈性碰撞，且反彈后的速度與撞擊前的速度一致，即

v1=-v2=vs

(2)

式中，vs為強風(fēng)流中單位體積沙塵顆粒的平均飛躍速度．

式(1)可轉(zhuǎn)化為

(3)

(4)

式中，mi(i=1,2,…,N)為沙粒i的質(zhì)量．

在單位體積內(nèi)，假設(shè)所有沙塵顆粒均作用在輸電塔結(jié)構(gòu)上，則某一直徑的沙塵顆粒荷載作用力之和為

Fi=F(τ)ni

(5)

式中，F(xiàn)i為τ時間內(nèi)沙粒i的荷載作用力之和；ni為沙粒i在τ時間內(nèi)作用在輸電塔結(jié)構(gòu)上的數(shù)量．

時間τ內(nèi)經(jīng)過輸電塔桿件的流體體積為

V=2Al

(6)

式中，l為流體在時間τ內(nèi)經(jīng)過的距離；A為輸電塔桿件迎風(fēng)面面積．鑒于輸電鐵塔的鏤空式結(jié)構(gòu)、沙塵顆粒的離散性以及偏于安全的簡化計算思路，假定輸電塔前后側(cè)迎風(fēng)面均遭受到沙粒荷載的沖擊作用，將結(jié)構(gòu)的受力面積簡化為2A．因此，沙塵顆粒荷載為

(7)

根據(jù)《沙塵暴天氣等級》并參考文獻[5，8]，輸沙強度觀測系統(tǒng)中某一高度h處的積沙量為

Qh=∑ρTSPAsVhT

(8)

式中，ρTSP為大于起沙風(fēng)速情況下某一風(fēng)速所對應(yīng)的風(fēng)沙流密度(即總懸浮微粒密度)；As為輸沙強度觀測系統(tǒng)的集沙器進沙口面積；Vh為高度h處風(fēng)沙流密度所對應(yīng)的風(fēng)速；T為在取樣時間內(nèi)起沙風(fēng)所持續(xù)的時間．

由式(7)和(8)可知

(9)

則沙塵顆粒荷載的計算公式為

Fs(t)=4ρTSPvs(t)2A

(10)

1.2 風(fēng)荷載模擬

對于輸電線路、高聳結(jié)構(gòu)、高層、超高層建筑、房屋、橋梁等，風(fēng)荷載都被視為一種重要的控制荷載[10-12]．在某一高度處，某一點上的風(fēng)速度均可表示為平均風(fēng)速與脈動風(fēng)速之和．其中，平均風(fēng)速具有沿高度變化的規(guī)律；脈動風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用是隨機的，應(yīng)按隨機振動理論求解其動力響應(yīng)．本文采用對數(shù)律風(fēng)剖面模擬平均風(fēng)速，采用沿高度變化的Kaimal風(fēng)速譜[12-14]模擬輸電塔結(jié)構(gòu)的脈動風(fēng)速．

1.3 風(fēng)沙荷載計算

沙塵暴往往是伴隨風(fēng)荷載共同作用的．研究沙塵顆粒荷載對輸電塔結(jié)構(gòu)的影響，實際上是研究風(fēng)荷載與沙粒荷載疊加后的荷載對輸電鐵塔的影響[11-12]．因此，本文將沙塵顆粒荷載計算模型與風(fēng)荷載模型相疊加，則風(fēng)沙荷載計算模型為

F=Fw+Fs

(11)

式中，F(xiàn)為單位體積內(nèi)風(fēng)沙荷載；Fw為單位體積內(nèi)風(fēng)荷載；Fs為單位體積內(nèi)沙塵顆粒荷載．

塔身風(fēng)荷載計算公式為

(12)

式中，μs為輸電塔結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)；Vs(t)為風(fēng)速．

由式(10)和(12)可得

(13)

2 數(shù)值模擬

2.1 算例

本文以某一雙回路500 kV輸變電工程中的ZSZH型塔[15](鐵塔呼高54 m)為研究對象，并采用SAP2000有限元軟件進行建模和數(shù)值分析．鐵塔有限元模型如圖1所示．ZSZH型輸電角鋼塔為雙回路羊角直線塔，塔全高為84.3 m，正面半根開為8.625 m，最大主材規(guī)格為2×L200 mm×16 mm，全塔由Q345和Q235兩種材質(zhì)組成．ZSZH型塔的上橫擔(dān)長12.34 m，中橫擔(dān)長14.13 m，下橫擔(dān)長12.13 m．

圖1 輸電塔有限元模型

2.2 風(fēng)荷載模擬

為了方便計算，ZSZH型塔風(fēng)荷載模擬點簡化為21個點，具體模擬點位置高度與數(shù)值詳見圖2和表2．

圖2 模型風(fēng)模擬代表點高度(單位：m)

表2 風(fēng)荷載模擬點高度

2.3 風(fēng)沙荷載模擬

由式(13)可知，沙粒荷載計算方法與風(fēng)荷載相一致，均與風(fēng)速相關(guān)，且隨高度變化而變化．由于輸電塔為高聳結(jié)構(gòu)，考慮到工程計算的安全性與誤差要求，在實際應(yīng)用中僅考慮沙粒的順風(fēng)向荷載，且vs取順風(fēng)向平均風(fēng)速．基于式(13)，寬度設(shè)置為0.1，可得單位長度構(gòu)件風(fēng)沙荷載的順風(fēng)向時程曲線．

圖5為僅考慮風(fēng)荷載作用時輸電塔模擬點14(高度63.0 m，強沙塵暴等級)的風(fēng)荷載時程曲線．圖6為考慮風(fēng)沙荷載作用時輸電塔模擬點14的風(fēng)沙荷載時程曲線．

圖3 模擬點10的脈動風(fēng)速時程曲線

圖4 模擬點10的脈動模擬功率譜與目標(biāo)功率譜比較

圖5 模擬點14的風(fēng)荷載時程曲線

圖6 模擬點14的風(fēng)沙荷載時程曲線

2.4 結(jié)果分析

基于風(fēng)速脈動時程與風(fēng)沙荷載時程理論，利用有限元動力分析方法和SAP2000軟件對輸電塔分別進行了風(fēng)荷載與風(fēng)沙荷載的單塔激勵動力響應(yīng)分析．按照6種不同等級的風(fēng)沙荷載，分別模擬了不同風(fēng)速下的風(fēng)荷載與風(fēng)沙荷載．通過對不同等級風(fēng)載單獨激勵與風(fēng)沙荷載共同激勵下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)分析與對比，求解出輸電塔結(jié)構(gòu)在不同沙塵暴荷載等級下風(fēng)荷載與風(fēng)沙荷載對輸電塔塔頂順風(fēng)向最大位移的影響，結(jié)果見表3．

表3 不同荷載作用下塔頂順風(fēng)向最大位移

由表3可知，考慮風(fēng)沙激勵時，在6種不同等級的沙塵暴情況下，ZSZH型塔的塔頂順風(fēng)向位移和動力響應(yīng)均隨風(fēng)沙荷載等級的增大而增大．當(dāng)風(fēng)速為3 m/s時，風(fēng)荷載單獨作用下的塔頂最大順風(fēng)向位移為3.26 mm，而風(fēng)沙荷載(浮塵)作用下的塔頂最大順風(fēng)向位移為3.31 mm，增加了1.56%．當(dāng)風(fēng)速為25 m/s時，風(fēng)荷載單獨作用下的輸電塔塔頂最大順風(fēng)向位移為232.20 mm，而風(fēng)沙荷載(特強沙塵暴)作用下的塔頂最大順風(fēng)向位移為317.82 mm，增加了26.94%，遠高于之前的增長幅度．由此可知，隨著風(fēng)沙荷載等級的增大，輸電塔塔頂位移增加幅度也逐漸加大．因此，多風(fēng)沙災(zāi)害地區(qū)的輸電塔結(jié)構(gòu)應(yīng)特別考慮風(fēng)沙荷載的效應(yīng)，且風(fēng)沙災(zāi)害應(yīng)該得到更廣泛的關(guān)注和進一步研究．特別是發(fā)生極端風(fēng)沙災(zāi)害時，輸電塔很可能發(fā)生非常嚴(yán)重的破壞，進而導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失．

3 結(jié)論

1) 本文基于動量守恒定律和風(fēng)壓計算公式，參考我國沙塵顆粒濃度參數(shù)，建立了風(fēng)沙荷載力學(xué)計算模型，提出了可應(yīng)用于輸電桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)值模擬方法．

2) 通過對比單獨風(fēng)荷載與風(fēng)沙荷載作用下桿塔結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特點發(fā)現(xiàn)，考慮風(fēng)沙荷載激勵的影響后，輸電鐵塔的動力響應(yīng)和塔頂位移均隨著風(fēng)沙等級的增大而增大．

3) 雖然風(fēng)荷載是輸電塔結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計荷載，但是沙塵顆粒對輸電塔的動力響應(yīng)也具有明顯的破壞效益，并隨著沙塵暴等級的增大而逐漸增大．因此，在多風(fēng)沙災(zāi)害的地區(qū)，風(fēng)沙荷載對輸電線路的危害應(yīng)得到更多關(guān)注．

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