福建沿海輸電桿塔臺(tái)風(fēng)作用分析研究

池金明

(中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

由于臺(tái)風(fēng)瞬時(shí)性與多變性，其受力性能與設(shè)計(jì)方法也必然不同于普通常規(guī)大風(fēng)工況，輸電桿塔抗臺(tái)風(fēng)，其受力性能與設(shè)計(jì)理論方面的研究非常有限，國(guó)內(nèi)架空線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大都集中于常規(guī)風(fēng)載作用方面，對(duì)臺(tái)風(fēng)受力研究則相對(duì)較少。

為進(jìn)一步完善沿海輸電線(xiàn)路工程防臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)，本文擬以廈門(mén)“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)期間倒塔嚴(yán)重的220kV線(xiàn)工程(起自李林220kV變電站，止于廈門(mén)西220kV變電站)中一種典型220kV單回路直線(xiàn)塔ZM2為研究對(duì)象，建立有限元計(jì)算模型，研究結(jié)構(gòu)的振型特征，分析不同時(shí)距臺(tái)風(fēng)工況對(duì)桿塔結(jié)構(gòu)的影響。

1 研究對(duì)象概況

2016年9月15日凌晨2點(diǎn)左右，1614號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”正式登陸廈門(mén)，資料顯示該臺(tái)風(fēng)為建國(guó)以來(lái)登陸閩南的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，中心附近最大風(fēng)力17級(jí)。五緣灣大橋?qū)崪y(cè)陣風(fēng)達(dá)64.2m/s，平均風(fēng)49.6m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出廈門(mén)氣象站歷年最大風(fēng)速系列所計(jì)算出的100年一遇風(fēng)速值，也超出《建筑荷載規(guī)范》[1]中風(fēng)壓換算得到的100年一遇風(fēng)速值。

“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)重創(chuàng)廈門(mén)電網(wǎng)，廈門(mén)地區(qū)500kV及220kV架空輸電線(xiàn)路桿塔倒塔事故現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示，塔頭或地線(xiàn)架破壞事故現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。表1為廈門(mén)220kV李西線(xiàn)架空輸電線(xiàn)路受損統(tǒng)計(jì)表。

該ZM2貓頭塔朝垂直線(xiàn)路方向倒塔，塔腿以上第3個(gè)節(jié)間主材彎曲失穩(wěn)，交叉斜材扭曲、輔助材脫落，該節(jié)間以上至瓶口位置塔身主材、斜材嚴(yán)重失穩(wěn)、扭曲，李西線(xiàn)3基直線(xiàn)塔貓頭曲臂位置主材失穩(wěn)破壞，其余9基塔發(fā)生鐵塔整體破壞，臺(tái)風(fēng)事故塔型均為扁型懸垂型桿塔。

表1 廈門(mén)220kV架空輸電線(xiàn)路受損統(tǒng)計(jì)表

圖1 ZM2倒塔事故現(xiàn)場(chǎng)照片圖

圖2 塔頭破壞事故現(xiàn)場(chǎng)照片圖

2 振型分析

采用Midas結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)桿塔ZM2(呼高33m，全高40m，塔腿主材規(guī)格Q345L125×10)進(jìn)行數(shù)值建模和動(dòng)力特性分析。桿塔前六階的自振周期如表2所示。有限元模型如圖3所示，桿塔單線(xiàn)圖如圖4所示，各階振型如圖5所示。

一階振型 二階振型 三階振型 四階振型 五階振型 六階振型圖5 一～六階陣型圖

表2 桿塔ZM2自振周期及振型表

圖3 有限元模型 圖4 單線(xiàn)圖

通過(guò)圖5一～六階陣型可以看出：

該工程ZM2整體前三振型分別為Y向的彎曲、X向的彎曲和繞Z向的扭轉(zhuǎn)，與多數(shù)輸電鐵塔的計(jì)算結(jié)果相類(lèi)似。其中Y向一階與X向一階的振型頻率偏差較大，相差27%，說(shuō)明該桿塔結(jié)構(gòu)的Y向及X向剛度存在一定偏差。

該工程ZM2塔身采用扁塔設(shè)計(jì)，導(dǎo)致其順線(xiàn)方向剛度小于垂直線(xiàn)路方向剛度。我國(guó)早期懸垂型桿塔身多數(shù)采用扁塔設(shè)計(jì)，該方案偏向理想化，認(rèn)為桿塔最不利風(fēng)向角為90°，而0°和其他斜向風(fēng)對(duì)桿塔影響相對(duì)較小。通常情況下，這種扁塔設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足工程安全可靠要求，然而在極端臺(tái)風(fēng)工況作用下，扁塔設(shè)計(jì)導(dǎo)致抗風(fēng)能力偏弱，過(guò)載能力相對(duì)較低。

3 桿塔應(yīng)力分析

該工程ZM2貓頭塔原設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為33m/s，臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”登陸廈門(mén)時(shí)風(fēng)力強(qiáng)度為15級(jí)(50m/s)，陣風(fēng)最大達(dá)到17級(jí)(70m/s)。距220kV李西線(xiàn)倒塔最近杏林氣象站測(cè)得極大風(fēng)速(3s平均風(fēng)速最大值)為46.8m/s、 10min平均風(fēng)速24.3m/s。因此分別以10min平均風(fēng)速、3s平均風(fēng)速最大值進(jìn)行校驗(yàn)。

(1)選取24.3m/s(離地10m高，10min平均風(fēng)速)作為倒塔事故點(diǎn)平均風(fēng)速。驗(yàn)算采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《架空輸電線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5154-2012)[2]。

圖6-a為24.3m/s(10min平均風(fēng)速)大風(fēng)工況桿件應(yīng)力分布情況。驗(yàn)算結(jié)果表明：在離地10m高，10min平均風(fēng)速24.3m/s作用下，ZM2貓頭塔全塔構(gòu)件應(yīng)力均沒(méi)有超限，且臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”10min平均風(fēng)速小于本線(xiàn)路設(shè)計(jì)風(fēng)速，故桿塔可安全運(yùn)行，這與實(shí)際倒塔情況相違背。

(2)選取46.8m/s(離地10m高，3s時(shí)距風(fēng)速)作為倒塔事故點(diǎn)平均風(fēng)速。為了體現(xiàn)臺(tái)風(fēng)陣風(fēng)的影響，此處計(jì)算采用美國(guó)規(guī)范《ASCE 74-2009》[3]、《ASCE 10-97》[4]進(jìn)行計(jì)算分析。

圖6-b為46.8m/s(3s平均風(fēng)速)大風(fēng)工況桿件應(yīng)力圖，驗(yàn)算結(jié)果表明：在46.8 m/s(3s平均風(fēng)速)作用下，應(yīng)力超限構(gòu)件主要分布在桿塔頭部以及塔身變坡下段主材。應(yīng)力圖放映了在臺(tái)風(fēng)作用桿塔容易發(fā)生兩種破壞形態(tài)：一是塔頭局部破壞；二是身部多段應(yīng)力超限導(dǎo)致整體屈曲倒塔。

(a)10min平均風(fēng)速 (b)3s平均風(fēng)速圖6 不同時(shí)距臺(tái)風(fēng)工況桿件應(yīng)力圖

其中身部第④主材應(yīng)力比達(dá)到114%，為桿塔最薄弱環(huán)節(jié)，在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下，最先發(fā)生屈服破壞，進(jìn)而引發(fā)其他相連構(gòu)件連續(xù)屈服；由于塔身第⑥段主材裕度大，且其上端設(shè)有隔面，局部剛度較大，連續(xù)破壞止于第⑥段主材上端。該結(jié)論與實(shí)際倒塔情況一致。

(3)臺(tái)風(fēng)在空間各點(diǎn)產(chǎn)生的風(fēng)力強(qiáng)度、矢量方向不盡相同，具有顯著的陣風(fēng)效應(yīng)。同時(shí)，桿塔使用條件及檔內(nèi)地形地貌也存在差異。我國(guó)目前的設(shè)計(jì)體系以10min平均風(fēng)速為基本的輸入?yún)?shù)，雖通過(guò)陣風(fēng)系數(shù)修正，仍無(wú)法模擬臺(tái)風(fēng)的多變性、瞬時(shí)性。

4 桿塔防風(fēng)改造

對(duì)于福建沿海已建輸電線(xiàn)路，尤其是沿海至第一重山嶺間不滿(mǎn)足抗臺(tái)風(fēng)要求設(shè)計(jì)的直線(xiàn)桿塔，可通過(guò)加固角鋼拼接在原主材角鋼外側(cè)形成十字形組合角鋼構(gòu)件，如圖7所示，這種外拼接加固防風(fēng)改造方法在不停電和無(wú)需卸負(fù)荷的前提下，增加鐵塔強(qiáng)度，抗風(fēng)改造方便、降低施工難度、減少投資、縮短工程建設(shè)周期。

根據(jù)主材段規(guī)格選定同規(guī)格外拼接角鋼。所選定被加固主材的雙肢新增螺栓開(kāi)孔與所述外拼接角鋼的雙肢開(kāi)孔尺寸及位置均相互對(duì)齊、新增螺栓開(kāi)孔應(yīng)和選定的主材段螺栓、橫撐角鋼連接接頭相互錯(cuò)開(kāi)。把所述外拼接角鋼通過(guò)中間填板拼接在所選定的已建鐵塔主材的兩肢上，并利用緊固螺栓固定安裝，形成雙軸對(duì)稱(chēng)十字形截面組合構(gòu)件形式，如圖8所示。

圖8 輸電線(xiàn)路鐵塔外拼接角鋼加固組裝圖

ZM2外拼接角鋼加固后桿塔抗風(fēng)能力計(jì)算分析。選取倒塔事故點(diǎn)平均風(fēng)速46.8 m/s(離地10m高，3s時(shí)距風(fēng)速)。圖9 為ZM2外拼接角鋼加固后應(yīng)力圖，圖中全塔主材滿(mǎn)應(yīng)力均在70%以下，部分塔身超限構(gòu)件可直接通過(guò)更換補(bǔ)強(qiáng)使其滿(mǎn)足抗風(fēng)要求。圖10為李西線(xiàn)桿塔外拼接角鋼加固改造現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖9 ZM2外拼接角鋼加固后應(yīng)力圖

圖10 李西線(xiàn)桿塔外拼接角鋼加固現(xiàn)場(chǎng)圖

5 結(jié)論

(1)扁塔XY向剛度分布不均，抗風(fēng)能力偏弱，過(guò)載能力相對(duì)較低，容易發(fā)生屈曲破壞，沿海抗風(fēng)設(shè)計(jì)不可采用扁塔形式。

(2)我國(guó)設(shè)計(jì)體系以10min平均風(fēng)速為基本的輸入?yún)?shù)，不適用于桿塔防臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)。

(3)福建沿海桿塔抗臺(tái)風(fēng)能力校驗(yàn)推薦采用3s瞬時(shí)風(fēng)體系進(jìn)行防風(fēng)設(shè)計(jì)校驗(yàn)。

(4)對(duì)于福建沿海已建輸電線(xiàn)路，尤其是沿海至第一重山嶺間不滿(mǎn)足抗臺(tái)風(fēng)要求設(shè)計(jì)的直線(xiàn)桿塔，可通過(guò)加固角鋼拼接在原主材角鋼外側(cè)形成十字形組合角鋼構(gòu)件，以提高鐵塔抗風(fēng)強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1] GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

[2] DL/T 5154-2012架空輸電線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2012.

[3] ASCE74-2009 Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading (Third Edition)[S]．2009.

[4] ASCE 10-97 Design of Latticed Steel Transmission Structures[S]．1997.