塔線耦合作用對輸電塔線風(fēng)致響應(yīng)的研究

何鈺祥

(湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430000)

1 引言

由于輸電鐵塔具有橫向結(jié)構(gòu)的特征，因此當(dāng)其受到風(fēng)荷載的作用時(shí)，其風(fēng)致響應(yīng)較為復(fù)雜[1-2]。同時(shí)，導(dǎo)線與輸電鐵塔間也存在著耦合作用，該耦合作用也會(huì)影響輸電鐵塔的風(fēng)致響應(yīng)[3]，因此，研究塔線耦合作用對輸電塔線風(fēng)致響應(yīng)的影響具有重要意義。

截至目前，國內(nèi)外相關(guān)研究較少涉及到塔線耦合作用對塔線風(fēng)致響應(yīng)的研究，尚無文獻(xiàn)系統(tǒng)地分析最不利風(fēng)向的影響因素[4]。為此，本文重點(diǎn)針對最不利風(fēng)向，研究了塔線耦合作用對輸電塔線風(fēng)致響應(yīng)的影響。

2 風(fēng)致響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方式

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算算法也隨之不斷優(yōu)化，數(shù)值計(jì)算方法逐漸在工程領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[5]。數(shù)值計(jì)算方法的作用是對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證與補(bǔ)充，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，可以達(dá)到對工程問題研究的目的[6]。目前研究輸電塔線風(fēng)致響應(yīng)的數(shù)值模擬方法通常為有限元分析法(FEM)，其原理是將復(fù)雜問題進(jìn)行離散，用簡單問題替代復(fù)雜問題，再進(jìn)行求解[7]。在分析輸電塔線的風(fēng)致響應(yīng)時(shí)，首先需要在ANSYS仿真軟件中建立模型，再通過有限元法進(jìn)行計(jì)算分析。

3 塔線耦合作用的影響

首先對無導(dǎo)線的鐵塔在不同風(fēng)向角(θ=0°,45°,60°,90°)下，各高度的主材軸力進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。圖中軸力的正負(fù)分別表示拉力與壓力。

圖1 各風(fēng)向角下的主材軸力

觀察圖1可得，當(dāng)風(fēng)向角發(fā)生變化時(shí)，各高度的主材承受的軸力性質(zhì)也隨之改變。當(dāng)風(fēng)向角θ在0°和45°之間時(shí)，2、3號主材均承受軸向壓力，為背風(fēng)側(cè)，1、4號主材均承受軸向拉力，為迎風(fēng)側(cè)。當(dāng)θ在45°和90°之間時(shí)，2號主材承受軸向拉力，為迎風(fēng)側(cè)，4號主材承受軸向壓力，為背風(fēng)側(cè)。

當(dāng)風(fēng)向角改變時(shí)，不僅各高度主材承受的軸力性質(zhì)發(fā)生變化，軸力大小也隨之改變。為更直觀地表示軸力大小隨風(fēng)向角改變的變化規(guī)律，提出各風(fēng)向角下的最大主材軸力值如圖2所示。

圖2 不同風(fēng)向角下的主材最大軸力

觀察圖2可得，背風(fēng)側(cè)的主材軸力整體要大于迎風(fēng)側(cè)的主材軸力，因此背風(fēng)側(cè)3號主材的最大軸力為研究重點(diǎn)。圖2中，當(dāng)風(fēng)向角在0°～45°之間時(shí)，隨著風(fēng)向角的增大，3號主材的軸力呈現(xiàn)增大趨勢。而當(dāng)風(fēng)向角在45°～90°之間時(shí)，隨著風(fēng)向角的增加，3號主材的軸力呈現(xiàn)減小趨勢，在風(fēng)向角45°時(shí)，主材軸力達(dá)到最大值。

觀察圖5可知，各高度主材的最大軸力均處于背風(fēng)側(cè)的3號主材，因此分別對無導(dǎo)線的塔線及檔距300m的塔線在不同風(fēng)向角下的3號主材最大軸力進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖所示。

觀察圖3(a)和(b)可得，塔線體系的最大主材軸力與無導(dǎo)線輸電鐵塔呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，但是各風(fēng)向角的主材軸力最大值發(fā)生了變化，如無導(dǎo)線輸電鐵塔的最不利風(fēng)向角為45°，而塔線體系的最不利風(fēng)向角為30°，且此時(shí)15°的主材軸力大于45°的主材軸力。由此可得，塔線耦合作用會(huì)對輸電塔線體系的風(fēng)致響應(yīng)產(chǎn)生影響，使主材軸力的最不利風(fēng)向角發(fā)生了變化。

圖3 不同風(fēng)向下的最大主材軸力

4 結(jié)論

輸電線路常常暴露在大自然中，因此非常容易收到周圍環(huán)境的影響。當(dāng)輸電線路遇到大風(fēng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較為明顯的風(fēng)致響應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)甚至造成鐵塔構(gòu)件發(fā)生斷裂，因此風(fēng)致響應(yīng)成為輸電線路發(fā)生重大事故的關(guān)鍵原因。同時(shí)，導(dǎo)線與鐵塔具有一定的耦合作用，該耦合作用也會(huì)輸電塔線的風(fēng)致響應(yīng)具有一定的影響。為此，本文針對輸電塔線的風(fēng)致響應(yīng)，重點(diǎn)研究了塔線耦合作用對最不利風(fēng)向的影響規(guī)律，所得結(jié)論對后續(xù)輸電塔線風(fēng)致響應(yīng)的研究具有重要意義。