輸電塔-線體系地震響應(yīng)分析方法研究進展

董利虎，宋丹青

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京100084)

1 研究背景

我國能源資源與負(fù)荷中心呈明顯不均衡分布，大量的煤炭、水能資源分布在西北、西南地區(qū)，但電能需求相對集中地分布在東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)[1]，為此我國提出了“西電東送”的電力發(fā)展戰(zhàn)略。輸電塔-線是輸送電能的載體，是連接大型能源基地和用電地區(qū)的重要紐帶?！笆奈濉逼陂g，多條輸電線路工程將相繼核準(zhǔn)、開工和建設(shè)[2]。

隨著特高壓輸電線路工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，輸電線路的檔距及輸電桿塔高度朝著更大、更高的方向發(fā)展，這意味著輸電線路不可避免地要跨越地震頻發(fā)區(qū)，地震將會對輸電塔-線體系與電網(wǎng)的安全可靠運行造成更嚴(yán)重、更廣泛的破壞[3]，給人民生活帶來諸多不利影響。在國內(nèi)外，地震造成輸電塔線倒塌、傾斜等情況時有發(fā)生。1976年我國河北唐山大地震[4]造成輸電鐵塔地基下陷、傾斜或倒地，一些絕緣子完全爆裂。1994年美國Northridge地震[5]主要造成高壓輸電線路中的輸電設(shè)備損壞，少數(shù)輸電塔遭到破壞。1995年日本阪神地震[6]造成20座輸電塔傾斜破壞，架空輸電線路中有11座輸電塔傾倒。1999年我國臺灣省南投縣集集鎮(zhèn)發(fā)生大地震[7]，使變電站、發(fā)電廠、輸電塔線等多處受到嚴(yán)重破壞，其中最顯著的是高壓輸電塔線受到破壞。2008年汶川地震[8]的震級達到8.0級，對災(zāi)區(qū)的輸電線路造成了嚴(yán)重破壞，致使電力供電系統(tǒng)癱瘓，500 kV及以下的高壓設(shè)備破壞嚴(yán)重，20多座輸電塔倒塌，多條輸電線路因滑坡或地形變化受損。2013年廬山地震[9]的震中烈度達到9度，造成多條輸電線路受損嚴(yán)重或停運。2014年云南魯?shù)榈卣餥10]造成變電站設(shè)施破壞、多條輸電線路處于停運或嚴(yán)重受損狀態(tài)。

表1給出了國內(nèi)外地震中部分輸電塔-線體系受損的狀況。由表1可知，地震中輸電塔線耦聯(lián)體系的易損性較高。因此，為保證電力系統(tǒng)安全、高效、可靠運行，輸電塔-線體系地震響應(yīng)分析研究是十分必要和有意義的課題。

表1 部分國內(nèi)外地震中輸電塔-線體系受損狀況統(tǒng)計[11]

目前，地震作用下輸電塔-線體系地震響應(yīng)特征的研究已經(jīng)取得了較多的研究成果，本文針對地震作用下輸電塔-線體系地震響應(yīng)特征的研究方法進行了總結(jié)，并對最新的研究進展及發(fā)展趨勢進行了分析，為地震作用下輸電塔-線體系地震響應(yīng)特征研究提供研究思路。

2 輸電塔-線體系動力分析模型研究

輸電塔-線體系是由輸電導(dǎo)線連接各個輸電塔組成的復(fù)雜空間耦聯(lián)體系，具有塔體高、跨度大、柔性強等特點，在強震作用下存在明顯的隨機性與強非線性，因而對這種復(fù)雜的空間耦聯(lián)體系進行地震響應(yīng)分析十分困難，需要對其進行模型簡化研究，國內(nèi)外學(xué)者在這方面已取得豐碩的研究成果[12]。

Irvine[13]建立塔-索體系模型，分析了纜索模型結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特性。Ozono等[14]根據(jù)試驗中塔線體系地震響應(yīng)的差別提出了兩種動力分析簡化模型，高頻段簡化為塔-線耦聯(lián)擺動分析模型，而在低頻段簡化為塔-線多質(zhì)點分析模型。Tian等[15]將塔架簡化為梁單元，輸電線路簡化為索單元，同時考慮地震波的非相干性與波的傳播效應(yīng)，研究邊界條件、地震動空間變化及入射角等因素對地震波傳播的影響。徐震等[16]將導(dǎo)(地)線簡化為節(jié)點質(zhì)量，并將其添加到導(dǎo)(地)線與輸電塔連接的部位，通過對結(jié)構(gòu)的倒塌分析確定輸電塔的薄弱環(huán)節(jié)和倒塌機理，檢測該種簡化模型在輸電塔倒塌分析中的可行性。李宏男等[17]提出了將導(dǎo)線簡化為質(zhì)點、輸電塔簡化為多自由度體系的多質(zhì)點模型，給出了考慮導(dǎo)線振動影響的塔線體系縱向振動簡化計算方法，并將縱、側(cè)向地震作用下的輸電導(dǎo)線振動分別簡化為懸鏈與垂鏈模型，提出了輸電塔線體系抗震計算的反映譜法。梁樞果等[18]將導(dǎo)線簡化成多剛性連桿，在國內(nèi)外學(xué)者對塔-線體系動力計算模型研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)塔線結(jié)構(gòu)的動力特性給出用于地震和風(fēng)振的多自由度分析計算模型。

綜上所述，現(xiàn)有的動力分析模型研究多是將輸電塔線體系簡化為串聯(lián)多質(zhì)點等效梁模型和桿梁混合單元模型，忽略了輸電塔-線體系為復(fù)雜空間耦聯(lián)結(jié)構(gòu)這一特性，無法體現(xiàn)導(dǎo)地線的空間幾何位置，沒有考慮各類負(fù)載的三維空間耦合作用，而且考慮到大跨越輸電塔-線耦聯(lián)體系具有塔身高、跨度大的特點，在進行地震響應(yīng)分析時，有必要采用數(shù)值計算方法進行精細(xì)化的三維動力分析。

3 輸電塔-線體系地震響應(yīng)研究方法

3.1 輸電塔-線體系地震響應(yīng)數(shù)值模擬研究

地震作用下，輸電塔-線體系的地震響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的空間耦合性與位移非線性變化。國內(nèi)外學(xué)者通過建立串聯(lián)多質(zhì)點模型等各種動力分析模型，借助有限元軟件對地震作用下單塔和塔線耦聯(lián)體系線性與非線性動力響應(yīng)特性進行分析。以下針對輸電塔-線體系地震響應(yīng)數(shù)值模擬研究進行了總結(jié)。

Ghobarah等[19]采用空間桁架模型，分析了多點地震動輸入對輸電線路地震響應(yīng)的影響。田利等[20]、袁光英等[21]、劉俊才等[22]、Pan等[23]采用模擬生成的地震波，對位于谷底和峰頂?shù)妮旊娝€耦聯(lián)體系模型進行研究，分析地形變化對塔-線體系的地震反應(yīng)特性的影響；基于不同失效判別準(zhǔn)則，通過對多維地震動激勵下結(jié)構(gòu)倒塌機理研究進而判斷失效桿件的位置與類型；采用已有的判別方法，開展了遠(yuǎn)場地震作用下塔-線體系最不利輸入方向的研究。蓋霞等[24]以塔頂峰值加速度、位移等作為評價指標(biāo)，分析不同地震強度下，地震動持時效應(yīng)對輸電塔-線體系的結(jié)構(gòu)彈性和塑性響應(yīng)的影響。孫建梅等[25]采用B-R準(zhǔn)則并結(jié)合動態(tài)增量法，得到了多點與一致輸入條件下臨界失穩(wěn)荷載系數(shù)、臨界失穩(wěn)節(jié)點位移、臨界失穩(wěn)桿件軸力等響應(yīng)參數(shù)，指出地震作用下輸電塔的塔頭、橫擔(dān)等位置為結(jié)構(gòu)的薄弱位置。易思銀[26]、Tian等[27]對近斷層地震作用下大跨越輸電塔-線體系地震響應(yīng)特征進行研究，給出生成近斷層多維地震動的方法，提出近斷層多維地震動最不利輸入方向的判別方法。潘海洋[28]建立概率地震需求模型，開展了近斷層地震動激勵下塔-線體系的易損性研究，采用節(jié)間損傷指數(shù)定量評估節(jié)間的損傷程度。徐靜等[29]對不同場地條件下的塔線體系，開展考慮樁-土-結(jié)構(gòu)動力相互作用的輸電塔線體系簡化計算模型與動力響應(yīng)分析研究，得出相互作用效應(yīng)能夠增加塔體位移與構(gòu)件應(yīng)力。田利等[30]通過與考慮剛性地基的塔-線體系對比，得出了考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用的輸電塔的薄弱位置。黃增浩等[31]研究了呼稱高度對特高壓輸電塔多維地震動特征的影響，得出適當(dāng)降低呼稱高度或增加耐張塔數(shù)量均可提高輸電塔線的抗震能力。

綜上所述，現(xiàn)有文獻主要考慮行波效應(yīng)、局部場效應(yīng)、部分相干效應(yīng)以及地震動入射角度等因素對輸電塔-線耦聯(lián)體系的地震響應(yīng)進行研究，而考慮SSI(soil-structure interaction)效應(yīng)和跨越斷層地震動作用下輸電塔-線體系動力響應(yīng)數(shù)值模擬研究及輸電塔-線體系彈塑性分析的研究相對較少。

3.2 輸電塔-線體系振動臺模型試驗研究

地震模擬振動臺試驗是通過在振動臺上加載各種形式的地震波來較真實地模擬地面運動及其對輸電塔-線體系的影響作用，因此，振動臺模型試驗可以較好地分析地震動作用下輸電塔-線體系的破壞機理與破壞模式，也可較好地評價塔-線耦聯(lián)體系結(jié)構(gòu)整體性抗震能力[32]。目前，地震模擬振動臺試驗已應(yīng)用于輸電塔-線體系地震響應(yīng)的研究分析，并取得了一定的研究成果。

Kotsubo等[33]考慮導(dǎo)地線及導(dǎo)地線對相鄰輸電塔的影響，對輸電塔進行了振動臺模擬試驗，得到了地震作用下塔-線耦聯(lián)體系的地震響應(yīng)特征。田利等[34]、Tian等[35-36]通過引入不同的導(dǎo)、地線的修正系數(shù)，研究了多維多點地震動激勵下振動臺模型非等比例問題；考慮近斷層地震動速度脈沖特征，引入不同入射角的位移響應(yīng)比，探討近斷層近場地震波在不同輸入角度下輸電塔-線體系的動力響應(yīng)，通過對塔線體系進行位移比分析，得出不同地震激勵下塔-線體系最不利入射角存在的差異；開展了空間變化的地震動對大跨越輸電塔-線體系動力響應(yīng)規(guī)律的影響研究，得出地震動的空間變化能夠顯著放大輸電塔的地震響應(yīng)。辛愛強[37]開展了近斷層與跨越斷層振動臺試驗，得出跨越斷層放大了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，揭示了多維斷層地震激勵下塔-線體系動力響應(yīng)規(guī)律及其倒塌破壞機理。劉文明等[38]以斜坡輸電塔為研究對象，開展斜坡-基礎(chǔ)-塔線體系地震響應(yīng)振動臺試驗研究，得出坡表具有明顯的放大效應(yīng)且加速度放大系數(shù)與振幅之間存在正相關(guān)關(guān)系。Wang等[39]基于4個比較模型，利用3個振動臺組成的臺陣對超高壓杯式輸電塔-線體系進行試驗，研究塔-線耦合作用的動態(tài)特性。李鋼等[40]、謝強等[41]、Liang等[42]對特高壓塔-線體系縮尺試驗?zāi)Ｐ瓦M行了振動臺試驗，提出了一種滿足動力特性與慣性力相似要求的模型設(shè)計中相似比的重新標(biāo)定方法，選取不同類型的地震動作為輸入，通過懸掛質(zhì)量塊等效導(dǎo)地線的方法，研究地震動過程中質(zhì)量效應(yīng)對塔體動力反應(yīng)的影響，利用鋼絞線模擬導(dǎo)地線，研究輸電線的非線性振動對輸電塔減震的效能。魏文輝等[43-44]對考慮地震動水平-搖擺耦合分量作用的輸電塔-線體系地震響應(yīng)特性進行振動臺試驗，研究表明地震動水平-搖擺耦合分量會造成塔體產(chǎn)生一定程度的非對稱位移響應(yīng)。

輸電塔-線體系振動臺模型試驗研究能夠較好地模擬結(jié)構(gòu)倒塌破壞機理，同時也可以驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，但是，鑒于輸電塔-線體系跨度大、塔身高的特點以及試驗設(shè)備尺寸有限、模型加工困難等因素，目前開展的輸電塔-線體系振動臺模型試驗研究較少，并且現(xiàn)階段的試驗研究多建立在單個振動臺試驗基礎(chǔ)上，利用多振動臺試驗研究多維多點地震作用下輸電塔-線體系的動力響應(yīng)分析將成為未來的研究趨勢。

4 結(jié)論與展望

本文主要從輸電塔-線體系動力分析模型、數(shù)值計算、振動臺模型試驗3個方面，對現(xiàn)有的研究成果進行了綜述和討論。數(shù)值計算和振動臺試驗是研究地震作用下輸電塔-線體系地震響應(yīng)特征的重要手段，但是，單一研究手段的可信度不如多手段研究方法高，其研究范圍也不如多手段范圍廣，這是由單一研究手段的局限性決定的。未來多種研究方法相結(jié)合的研究手段將成為一種發(fā)展趨勢，這將會在很大程度上避免某一種方法計算結(jié)果帶來的局限性，提高計算結(jié)果的可靠性及準(zhǔn)確性。針對地震作用下輸電塔-線體系的地震響應(yīng)特征仍需進一步深入研究，主要存在如下問題：

(1)目前許多學(xué)者對地震作用下高壓輸電塔-線體系的動力響應(yīng)特征進行了研究，但是已有的研究成果不夠深入，且針對特、超高壓輸電塔-線體系的地震響應(yīng)分析研究較少，亟需開展該類型塔-線體系的地震響應(yīng)特征及其連續(xù)性倒塌破壞機理研究。

(2)多次地震災(zāi)害表明，輸電塔-線體系在地震中的破壞以地基破壞為主，現(xiàn)有的動力力學(xué)模型研究多是基于剛性地基假設(shè)，忽略了地基與輸電塔線之間的相互作用對結(jié)構(gòu)的動力特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，因此剛性地基的假設(shè)嚴(yán)格意義上講是有誤差的，有必要對考慮地基在輸電塔線體系中的影響進行地震響應(yīng)特征的研究。

(3)雖然振動臺試驗是一種有效、可靠的研究方法，但是，由于輸電塔-線體系結(jié)構(gòu)和動力問題的復(fù)雜性，利用振動臺試驗對輸電塔-線體系地震響應(yīng)特征進行研究具有一定的局限性，例如振動臺試驗設(shè)備尺寸有限，急需利用多振動臺試驗開展多維多點地震作用下輸電塔-線體系動力響應(yīng)研究。

(4)由于輸電塔是由不同規(guī)格的構(gòu)件組成，構(gòu)件和整體截面都很小，桿件類型也較多，導(dǎo)致縮尺后規(guī)格種類繁多且模型制作材料上很難滿足要求，結(jié)構(gòu)的連接也存在一定的困難，使得振動臺試驗?zāi)Ｐ筒荒軡M足縮尺比例設(shè)計要求，因此需要對輸電塔-線體系中各構(gòu)件的縮尺比例因子進行研究。

(5)隨著輸電線路建設(shè)規(guī)模的擴大，由于客觀因素的存在，輸電塔往往無法避免建立在活動斷層附近區(qū)域，甚至是跨域活動斷層，目前，關(guān)于跨越活動斷層的輸電塔-線體系地震響應(yīng)分析研究較少。