110 kV彈弓型景觀輸電鐵塔風(fēng)振系數(shù)計(jì)算研究★

劉榮見，余文永，展 語

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650011;2.云南恒安電力工程有限公司，云南 昆明 650011;3.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650011)

0 引言

傳統(tǒng)輸電鐵塔造型單一，美觀性與環(huán)境協(xié)調(diào)性較差，對城鎮(zhèn)、風(fēng)景區(qū)等環(huán)境美觀會造成一定影響。隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，輸電線路結(jié)構(gòu)造型也在不斷改進(jìn)和發(fā)展。為使輸電塔能融入環(huán)境之中，逐漸提出了景觀輸電塔的概念。張子富等[1]提出現(xiàn)代架空輸電鐵塔設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在滿足安全與經(jīng)濟(jì)的要求之外，尚應(yīng)盡量減少鐵塔外觀造型對環(huán)境造成的不良影響。在輸電塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，風(fēng)荷載是主要考慮的外部荷載。Davenport[2]通過在不同地點(diǎn)、不同高度測出的強(qiáng)風(fēng)記錄進(jìn)行分析后，提出了脈動風(fēng)速功率譜的概念；鄧洪洲等[3]對塔身高聳和導(dǎo)地線大跨越距離的輸電塔在隨機(jī)風(fēng)荷載作用下的風(fēng)振響應(yīng)做了研究；樓文娟等[4]對沿海地區(qū)臺風(fēng)風(fēng)場下輸電塔的風(fēng)荷載取值進(jìn)行了研究。目前對景觀輸電塔的研究較少，本文對110 kV彈弓型景觀輸電塔使用SAP2000有限元軟件分析了該輸電塔的自振頻率、振型等動力特性及風(fēng)荷載時(shí)程作用下的動力響應(yīng)，結(jié)合理論公式計(jì)算了該結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)，并與《架空輸電線路荷載規(guī)范》[5]計(jì)算值進(jìn)行了比較。

1 風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法

1.1 現(xiàn)行規(guī)范風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法

風(fēng)振系數(shù)又稱風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)。根據(jù)《架空輸電線路荷載規(guī)范》規(guī)定，桿塔的風(fēng)振系數(shù)βz宜根據(jù)高度分段按下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

其中，g為峰值因子，取2.5；I10為10 m高度處湍流密度，對應(yīng)A，B，C和D類地面粗糙程度，可分別取0.12，0.14，0.23，0.39；Bzi為背景因子；R為脈動風(fēng)荷載的共振分量因子。

1.2 風(fēng)振系數(shù)理論計(jì)算方法

自然風(fēng)對結(jié)構(gòu)的荷載作用包括靜力風(fēng)荷載和動力風(fēng)荷載兩部分，在設(shè)計(jì)過程中一般使用風(fēng)振系數(shù)將不同高度處的動力風(fēng)荷載轉(zhuǎn)換成靜力荷載，再施加在節(jié)點(diǎn)上模擬動風(fēng)荷載。風(fēng)振系數(shù)的表達(dá)式為[6]：

(2)

某高度z處等效靜力荷載：

其中，μs(z),μz(z)分別為z高度處體型系數(shù)和風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓，此工況取0.3 kN/m2；A(z)為z高度處迎風(fēng)面積;mi為各質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量；wi為第i階振型的圓頻率；qi為第i階模態(tài)的廣義坐標(biāo)。

上述公式作為簡化計(jì)算方法，適用于質(zhì)量、外形及剛度在高度范圍內(nèi)規(guī)則變化的結(jié)構(gòu)。本110 kV高壓輸電塔跟傳統(tǒng)輸電鐵塔的質(zhì)量分布及結(jié)構(gòu)具有明顯差異，為保證結(jié)構(gòu)的安全性，使用有限元建模進(jìn)行時(shí)程分析，并根據(jù)分析結(jié)果計(jì)算風(fēng)振系數(shù)。

2 輸電塔風(fēng)振時(shí)程分析

2.1 彈弓輸電塔模型

110 kV彈弓型景觀輸電塔，塔身總高度41 m，采用Q345空心圓鋼管，塔桿底部到分叉處(0 m～25 m段)鋼管外徑為2.0 m，壁厚均為30 mm；25 m高度處分叉，與豎向夾角角度32°，分叉后截面為半圓形空心圓鋼管，直徑從分叉處到塔桿頂部由1.8 m減小到1 m，壁厚均為22 mm。在SAP2000建立的塔桿采用梁單元，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

2.2 風(fēng)速時(shí)程及風(fēng)速譜

本文依據(jù)AR理論模型[7-8]，運(yùn)用MATLAB仿真軟件模擬出10 m高度處脈動風(fēng)速時(shí)程曲線，如圖2所示。脈動風(fēng)主要參數(shù)：基本風(fēng)速為20 m/s，回歸階數(shù)為4，模擬時(shí)程為200 s。圖3為模擬譜-目標(biāo)譜擬合曲線，從圖中可看出模擬風(fēng)速的功率譜密度曲線與目標(biāo)風(fēng)速功率譜密度吻合度較高。

2.3 輸電塔動力特性

由SAP2000分析得到輸電塔的前3階振型如圖4所示，自振周期見表1。第1振型為x向平動，第2振型為y向平動，第3振型為繞z軸轉(zhuǎn)動。

表1 彈弓型輸電塔各振型頻率和周期

3 風(fēng)振系數(shù)計(jì)算與對比

基于彈弓型輸電塔的風(fēng)振時(shí)程分析結(jié)果，由式(1)及《架空輸電線路荷載規(guī)范》計(jì)算出各高度處的0°風(fēng)向角風(fēng)振系數(shù)，并與有限元的理論計(jì)算值對比了誤差，如表2所示。

表2 彈弓型輸電塔各高度風(fēng)振系數(shù)

從表2可看出，0 m～25 m高度范圍內(nèi)，風(fēng)振系數(shù)隨著高度的增加而增大；25 m在分叉處，由于質(zhì)量和剛度發(fā)生減小突變，導(dǎo)致該點(diǎn)處風(fēng)振系數(shù)發(fā)生較大的減小突變。輸電塔上端分叉部分隨著高度的不斷增加，其在風(fēng)荷載作用下的廣義位移繼續(xù)呈現(xiàn)隨高度增加而增大的趨勢，其風(fēng)振系數(shù)也繼續(xù)隨高度增加而增大。除了高度為5 m處理論計(jì)算風(fēng)振系數(shù)與規(guī)范計(jì)算結(jié)果較為接近外，其他高度處相差較大，相差范圍為29%～85%(見圖5)。

從圖5中可以看出，架空輸電線路荷載規(guī)范的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算值與理論計(jì)算值變化趨勢相同，自下而上逐漸增大；除5 m高度處風(fēng)振系數(shù)規(guī)范計(jì)算值和理論計(jì)算值相近外，其他高度處風(fēng)振系數(shù)規(guī)范計(jì)算值均小于理論計(jì)算值，故在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程用規(guī)范設(shè)計(jì)值不太安全；在25 m處，分叉后輸電塔的剛度和質(zhì)量突然減小，風(fēng)振系數(shù)在此處達(dá)到最大值，理論值和規(guī)范計(jì)算值在計(jì)算結(jié)果上均體現(xiàn)了這個(gè)特征[9]。

4 結(jié)語

該輸電塔結(jié)構(gòu)振型及動力響應(yīng)較為合理。由于輸電塔分叉后迎風(fēng)面積突然減小，質(zhì)量和剛度發(fā)生突變，使用規(guī)范進(jìn)行計(jì)算時(shí)不能充分考慮這一影響，導(dǎo)致按照規(guī)范計(jì)算所得風(fēng)振系數(shù)出現(xiàn)突變減小，并且理論計(jì)算值均遠(yuǎn)大于規(guī)范計(jì)算值，使用規(guī)范計(jì)算值所計(jì)算出的風(fēng)荷載偏小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于不安全。建議在設(shè)計(jì)中采用理論計(jì)算值而不采用規(guī)范計(jì)算值。