新型單回路T接塔線體系的風(fēng)致靜力及動(dòng)力穩(wěn)定性研究

盛金馬, 姜克儒, 常 江, 黎 彬, 王陳杰, 陳 磊, 李 凱

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,安徽 合肥 230071; 2.安徽華電工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司,安徽 合肥 230022; 3.北京航空航天大學(xué)合肥創(chuàng)新研究院,安徽 合肥 230012; 4.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

因?yàn)檩旊娝€體系因風(fēng)載荷作用下經(jīng)常會(huì)發(fā)生側(cè)傾失穩(wěn)破壞[1-3],所以研究風(fēng)載荷作用下的輸電塔線體系的穩(wěn)定性非常必要[4-6]。對(duì)輸電塔線系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定分析可以精確給出臨界風(fēng)速和塔失效單元[7-9],但是進(jìn)一步對(duì)塔線體系進(jìn)行動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分析也非常必要[10-11],目前相關(guān)研究工作較少[12]。

本文以35 kV輸電線路中一種新型的接線塔——單回路T接塔作為研究對(duì)象,傳統(tǒng)的單回路T接塔采用雙回路耐張塔單邊掛線的方式實(shí)現(xiàn)T接,桿塔單側(cè)受力,導(dǎo)線由三角排列變垂直排列,空間上存在角度差,結(jié)構(gòu)受力不合理,在經(jīng)濟(jì)性上也比較差。新型的單回路T接塔在塔身四周設(shè)置橫擔(dān)實(shí)現(xiàn)T接,T接過程中導(dǎo)線始終保持三角排列,結(jié)構(gòu)受力較為合理[13]。

本文基于線性濾波法,選用沿高度變化的Kaimal譜模擬脈動(dòng)風(fēng)[14],編制MATLAB程序模擬風(fēng)荷載,利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA分析輸電塔在靜力風(fēng)荷載和脈動(dòng)風(fēng)荷載下的穩(wěn)定性,用B-R準(zhǔn)則判斷失穩(wěn)[15-16],為此新型單回路T接塔的輸電線路技術(shù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 模 型

1.1 有限元模型

本文以35 kV輸電線路中一種新型單回路T接塔作為研究對(duì)象。導(dǎo)線為L(zhǎng)GJ-240/30,地線為GJ-50,水平跨度L為300 m,絕緣子型號(hào)為XWP-70。

利用ANSYS中的APDL語言編寫程序建立一塔三線模型,考慮幾何非線性,采用理想彈塑性模型模擬鋼材的材料非線性。塔身和橫擔(dān)主材采用Q345角鋼,塔身斜材、橫膈和其他輔材選用Q235角鋼。

在靜力計(jì)算中鐵塔桿件采用可自定義截面形狀的BEAM188梁?jiǎn)卧?在動(dòng)力學(xué)計(jì)算中鐵塔桿件和絕緣子采用BEAM161單元,輸電線選用LINK160單元。塔線體系有限元模型的示意圖如圖1所示。

導(dǎo)線在自重作用下的拋物線型計(jì)算公式[17]為:

(1)

其中:H為跨中張力;q為導(dǎo)線線荷載;L為跨度。

圖1 一塔三線輸電塔線體系精細(xì)化有限元模型

1.2 風(fēng)荷載模型

在靜力風(fēng)下輸電塔體系穩(wěn)定性分析時(shí),利用逐漸增加載荷法分析非線性穩(wěn)定,考慮幾何和材料雙重非線性的影響,計(jì)算擬靜力荷載為:

F=βsμsμzAV2/1.6

(2)

其中:βs為風(fēng)振系數(shù);μs為風(fēng)載的體形系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);A為受力面積;V為風(fēng)速。

模擬脈動(dòng)風(fēng)時(shí),采用線性濾波法。利用沿高度變化的Kaimal譜,即

(3)

對(duì)于鐵塔類細(xì)長(zhǎng)建筑物,一般僅考慮豎向相關(guān)性,相關(guān)性取如下相關(guān)函數(shù):

ρij=exp(-|zi-zj|/60)

(4)

其中:ρij為脈動(dòng)風(fēng)壓相關(guān)函數(shù);zi、zj分別為i、j點(diǎn)高度。

互譜密度函數(shù)為:

(5)

其中,Sii(n)、Sjj(n)分別為自譜密度函數(shù)。

圖2 各個(gè)位置點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程曲線

1.3 角鋼構(gòu)件材料本構(gòu)

為精確模擬導(dǎo)線斷裂誘發(fā)塔失效行為,為電塔角鋼構(gòu)件選擇合適的材料本構(gòu)模型十分關(guān)鍵。本文采用線彈塑性本構(gòu)模型,角鋼材料常用的線彈塑性隨動(dòng)硬化材料模型如圖3所示,從圖3可以看出其應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。

圖3中:E、Et分別為彈性、塑性硬化模量;β為硬化參數(shù)控制材料的硬化方向,β=0、β=1分別為隨動(dòng)硬化、各向同性硬化,0<β<1為混合硬化,本文β取1。

圖3 線彈塑性隨動(dòng)硬化材料模型

2 靜力風(fēng)下電塔穩(wěn)定性分析

為得到風(fēng)載導(dǎo)致的傳輸電塔失效機(jī)理,首先進(jìn)行塔線體系的靜態(tài)穩(wěn)定分析,根據(jù)(2)式計(jì)算電塔各分段處的風(fēng)壓;然后加載到對(duì)應(yīng)有限元模型的分段上,進(jìn)行靜態(tài)穩(wěn)定分析。

為了清楚地顯示電塔經(jīng)過靜力計(jì)算后的變形情況,放大10倍后的靜力風(fēng)下塔線體系靜態(tài)失效模式如圖4所示。從圖4可以看出,靜風(fēng)作用下塔在下部位置出現(xiàn)破壞。

圖4 塔線體系靜態(tài)失效模式

電塔頂點(diǎn)(#556節(jié)點(diǎn))風(fēng)速-位移曲線如圖5所示。由圖5可知,在60 m/s擬靜風(fēng)作用下,曲線趨于水平,依據(jù)B-R準(zhǔn)則,結(jié)構(gòu)已達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)。為驗(yàn)證失穩(wěn),施加61 m/s風(fēng)速,發(fā)生較大位移,確認(rèn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

圖5 靜力風(fēng)下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)風(fēng)速-位移曲線

3 動(dòng)力風(fēng)下穩(wěn)定性分析

為分析動(dòng)力風(fēng)下塔線體系的失穩(wěn)行為,采用線性濾波法模擬動(dòng)力風(fēng)時(shí)程。根據(jù)脈動(dòng)風(fēng)計(jì)算結(jié)果在塔線體系上施加總風(fēng)壓,對(duì)電塔進(jìn)行動(dòng)力穩(wěn)定性分析。

動(dòng)力風(fēng)載作用下塔線體系失穩(wěn)模式的模擬過程如圖6所示,分別對(duì)應(yīng)0.3、0.8、1.3、1.7 s時(shí)的狀態(tài)。從圖6可以看出,塔的材料首先從底部發(fā)生塑性變形,然后向上擴(kuò)展,最終在塔的底部偏上的位置發(fā)生了破壞,這與靜風(fēng)作用下的失穩(wěn)破壞位置類似。結(jié)果表明,此塔需在底部位置進(jìn)行加強(qiáng),以提高抗風(fēng)能力。

圖6 塔線體系動(dòng)態(tài)失效模式

根據(jù)各風(fēng)速下的位移-時(shí)程結(jié)果可得到電塔結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的最大位移,例如塔線體系在風(fēng)速為30 m/s時(shí),電塔結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移-時(shí)程曲線如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移-時(shí)程曲線

由圖7可知，塔線體系在30 m/s的脈動(dòng)風(fēng)作用下塔頂?shù)淖畲笪灰茷?.27 m,依次類推可以獲得各種風(fēng)速下的最大位移,電塔結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)風(fēng)速-位移曲線如圖8所示。由圖8可知,結(jié)構(gòu)在38 m/s動(dòng)力風(fēng)作用下曲線已趨于水平,位移達(dá)到最大值0.42 m,接近60 m/s靜力風(fēng)速時(shí)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位移。并且,當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)施加39 m/s動(dòng)力風(fēng)進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí),頂點(diǎn)發(fā)生較大位移,電塔失去承載能力。比較靜力風(fēng)和動(dòng)力風(fēng)作用下的風(fēng)速-位移曲線(圖5、圖8)可知,電塔線體系穩(wěn)定性受脈動(dòng)風(fēng)影響較大,電塔設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。

圖8 動(dòng)力風(fēng)速-頂點(diǎn)位移曲線

4 結(jié) 論

本文以35 kV輸電線路中一種新型單回路T接塔作為研究對(duì)象,對(duì)風(fēng)載誘發(fā)的非線性靜力穩(wěn)定性及非線性動(dòng)力穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,依據(jù)B-R準(zhǔn)則判斷塔線體系的失效狀態(tài)。首先基于Kaimal譜建立了風(fēng)載荷模型,模擬風(fēng)譜和目標(biāo)風(fēng)譜具有很好的一致性；然后利用ANSYS/LS-DYNA軟件研究了不同風(fēng)載荷作用下塔的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,獲得了失效模式和最大位移-風(fēng)速曲線。研究結(jié)果表明,風(fēng)載荷對(duì)塔穩(wěn)定性具有重要影響,動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)總是比靜力學(xué)失穩(wěn)更加容易,因此在塔線體系設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮動(dòng)力學(xué)效應(yīng)特征。該研究結(jié)果對(duì)此新型單回路T接塔的設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。