近場(chǎng)罕遇地震作用下干字型輸電塔減震控制研究

李 健

（廈門綠發(fā)投資有限公司，福建 廈門 361001）

輸電塔作為重要的電力輸送設(shè)備被廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)和生活中，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到電網(wǎng)安全與能源穩(wěn)定，地震、臺(tái)風(fēng)和滑坡等自然災(zāi)害會(huì)對(duì)輸電塔的安全運(yùn)行造成巨大影響，減震控制已成為目前輸電塔結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。輸電塔減震控制一般分為主動(dòng)控制、被動(dòng)控制和半主動(dòng)控制[1]：主動(dòng)控制是基于某種控制算法由輸入/輸出信息來確定控制力大小，并由驅(qū)動(dòng)器借助外界能源將控制力施加于結(jié)構(gòu)上以達(dá)到減震的目的[2]；被動(dòng)控制是采用隔震、吸能和阻尼耗能等措施來減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)[3]；半主動(dòng)控制的原理與結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制基本相同，只是作動(dòng)器需要利用結(jié)構(gòu)的往復(fù)相對(duì)變形或相對(duì)速度實(shí)現(xiàn)控制力輸出[4]。被動(dòng)控制是輸電塔減震控制的主要研究方向，目前結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制技術(shù)主要包括隔震技術(shù)、吸震技術(shù)和耗能技術(shù)等[5]。耗能技術(shù)主要通過各種阻尼器進(jìn)行結(jié)構(gòu)減震，主要包括摩擦阻尼器、形狀記憶合金（SMA）阻尼器和粘滯阻尼器等。陳波等[6]采用被動(dòng)摩擦阻尼器研究了輸電塔在強(qiáng)烈地震作用下的減震控制問題，結(jié)果表明，摩擦阻尼器是一種形式簡(jiǎn)單、具有較好耗能能力的控制裝置，可以有效地減小高壓輸電塔的地震反應(yīng)。Tian 等[7]提出了一種新型形狀記憶合金調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，結(jié)果表明其阻尼有利于減輕振動(dòng)響應(yīng)。Chen 等[8]開展了強(qiáng)震作用下設(shè)置摩擦阻尼器的輸電塔-線體系的減震和性能評(píng)估研究，表明在輸電塔-線體系中應(yīng)用摩擦阻尼器可以在最優(yōu)阻尼器參數(shù)下大幅抑制地震響應(yīng)。李闖[9]提出了一種新型自復(fù)位SMA 阻尼器，通過分析不同地震波作用下有控結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)，驗(yàn)證了阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)位移和位移角的控制效果。牛健[10]提出一種SMASMP 減震裝置，研究了該減震裝置在不同地震頻譜、幅值下的減震效果，結(jié)果表明該裝置對(duì)單自由度結(jié)構(gòu)具有良好的耗能能力，位移和加速度響應(yīng)顯著降低。張春蕊等[11]提出應(yīng)用SMA 阻尼器對(duì)輸電塔風(fēng)致振動(dòng)進(jìn)行控制，對(duì)不同方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)瞬態(tài)響應(yīng)仿真，提取各方案控制點(diǎn)位移和加速度時(shí)間歷程進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明SMA 阻尼器對(duì)輸電塔具有較好的風(fēng)振控制效果。

本文以干字型輸電塔為研究對(duì)象，選取與罕遇地震規(guī)范反應(yīng)譜在統(tǒng)計(jì)意義上相符的10 條近場(chǎng)地震波，分析安裝SMA 阻尼器后干字型輸電塔的塔頂位移、塔頂加速度、關(guān)鍵截面軸應(yīng)力和基底反力等動(dòng)力響應(yīng)，研究SMA 阻尼器的減震控制效果，以期為干字型輸電塔的減震控制研究提供借鑒。

1 輸電塔有限元模型及SMA 阻尼器

本文所研究的干字型輸電塔高度為28 m，其有限元模型如圖1 所示。桿材和主斜材用BEAM188 梁?jiǎn)卧M，輔助連接桿材用LINK8 桿單元模擬，有限元模型一共包含912 個(gè)節(jié)點(diǎn)和996 個(gè)單元。BEAM188 單元采用Q420 鋼材和Q345 鋼材，LINK8 桿單元采用Q235 鋼材，單元截面形狀均為L(zhǎng) 形。鋼材彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，采用典型的雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)關(guān)系。

形狀記憶合金（Shape Memory Alloys，SMA）是一種由2 種以上金屬元素構(gòu)成、能夠在溫度和應(yīng)力作用下發(fā)生相變的新型功能材料，通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)、相變偽彈性等特性。SMA 的原理本質(zhì)上源于合金內(nèi)部存在奧氏體（母相）和馬氏體2 種不同的晶體結(jié)構(gòu)，以及2 種不同類型的轉(zhuǎn)變：引起形狀記憶效應(yīng)的溫度誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變與導(dǎo)致超彈性的應(yīng)力誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變。低溫和高溫狀態(tài)下，形狀記憶合金晶體分別以馬氏體和奧氏體結(jié)構(gòu)存在，當(dāng)合金在低溫下發(fā)生馬氏體形變后，溫度升高導(dǎo)致馬氏體逐漸向奧氏體轉(zhuǎn)變，同時(shí)SMA 在低溫下的變形得以消除，材料恢復(fù)至形變前固有形狀。在隨后的冷卻過程中，SMA 內(nèi)部彈性能釋放恢復(fù)馬氏體，材料形狀會(huì)發(fā)生不同的變化，根據(jù)其后續(xù)低溫狀態(tài)的形變可將形狀記憶效應(yīng)劃分為單程、雙程和全方位形狀記憶效應(yīng)[12]。

SMA 阻尼器一般是指利用SMA 超彈性的位移型阻尼器，可以用ANSYS 彈簧-阻尼器（spring-damper）單元COMBINE14 模擬。阻尼器單元通過2 個(gè)節(jié)點(diǎn)、剛度（力/長(zhǎng)度）和阻尼系數(shù)（力·時(shí)間/長(zhǎng)度）進(jìn)行描述，本文設(shè)置SMA 阻尼器的等效剛度為5×106N·m-1，等效阻尼為12×106N·s·m-1。在輸電塔塔頭和塔身沿第一振型方向共安裝8 個(gè)SMA 阻尼器，具體安裝位置如圖1中加粗黑線所示。

圖1 干字型輸電塔有限元模型

2 近場(chǎng)地震波選取

假設(shè)干字型輸電塔所在地區(qū)地震設(shè)防烈度為8度，場(chǎng)地類別為Ⅲ類場(chǎng)地，地震分組為第二組，特征周期為0.60 s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，地震影響系數(shù)最大值為0.9[13]。將確定的罕遇地震規(guī)范反應(yīng)譜導(dǎo)入太平洋地震工程研究中心（Pacific Earthquake Engineering Research Center），選取了與罕遇地震規(guī)范反應(yīng)譜在統(tǒng)計(jì)意義上相符的10 條近場(chǎng)地震波，見表1。縮放后的近場(chǎng)地震波加速度反應(yīng)譜如圖2 所示，可以看出所選近場(chǎng)地震波的平均反應(yīng)譜與罕遇地震規(guī)范反應(yīng)譜在統(tǒng)計(jì)意義上是相符的。

圖2 近場(chǎng)地震波加速度反應(yīng)譜

表1 近場(chǎng)地震波記錄

3 SMA 阻尼器減震效果分析

本文首先采用ANSYS 子空間法對(duì)干字型輸電塔進(jìn)行模態(tài)分析，得到輸電塔結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型。圖3 為干字型輸電塔的前3 階整體模態(tài)：第1 階振型表現(xiàn)為沿橫擔(dān)方向的塔身整體彎曲，第2 階振型表現(xiàn)為垂直橫擔(dān)方向的塔身整體彎曲，第3 階振型表現(xiàn)為輸電塔結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。由模態(tài)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，輸電塔以Y 向和X 向的彎曲振型為主，且2 個(gè)水平方向上的同階自振頻率相差較小。

圖3 干字型輸電塔前3 階振型

由于干字型輸電塔的第一主振型為Y 向，在輸電塔塔頭和塔身沿Y 向共安裝8 個(gè)SMA 阻尼器用于減震控制，并在輸電塔Y 向施加近場(chǎng)地震波作用進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，安裝SMA 阻尼器后的減震率η 為

式中：S 為未安裝SMA 阻尼器的輸電塔動(dòng)力響應(yīng)，S” 為安裝SMA 阻尼器后的輸電塔動(dòng)力響應(yīng)。

輸電塔塔頂位移和加速度的減震率見表2，不同近場(chǎng)罕遇地震作用下輸電塔的減震效果有所不同，在RSN1161 地震波作用下輸電塔的減震效果最好，塔頂位移的減震率為43.88%，加速度的減震率為31.41%。綜合考慮，在近場(chǎng)罕遇地震作用下，干字型輸電塔安裝SMA 阻尼器后，塔頂位移平均降低29.05%，塔頂加速度平均降低17.78%。

表2 塔頂位移和加速度減震率

為了研究近場(chǎng)罕遇地震作用下輸電塔桿材軸應(yīng)力的減震規(guī)律，選取了干字型輸電塔上橫擔(dān)桿材（截面A）、塔身上部桿材（截面B）、下橫擔(dān)桿材（截面C）、塔身中部桿材（截面D）、塔腿桿材（截面E）等5 個(gè)典型截面（圖1）。輸電塔安裝SMA 阻尼器后的截面軸應(yīng)力減震率如圖4 所示，可以發(fā)現(xiàn)除RSN802 地震波外，在其余近場(chǎng)地震波作用下，關(guān)鍵截面軸應(yīng)力總體呈降低趨勢(shì)，即截面軸應(yīng)力減震率大于零。相對(duì)于其他截面位置，塔身中部（截面D）的軸應(yīng)力減震效果最好，塔腿桿材（截面E）的減震效果次之。綜合考慮，在近場(chǎng)罕遇地震作用下，干字型輸電塔安裝SMA 阻尼器后，5 個(gè)典型截面的平均軸應(yīng)力減震率依次為17.02%、14.15%、5.98%、28.26%、19.94%。

圖4 截面軸應(yīng)力減震率

輸電塔安裝SMA 阻尼器后的基底反力減震率如圖5 所示，可以發(fā)現(xiàn)X 向平均基底反力顯著增加，Y 向平均基底反力基本沒變，Z 向平均基底反力稍微降低，X 向、Y 向和Z 向的平均基底反力減震率分別為-34.2%、0.52%和6.92%。由于近場(chǎng)地震波作用方向?yàn)檩旊娝腨 向，設(shè)置SMA 阻尼器后Y 向位移受到抑制，導(dǎo)致與之垂直的X 向位移不斷增大，X 向基底反力隨之增加。

圖5 基底反力減震率

4 結(jié)論

本文分析了近場(chǎng)罕遇地震作用下干字型輸電塔安裝SMA 阻尼器前后的動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)，研究了SMA 阻尼器對(duì)塔頂位移、塔頂加速度、關(guān)鍵截面軸應(yīng)力和基底反力的減震效果，得到以下結(jié)論。

（1）在干字型輸電塔安裝SMA 阻尼器后，塔頂位移和塔頂加速度都有不同程度的降低，塔頂位移的平均減震率為29.05%，塔頂加速度的平均減震率為17.78%。

（2）由于近場(chǎng)地震波存在頻譜特性差異，在特定地震波作用下，安裝SMA 阻尼器后的截面軸應(yīng)力反而增加。綜合考慮所有近場(chǎng)罕遇地震波作用，干字型輸電塔典型截面的平均軸應(yīng)力減震率依次為17.02%、14.15%、5.98%、28.26%、19.94%，其中塔身中部（截面D）的軸應(yīng)力減震效果最好，塔腿桿材（截面E）的減震效果次之。

（3）在干字型輸電塔安裝SMA 阻尼器后，由于近場(chǎng)地震波作用方向?yàn)檩旊娝腨 向，SMA 阻尼器抑制了輸電塔的Y 向位移，導(dǎo)致輸電塔X 向基底反力平均增加了34.2%。