輸電塔在斷線荷載下的動力響應

徐 乾,簡 政,胡 豐,2,劉 晨

(1.西安理工大學土木建筑工程學院,陜西 西安 710048;2.西北電力設計院,陜西 西安 710075)

0 前 言

輸電塔是遠距離輸電的主要承載體系,在運行過程中要承受水平方向和豎直方向的各種荷載。國內外許多研究都是關于輸電塔在地震荷載、風載和覆冰荷載下的抗震、抗風和振動控制,對于輸電塔在斷線荷載作用下的動力響應研究并不多。而在1975年美國的Wiscomsin和Indiana就發(fā)生了因線路斷線導致多個輸電線倒塌,使整個輸電線系統(tǒng)癱瘓的事故。1993年美國Nebraska州發(fā)生多股諾米牌惡性倒塌事件,即輸電塔受沖擊作用一個接一個發(fā)生倒塌,103 km長的400多座輸電塔發(fā)生連續(xù)倒塌[1],這是國內外著名的因導線斷裂,而造成的輸電塔倒塌的事故。2008年年初,在我國的南方地區(qū)遭受五十年一遇的冰雪災害,許多輸電塔因導線突然斷裂發(fā)生倒塌或傾斜,這嚴重影響了人們的正常生活和經濟建設[2]。

鑒于導線斷裂會給輸電塔帶來很大的沖擊效應,目前對于輸電塔在沖擊荷載下的動力響應研究也有不少。Fleming等用靜力平衡法分析了線路斷線不平衡張力,并編寫了相應的計算程序[3];Peyrot結合實測研究了輸電線路斷線動態(tài)張力前兩個峰值的估算公式[4];Campbell推導得輸電塔線體系斷線時的靜力方程,獲得斷線后的平衡位置和殘余應力[5];Mozer依據簡化物理模型推導出斷線荷載下峰值應力的半解析公式[6]。我國學者在這方面的研究也比較多,夏正春、李黎、梁政平等人通過有限元數值模擬分析,得到了輸電塔在斷線荷載作用下的響應[7-8];后勤工程學院的譚慶等人給出了輸電線體系在發(fā)生斷線時,塔-線體系的動力響應[9];此外浙江大學的沈國輝、孫炳楠、樓文娟等人也研究了斷線荷載對輸電塔體系的沖擊效應,以及導線斷裂后落在地面而引發(fā)的對塔—線體系的二次沖擊效應[10]。但所有研究都是將斷線荷載考慮為瞬間、同時作用在輸電塔上,沒有分析在不同步斷線荷載作用下輸電塔的動力響應。

本文通過有限元計算,比較了不同斷線情況下輸電塔的動力響應。結果發(fā)現斷線發(fā)生后,輸電塔會產生很大的位移響應和應力響應,這種現象在塔頭位置最為明顯。還發(fā)現當多根導線不同時斷裂時引發(fā)的動力響應更為明顯。但是在現行的桿塔設計規(guī)范中,只是將斷線荷載等效為導線極限應力的15%～25%,沒有考慮斷線時所引發(fā)的動力響應[11]。

1 輸電塔有限元模型

模型包括三座輸電塔兩檔導(地)線,塔高85.9 m、塔頭寬度3 m、根開24.45m、檔距450 m。輸電導線為雙回路,導(地)線分四層,最上層為兩根地線,其下三層每層由四根導線組成。導線牌號為LGJ-240/40,彈性模量為78.4 GPa,導線直徑 18.58mm,導線面積為271mm2,導線單位質量為969 kg/km,導線比載為34.047×10-3N/(m·mm2),導線運行張力86.18 N/mm2,導線極限張力為77.028 kN。地線牌號為JL/LB/A99/55,彈性模量為178 GPa,地線直徑為13.95mm,地線面積為152.8mm2,地線單位質量為639.2 kg/km,地線比載為 40.99N×10-3N/(m·mm2),地線運行張力為 103.76 N/mm2,地線極限張力為83.48 kN。采用SAP2000有限元程序建模,其中用桿單元模擬輸電塔的等邊角鋼,單個直線塔包括1058個節(jié)點,2674個桿單元。對于導線也用桿單元模擬,但要求其只能受拉不能受壓,而且也不能抗彎,所以需要對其屬性進行修正,最后建立起輸電塔體系有限元模型。取塔頭位置節(jié)點77及橫擔位置節(jié)點730和節(jié)點729作為指定計算點,如圖1所示。取塔身13個桿件作為指定計算桿件,如圖2所示。

圖1 指定節(jié)點示意圖

圖2 指定桿件示意圖

2 斷線分析

現有的許多研究表明,當多根導線同時斷裂時,輸電塔的最大位移響應和應力響應大都出現在導線斷裂后0～2 s內,因此考慮導線斷裂時間間隔在0～3 s內時,斷線荷載對輸電塔的沖擊效應。規(guī)定材料本構關系遵循廣義胡克定律,而且荷載工況僅考慮斷線荷載,不考慮地震荷載、風載、覆冰荷載等荷載工況。導線斷裂在瞬間(1s～4 s內)完成,導線內的應力也同時瞬間線性卸除。導線斷裂后輸電塔在阻尼(阻尼比 ξ=0.02)作用下做有阻尼的自由振動,為方便分析計算,假定導線斷裂間隔時間為0.5 s、1 s、1.5 s和 2 s,假定最多有四根導線斷裂 ,計算在不同斷線組合條件下的危險工況,輸出斷線后10 s內輸電塔的動力響應。用Uy表示斷線荷載作用下指定節(jié)點的順線向位移,用沖擊系數η來表征指定桿件軸向應力動力響應,其中η=(NU-N0)/N0,NU為沖擊荷載下桿件的軸向應力;N0為自重作用下桿件的軸向應力。

2.1 導線斷裂兩根時的危險工況

規(guī)定導線同時斷裂為工況一,當導線斷裂有時間間隔的工況為工況二,而且發(fā)現兩根導線斷裂時間間隔為1.5 s時,輸電塔的動力響應最大。

2.2 導線斷裂四根時的危險工況

仍然規(guī)定四根導線同時斷裂為工況一,四根導線斷裂有時間間隔的工況為工況二,且第一根導線與第二根導線斷裂時間間隔1.5 s、第二根導線與第三根導線斷裂間隔0.5 s、第三根導線與第四根導線斷裂間隔1.5 s時,輸電塔的動力響應最大。

通過圖3～圖10的Uy時程曲線圖中可以觀察到,隨斷線根數增加,塔頭位移和橫擔兩側的位移響應有所增大。當斷線根數相同時,在斷線后大約2 s內,導線同時斷裂所引發(fā)的順線向位移要大于導線斷裂有時間間隔時所引起的位移響應;在這以后,后者所引發(fā)的動力響應將遠大于前者,而且隨斷線根數的增加,這種現象將更加明顯。順線向位移最大可達204.4cm。而且都伴隨著較大的扭轉變形,隨斷線根數的增加,這種扭轉效應也將更加明顯。而且大約在斷線后6 s內,輸電塔的扭轉變形比較明顯,隨時間的推移,這種扭轉變形逐漸消失。此外,塔身桿件軸力也有較大變化,通過表1及表2都可以觀察到這一現象。隨斷線根數的增加,η也會逐漸變大。當斷線根數相同時,導線同時斷裂工況下的η稍小于導線不同時斷裂工況下的η,但隨斷線根數增加,兩者之間的差別就非常明顯了。這些計算結果都比在自重條件下位移和應力大很多,通過以上的圖表也能看到。所以將斷線荷載看做靜力荷載進行設計,難免有不妥之處。

圖3 導線斷裂兩根時節(jié)點77Uy時程曲線圖

3 結 論

(1)通過SAP2000有限元程序,在線彈性范圍內,可以較好的模擬輸電塔在斷線荷載作用下的動力響應。

(2)導線斷裂后,在塔頭位置產生較大的順線向位移,在橫擔兩側出現較大的相對位移。表明輸電塔在斷線荷載作用下,產生了大位移。輸電塔會進入非線性狀態(tài),因此僅采用線性理論分析方法有一定的局限性。

圖4 導線斷裂兩根時節(jié)點729Uy時程曲線圖

圖5 導線斷裂兩根時節(jié)點730Uy時程曲線圖

圖6 導線斷裂兩根時節(jié)點729與節(jié)點730Uy時程曲線圖

圖7 導線斷裂四根時節(jié)點77Uy時程曲線圖

圖8 導線斷裂四根時節(jié)點729Uy時程曲線圖

表1 導線斷裂兩根時塔身指定桿件軸向應力

表2 導線斷裂四根時塔身指定桿件軸向應力

圖9 導線斷裂四根時節(jié)點730Uy時程曲線圖

(3)針對斷線后輸電塔產生的動力響應,可以在輸電塔上設置支撐或阻尼器,以減小這種沖擊效應。

(4)分析結果顯示,斷線荷載引發(fā)的動力響應遠大于靜力作用下輸電塔的響應,這對桿塔設計和工程應用有一定的參考意義。

圖10 導線斷裂四根時節(jié)點729與節(jié)點730Uy時程曲線圖

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