橫隔面在高壓輸電塔抗風設計中的作用分析

肖 琦，王永杰，肖茂祥，劉劍波

(1.東北電力大學建筑工程學院，吉林吉林132012;2.天津電力公司，天津300010;3.中國石油天然氣集團公司吉林化建工程股份有限公司，吉林吉林132021)

高壓輸電塔作為一項重要的生命線電力工程設施，確保其結構體系在各種荷載作用下的安全可靠運行，具有重要的社會和經濟意義［1］。近年來，我國高壓輸電線路風致倒塔事故呈逐年增多的趨勢。據不完全統計顯示:僅2005年全國因風致倒塌500 kV超高壓輸電塔18基，110 kV以上線路倒塔60基，我國輸電線路防御重大自然災害，特別是風災的形式非常嚴峻。為了正確分析橫隔面在輸電塔抗風設計中的作用，本文以某實際500kV輸電線路典型輸電塔結構為背景，建立了不同橫隔面配置方式的精細化輸電塔-線耦聯體系三維有限元模型，然后采用考慮隨高度變化的Kaimal風速譜和Devenport相干函數，并結合諧波合成法數值模擬線路風場，利用大型通用有限元軟件ANSYS對不同橫隔面配置方式的輸電塔耦聯體系進行了風致動力響應分析。對比分析表明:在輸電塔設計中合理設置橫隔面，可以進一步提高輸電塔的抗風性能［2-3］。

1 風荷載數值模擬方法

1.1 脈動風速時程模擬方法

近地風一般來說包含長周期的平均風和短周期的脈動風兩部分。平均風沿高度遵循指數規律變化，通常視為靜荷載;脈動風則隨時間和空間而隨機的變化，在數學上屬于隨機過程范疇。要模擬風場必須具備脈動風的自功率譜和互功率譜［4-5］。脈動風的自功率譜由強風觀測得到風速時程獲得，本文采用考隨高度變化的Kaimal譜［6］，其形式為:

脈動風的互功率譜可通過相干函數求出，相干函數一般采用Davenport給出的經驗公式［6］:

式中:cy是脈動風橫向衰減因子，取值范圍(7，20)，工程中一般可取cy=7或cy=8;Δy為空間兩點的距離。

對于一維N變量具有零均值平穩隨機過程Vj(t)(j=1，2，…，n)，其譜密度函數矩陣為S(w)，S(w)的各元素(j=1，2，…，n;k=1，2，…，n)是相關函數的傅立葉變換，按照Clolesky分解法，可分解為:

式中:H(w)為下三角矩陣。那么需要模擬的風速具有如下形式［7］:

式中:風譜在頻率范圍內劃分為N個相同部分，Δw為頻率增量，Hjm(wi)為上述下三角矩陣元素的模，ψjm(wi)為兩個不同作用點之間的相位角，θml為介于0和2pi之間均勻分布的隨機數［8］。

根據以上理論，在Matlab環境里開發了空間相關的風速模擬程序［9］。選定的風速時程采樣點即風荷載加載節點，在迎風面上均勻分布，其中輸電線平均每隔10.0 m取一個采樣點，輸電塔劃分為12個區域，模擬每個區域正中位置處的風速時程［10］。結構10 m高處的平均風速為20 m/s，模擬時間步長0.2 s，共3000步，總時長600 s。圖1是中相導線掛點處的風速時程曲線。

圖1 中相導線掛點處的脈動風速時程曲線

1.2 風荷載時程計算

根據我國電力行業的標準［11］，輸電塔上的風荷載可以按下式計算:

式中:k是風載體型系數;Ac是輸電塔上桿件的擋風面積;V是計算風速。

對于輸電線路風偏，作用在導線上起決定性作用的順風向風荷載可按下式計算:

式中:Wx是垂直于電線軸線的水平風荷載;μsc是電線體型系數;d電線的外徑，分裂導線取所有子導線外徑的總和;lH是桿塔的水平檔距;V為設計風速;θ是風向與電線軸向間的夾角;βc是風荷載調整系數，規范中在計算風偏角時取1.0，不考慮風的動態特性。

絕緣子串上的風壓Pz，按下式計算:

式中:A是絕緣子串的受風面積;V是設計風速。

將由式(4)得到的風速時程代入式(5)～(7)，即可得到輸電塔、導線和絕緣子串上的風荷載時程。

2 輸電塔塔線耦聯體系建模

2.1 輸電塔原始設計簡介

某500 kV超高壓輸電塔線路中的直線型自立式貓頭塔，其三維有限元模型見圖2。塔高46 m，呼高36 m，單回路設計。導線采用4×LGJ—500/45鋼芯鋁絞線，地線采用鋁包鋼絞線

LHBGJ—95/55。水平檔距為400 m，無高差，最大設計風速30 m/s。

原始設計中，在塔身坡度不變段只設置了兩個橫隔，一個是塔腿處，另一個位于塔身第四段。

2.2 輸電塔線耦聯體系模型的建立

本文建立水平檔距為400 m，無高差的一塔兩線有限元模型見圖3。為了簡化模型，單根導線由四分裂導線等效而得，此導線的面積、張力與質量均為子導線的4倍。

建模分析時，對輸電塔各受力桿件采用梁-桿單元進行模擬。采用ANSYS單元庫中的Mpc184單元來模擬絕緣子［12］，選擇ANSYS單元庫中的Link10單元來模擬導-地線，該單元可以模擬幾何大變形，常用來模擬松弛的線索。直線貓頭塔底部四個節點采用固定約束。中間鐵塔所掛的絕緣子兩端采用鉸接約束，用來平衡輸電塔順導線方向的張力，已達到對實際情況的模擬。

3 不同橫隔面配置方式的輸電塔-線耦聯體系風致動力響應分析比較

3.1 原始設計輸電塔的部分模態分析結果

模態頻率分析結果見表1。輸電塔模態分析結果表明:在輸電塔的第3、5、6階模態中，對應的頻率分別為輸電塔塔身下部無橫隔面部位的交叉斜撐出現了出現了較為嚴重的局部陣型，見圖4。根據模態分析結果可知，原有輸電塔在第四階模態就出現了塔身下部的局部陣型，第5、6階模態也是塔身下部的局部陣型。此局部陣型容易在脈動風荷載的激勵下使該部位的桿件產生較大的平面外位移，從而可能導致桿件發生失穩引起結構整體破壞，故在設計中本文適當增加了橫隔面的數量以控制局部陣型的過早出現，從而增加結構的整體性能。

根據以上分析結果，在塔身下部增設了三個橫隔面，增設橫隔面前后塔身示意圖見圖6。新增設3個橫隔面在中間3個塔段中央，其余位置的桿件形式和桿件均沒有發生變化。

表1 原始輸電塔模態分析

3.2 增加橫隔面后輸電塔的模態分析

如圖6(b)所示，在原輸電塔的2、3、4塔段各增設一個橫隔面，然后對增設橫隔面的輸電塔再進行模態分析。模態分析的結果表明:增設了橫隔面后，輸電塔的前面6階陣型中再沒有出現局部振動模態。輸電塔的相應第4階模態見圖5。

從輸電塔模態陣型對比分析可以看出:輸電塔在未增設橫隔面之前塔身下半段整體性比較差，較早出現了局部振動模態。這樣的局部振動模態在脈動風荷載的作用下很有可能造成結構的動力失穩破壞。增設了橫隔面以后原來輸電塔塔身的局部陣型得到了很好的抑制。

3.3 風致動力響應分析結果比較

采用ANSYS軟件對所建模型進行風致動力響應時程分析。在進行時程分析之前需求出各模型在自重下的平衡狀態，即找形分析。采用文獻［13］提出的找形方法計算400 m檔距模型在自重荷載作用下導線最大弧垂為10.933 m，與由懸鏈線方程理論計算值10.918 m相比，誤差甚微，說明該找形方法精度較高。將自重下的平衡狀態作為時程分析的初態，然后計算在隨機風荷載作用下的動態響應。

按照設計風速取400 s的風速時程作為輸入。由模擬得到的風荷載作用在輸電塔線體系上，對比未增設橫隔面的塔線體系和增設了橫隔面的塔線體系的風致動力響應時程分析結果。在輸電塔的結構設計中，由于受壓桿件的面外變形對壓桿的穩定有重要作用，在計算比較分析中，主要對比了兩種不同橫隔面配置方式下受壓斜撐面外變形的大小。選取的對比斜撐為耦聯體系中間塔與風向平行的受壓面斜撐，此斜撐受力作用最大。為考察面外變形選取了幾個關鍵節點位置如圖6中數字所示。結果分析主要比較了關鍵節點面外位移的時程，絕對最大面外位移、平均面外位移。圖7所示為中間塔的塔身下部分在動力風荷載作用下部分節點的面外位移dm時程曲線對比。其中“無橫隔”是指實際鐵塔塔身下部分未加橫隔面時的計算結果。“有橫隔”是本文根據模態分析結果建議在塔身下部分增設橫隔面后的計算結果。

圖7 不同橫隔面配置方式下第2、3塔段斜撐面外位移計算結果

從圖7分析對比結果可以看出:增設橫隔面后原有斜撐的面外位移得到了大幅度降低，這大大降低了受壓斜撐發生動態失穩的可能性。

兩種不同橫隔面配置方式下輸電塔線耦聯體系的風致動力響應內力計算表明:輸電塔結構主材內力變化較大，節點3是兩個塔段斜撐與主材相互連接的節點，對于未增設橫隔面的情況下，該點的應力最大值為186 MPa，增設了橫隔面以后提取該點的應力最大值為151MPa，增設橫隔面以后該節點主材應力降低了18.8%。

4 結 論

在ANSYS有限元軟件中建立不同橫隔面配置方式的輸電塔線體系的有限元模型，用ANSYS有限元軟件分別對模型進行模態分析及風致動力響應時程分析;分析結果顯示:

(1)輸電塔如果沒有合理配置橫隔面，會過早出現嚴重的局部陣型，在脈動風荷載作用下出現局部陣型的部位，桿件面外位移比較大，有可能出現局部失穩從而導致結構出現動力失穩而破壞;

(2)輸電塔通過增加橫隔面后，雖然增加了用鋼量，但結構的整體性能得到了極大的提高。模態分析和風致動力響應時程分析都表明橫隔面的設置方式對輸電塔的動力性能影響很大，合理的設置可以大大降低塔段斜撐的面外位移，減少輸電塔段斜撐在脈動風荷載作用下發生面外失穩的可能性，同時也降低了輸電塔主材的應力。總之，合理配置橫隔面可以有效提高輸電塔的抗風性能。

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