220kV雙回路窄基鐵塔建模及動力特性分析

毛 雨，龔 靖，王永益

(東北電力大學建筑工程學院，吉林吉林132012)

眾所周知，輸電塔是重要的生命線電力工程設施。伴隨著我國國內經濟的飛速發展，城區內的高壓線路越來越多，使得線路走廊愈發緊張。一般來說，我們采用的大多是普通鐵塔，但其根開大，占地多，不滿足經濟性的要求;相對來講，窄基鐵塔根開較小，可有效的壓縮線路走廊，從而大大減小占地面積，降低工程造價。

80年代末期我國開始了緊湊型線路技術的研究和工程實施［1，2］。2009年無錫電力公司形成了涵蓋220 kV和110 kV電壓等級的全套窄基系列塔型［3］。2009年福建省電力勘測設計院設計了首條220 kV窄基鋼管塔［4］。羅玉鶴［5］對窄基鋼管塔進行動力特性分析，得到準確的自振周期，并計算了其塔身風振系數。肖琦，周凌風等［6］利用有限元法構建500 kV緊湊型窄基輸電塔模型，并研究了動力特性。

目前，我國雖有地區已經成功研制并將窄基鐵塔投入運行，但是窄基鐵塔的設計理論還不完善，使用經驗也尚不成熟，窄基塔的設計只能憑借設計者積累的一些經驗，缺乏一定的理論指導。因此，利用軟件來建立窄基鐵塔的模型，并研究它的動力學特性對于保證輸電線路的安全運行具有重要的意義。

1 有限元模型的建立

ANSYS的建模方法分為直接建模、幾何建模以及混合建模三種［7］。本文中采用的建模方法是幾何建模，首先在AutoCAD里畫出輸電塔的三維立體圖形，然后利用轉換程序把三維和二維面、線造型的DXF文件轉換為ANSYS格式的lgw文件，最后在ANSYS里整理所用鋼材的材料特性及本構關系，再稍加處理就可以完成數據轉換。這樣幾何模型就可以在ANSYS里建出來。

一般，輸電塔可分為三類有限元模型:(1)空間桁架模型;(2)桁梁混合單元模型;(3)空間剛架模型。為了使輸電塔的受力更符合工程實際，本文建立桁梁混合單元模型。為了驗證該模型的合理性，在進行模態分析時，本文又建立了空間桁架模型與之對比。

本文應用大型有限元軟件ANSYS建立的220 kV HSZ窄基直線塔的三維有限元分析模型，見圖1～圖2。

該220 kV HSZ窄基直線塔塔高52.5 m，根開3.6 m，屬于全角鋼鋼結構。其主要構件除承受軸向力之外，還承受剪力和彎矩。此輸電塔共采用了3種鋼材，分別為Q235、Q345以及Q420。三種鋼材的材料特性為:彈性模量E為2.06×1011N/m3，泊松比為0.3，材料密度ρ為7850 kg/m3。輸電塔結構的主材為Q420角鋼，輔材角鋼材料為Q235和Q345兩種。在建立ANSYS模型時，為使單元建模方便，采用桿單元Link8來模擬二力桿，從而生成與滿應力程序相同的空間桁架結構體系，桿單元Link8每個端節點包含X、Y、Z位移方向的 3個自由度;由于當采用Beam189單元時，可采用梁截面而不必計算大量的實常數，為使建模方便，用梁單元Beam189來模擬主材。

2 窄基鐵塔的動力特性分析

2.1 動力特性分析的必要性

根據DL/T5154—2002《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》［9］，由于脈動風的影響，采用風振系數計算塔身風荷載。當全塔高度不超過60 m時，按規范提供的表格取值;同時規范也規定適用條件為鐵塔高度與根開之比為4～6。然而窄基塔的高度根開之比一般都大于10，若按規范取值，顯然誤差較大。

根據GB50009-2001《建筑結構荷載規范》［8］，結構在Z高度處的風振系數βz可按下式計算:

式中:ξ是脈動增大系數;v是脈動影響系數;φz是振型系數;uz是風壓高度變化系數。其中脈動增大系數根據ω0T21確定，T1為結構的第1自振周期，而規范只是提供了結構的基本自振經驗公式，為T1=(0.007～0.013)H。該自振周期的經驗公式只與結構的高度有關，而與結構的寬度無關，并且系數的范圍較廣，顯然對窄基塔的自振周期不能進行準確的計算，因此對窄基塔進行動力特性分析是很有必要的。

2.2 模態分析理論

在ANSYS中，動力分析包括模態分析、諧響應分析、瞬態動力分析以及譜分析。其中模態分析主要用來確定結構的振動特性，即固有頻率以及振型，它們是動力分析中非常重要的參數［7］。

若忽略阻尼，輸電塔的無阻尼自由振動方程為:

2.3 模態分析

對輸電塔進行模態分析前，需要對其結構進行一定的約束。本輸電塔模型中，塔架的主材是靠塔座板上面的地腳螺栓與鋼筋混凝土基礎來連接的。由于螺栓的抗拉力以及塔座板與鋼筋混凝土基礎之間的抗壓力和摩擦力，使得輸電塔塔架與基礎之間形成了比較可靠的剛性連接。所以為與實際情況相符，全部約束ANSYS模型中基礎結點的6個自由度。

模態分析中模態的提取方法有7種，輸電塔作為結構比較復雜的空間桁架體系，模態分析的類型可選擇默認的BlockLanczos法，或者采用子空間法。本文采用的是分塊Lanczos法來提取了輸電塔的前10階模態。由模態分析可以得到窄基鐵塔模型的前10階自振頻率進而求得其自振周期，并截取前5階振型圖。表1和圖3為桁梁混合單元模型的振型圖及自振周期。圖4為空間桁架模型一階振型圖。

圖3 窄基鐵塔前五階振型圖

表1 輸電塔前10階自振頻率及周期

圖4 空間桁架模型一階振型圖

由圖4可以看出，當按照空間桁架建立模型時，在分析一階模態時，橫擔處就已經出現了局部振動，容易造成結構的失穩破壞。而由圖3振型分析結果表明，輸電塔塔身整體性較好，沒出現較大的局部振動振型。在動力荷載(如風振，地震)作用下，不會造成結構的失穩破壞。對比說明，桁梁混合單元模型更符合工程實際。

3 與經驗公式比較

《建筑結構荷載規范》(GB50011-2001)［8］規定，塔架結構的自振周期在(0.007—0.013)H(H 為塔架總高度)，對于鋼結構塔架需取高值。按照規范，計算得出本塔的自振周期在(0.3675—0.6825)s，與ANSYS分析結果對比，該窄基鐵塔模型的第1自振周期比經驗公式上限值大9.16%。

經驗公式與有限元分析結果有差距，是因為經驗公式是在塔架質量分布均勻的假設下得出的，而有限元分析則考慮了塔架橫擔桿件質量，得出的結果更符合實際些。

4 結 論

(1)利用ANSYS軟件對窄基鐵塔模型進行模態分析，得出單塔模型的前10階固有頻率，對輸電塔的設計及后續的塔線體系的分析與建模具有一定的參考意義。

(2)窄基鐵塔與常規鐵塔相比，鐵塔占地面積相應降低，節約了建設投資，具有較好的經濟性。

［1］劉智勇，楊承矩，秦鋒明，等.220kV多回路緊湊型窄基鐵塔的應用研究［J］.廣東輸電與變電技術，2004，24(1):67-70.

［2］邢爽，李曰兵，等.緊湊型高壓輸電塔優化分析［J］.科技信息，2009，32(35):363，416.

［3］無錫供電公司.江蘇220kV窄基塔研究成果達國內領先水平［J］.電力勘測設計，2009，28(1):47.

［4］蔣澤庭，許俊杰.福建公司推廣新型窄基塔線路［N］.國家電網報.2009-06-24(03).

［5］羅玉鶴.110kV窄基鋼管塔的研究設計［J］.電力建設，2010，31(8):25-28.

［6］肖琦，周凌風，蔡景素，鄭毅.緊湊型窄基輸電塔ANSYS建模及動力特性分析［J］.水電能源科學，2011，29(2):167-168，186.

［7］王新敏.ANSYS工程結構數值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［8］中華人民共和國建設部.GB50009-2001建筑結構荷載規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2006.

［9］中華人民共和國電力行業標準.DL/T5154-2002架空送電線路桿塔結構設計技術規定［S］.2002.