±500kV直流輸電線路小根開(kāi)鐵塔振型及周期分析研究

陳國(guó)棟

摘 要：針對(duì)±500kV直流小根開(kāi)鐵塔ZA102Z進(jìn)行建模計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用SAP2000軟件建立了小根開(kāi)鐵塔的三維數(shù)值模型，研究了其典型呼高的動(dòng)力響應(yīng)特征；比較了規(guī)范的近似計(jì)算周期和有限元計(jì)算的周期。

關(guān)鍵詞：小根開(kāi)鐵塔；SAP2000；動(dòng)力特征；周期

普通自立式鐵塔的高度與根開(kāi)之比（H/B）為4～6，而城市供配電常用到的“窄基塔”其高度與根開(kāi)之比（H/B）可達(dá)到10或更高；但對(duì)于±500kV直流輸電線路工程，采用“窄基塔”將難于滿足大荷載的要求，作者提出“小根開(kāi)鐵塔”的概念，即在普通自立式鐵塔的基礎(chǔ)上縮小根開(kāi)，使其高寬比H/B介于普通塔和“窄基塔”之間，既能滿足荷載要求，又能符合山區(qū)局部地形陡峭的立塔需要。可見(jiàn)，采用“小根開(kāi)鐵塔”可有效解決如下問(wèn)題：

（1）拓寬陡峭、狹窄地形的立塔范圍和條件，以避免改線而造成較大的費(fèi)用變更。

（2）減小征地、土石開(kāi)挖方量，達(dá)到環(huán)保設(shè)計(jì)。

文章采用SAP2000有限元程序建立小根開(kāi)直線ZA102Z的數(shù)值模型，對(duì)高寬比H/B進(jìn)行優(yōu)化分析，分析了鐵塔的受力特征及動(dòng)力響應(yīng)特征，對(duì)比了規(guī)范方法的近似計(jì)算周期和有限元計(jì)算的精確周期。

1 有限元計(jì)算小根開(kāi)鐵塔的振型及周期分析

經(jīng)過(guò)SAP2000有限元軟件對(duì)塔型實(shí)例（ZA102Z）進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，鑒于輸電鐵塔頻譜較為稀疏，因此重點(diǎn)考慮前4階振型，如表1，得到前4階振型及周期如下：

表1 前4階周期計(jì)算比較表

桿塔的一階、二階及三階振型分別為X向的彎曲、Y向的彎曲及繞Z向的扭轉(zhuǎn)。X向一階與Y向一階的振型頻率非常接近，頻率相差2%，說(shuō)明鐵塔的X向及Y向剛度非常接近，扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在X向與Y向一階振型之后，說(shuō)明桿塔不易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。整體來(lái)說(shuō)，鐵塔的體系形式及布置是合理的，動(dòng)力特性優(yōu)良。

2 “規(guī)范法”和“數(shù)值模擬法”的鐵塔自振周期對(duì)比

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄F結(jié)構(gòu)基本自振周期的經(jīng)驗(yàn)公式以及按《輸電塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究》（中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)輸電結(jié)構(gòu)四屆二次學(xué)術(shù)年會(huì)論文集）分別計(jì)算鐵塔的自振周期與SAP2000有限元軟件的計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析。

2.1 依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的自振周期計(jì)算

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》F.1.1條一般高聳結(jié)構(gòu)的基本自振周期，鋼結(jié)構(gòu)可取下式計(jì)算的較大值，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可取下式計(jì)算的較小值：

T1=（0.007～0.013）H （1）

該公式的范圍太寬，而且它適用于具有連續(xù)變化外形和質(zhì)量的塔式結(jié)構(gòu)，而輸電塔結(jié)構(gòu)并不符合這一特點(diǎn)，這是因?yàn)檩旊娝Y(jié)構(gòu)在高度方向具有幾個(gè)較大質(zhì)量和幾何尺寸的橫擔(dān)，使得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性發(fā)生變化，故而該近似公式的誤差較大。鐵塔實(shí)例全高59.1米，計(jì)算得自振周期為0.7683秒。

2.2 按《輸電塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究》的自振周期計(jì)算

根據(jù)我國(guó)電力部門(mén)所做的輸電塔實(shí)測(cè)研究，得到的輸電塔結(jié)構(gòu)自振周期近似計(jì)算公式為：

T■=0.034H/■ （2）

式中：H為全塔高度：b為塔頭寬度：B為根開(kāi)寬度。

由于輸電塔結(jié)構(gòu)的形式多樣、高度不一，如干字塔，酒杯塔、貓頭塔等等，而不同類型、不同高度的輸電塔自振周期具有不同的特點(diǎn)，所以這一公式不能適用于所有類型的輸電塔結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行輸電塔設(shè)計(jì)時(shí)需要更加精確的自振周期計(jì)算公式。

以電力系統(tǒng)輸電塔實(shí)測(cè)得到的結(jié)構(gòu)自振周期近似公式為思路，以實(shí)際輸電鐵塔的空間模型計(jì)算為依據(jù)，對(duì)其自振周期近似公式進(jìn)修正，修正后的計(jì)算公式為：

（1）干字塔：塔高50～70m時(shí)

T■=0.039H/■ （3）

塔高70～80m時(shí)

T■=0.038H/■ （4）

塔高80～100m時(shí)

T■=0.036H/■ （5）

（2）對(duì)酒杯型塔：

T■=0.036H/■ （6）

注：以上節(jié)選自《輸電塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究》（中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)輸電結(jié)構(gòu)四屆二次學(xué)術(shù)年會(huì)論文集）

根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)公式，塔型實(shí)例（ZA102Z）直線塔塔高59.1m，介于50～70m之間，上口寬度2.0m，根開(kāi)6.740m，由此算得T1為0.7709s。

2.3 依據(jù)有限元軟件SAP2000的自振周期計(jì)算

而通過(guò)SAP2000有限元程序的分析結(jié)果T1為0.8030s。分析原因，認(rèn)為采用負(fù)保護(hù)角的±500直流桿塔與傳統(tǒng)的干字塔在結(jié)構(gòu)形式上是有區(qū)別的，首先導(dǎo)線橫擔(dān)長(zhǎng)度較傳統(tǒng)干字塔大了很多，因此塔頭質(zhì)量增加很多，因此自振周期較經(jīng)驗(yàn)公式有所增加。

3 結(jié)束語(yǔ)

3.1 采用SAP2000有限元軟件研究ZA102Z的動(dòng)力響應(yīng)特征如下：（1）扭轉(zhuǎn)振型對(duì)酒杯型小根開(kāi)鐵塔影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略；（2）低呼高酒杯型小根開(kāi)鐵塔動(dòng)力特征與高呼高略有不同，前者以第1階模態(tài)為一階扭轉(zhuǎn)，后者為一階彎曲。

3.2 SAP2000有限元軟件計(jì)算的周期較規(guī)范近似計(jì)算方法計(jì)算的周期略有增加，認(rèn)為直流桿塔導(dǎo)線橫擔(dān)長(zhǎng)度較傳統(tǒng)干字塔大了很多，因此塔頭質(zhì)量增加很多，因此自振周期較經(jīng)驗(yàn)公式有所增加。

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