輸電塔風振響應數值分析

馮康+趙海玲

【摘 要】輸電桿塔為一類高聳格構式塔架結構，其塔身鏤空、高度高、外形細長，在電力、通訊等領域應用廣泛。風主要由靜力風和脈動風組成，在自然風作用下高聳塔式結構會產生應變、應力及振動等響應。在大風作用下，很可能會造成結構的疲勞破壞或較大的形變等問題。本文主要以某線路的自立式塔式結構為研究目標，通過ANSYS有限元軟件對其進行單塔模型建立，并通過加載脈動風譜對其進行模態分析和風振響應分析，從而判斷結構的穩定性。文章最后對數值方法進行形態評價，從客觀的角度來分析該方法的可行性。從而以便于更好的為工程實際服務。

【關鍵詞】桿塔結構；ANSYS有限元分析軟件；模態分析；風振響應

作為電力系統大動脈的輸電線路，是保證輸送電能的成功保證，一旦遭受破壞將直接導致整個供電系統的癱瘓，給社會經濟及人們的生活造成嚴重的損失。所以，人們越發的關注其可靠性。高壓輸電塔作為電力工程線路的重要組成部分，保證其能夠在各種工況下安全的順利運作，具有很重大的意義[1]。近幾年來，我國自然災害頻繁發生，據不完全統計，僅2005年國內在大風作用下毀壞的500kV輸電線路多達18基，110kV以上線路60基[2]。目前由于特高壓技術的不斷進步，輸電線路的電壓等級也在相應的增加，桿塔的高度也不斷增高，并且鐵塔的結構也在不斷地突破，不管是在桿塔設計選型亦或是加工制作都獲得了很大的提高[3]。輸電桿塔為高聳的格構式塔架，這種外形導致了起主要作用的荷載為風荷載，由于輸電技術的革新和供電需求的提高，桿塔結構的發展力求更高、更輕、更柔和低阻尼。結構動力學的最新發展，是結構設計從靜態設計轉為動態設計，從解耦分析走向耦合分析，從頻率/模態設計轉為響應設計[3]。

1 輸電鐵塔模型的建立

1.1 輸電塔動力響應計算模型

在設計輸電桿塔時，往往是將導線和桿塔分離開來設計，導線的自重影響被認為是外荷載施加于桿塔上，由于桿塔結構相對高聳，自振的周期頗大，所以一般情況下主要比較關心脈動風導致的風振影響。

本文以某同塔雙回路角鋼塔為工程背景，跨越檔檔距350m，輸電塔采用耐張塔，呼高27m，根開8.6m，角鋼塔主材使用Q345等邊角鋼，其他材料采用Q235等邊角鋼。導線型號JL/G1A-630/45鋁包鋼芯鋁合金絞線，地線采用一根LBGJ-100-30AC，一根OPGW-48。B類地貌。

建模過程中采用有限元軟件ANSYS建立單塔模型，采用BEAM188單元模擬各角鋼桿件，對單塔模型進行模態分析。在CAD中繪制輸電塔，并將不同截面屬性的鋼材分別放在不同的圖層中，本塔繪制過程中共建立29個圖層。將輸電塔分解，根據截面屬性分別保存為dxf格式文件。分別將各個dxf格式文件利用dxftoansys軟件轉化為包含完整數據信息的lgw格式文件。編輯APDL程序，定義Q235鋼材和Q345鋼材的截面屬性，利用ANSYS軟件導入各個lgw格式文件，生成單塔模型。原始設計輸電塔司令圖如圖1所示；單塔模型圖如圖2所示。

1.2 輸電塔模態分析結果

從上述的模態頻率結果中可以分析出，在自立式桿塔的第4、5、6階模態中，相互應的頻率各為5.472、5.932、6.068，說明輸電塔出現了較為嚴重的局部陣型。

2 輸電塔風振響應分析

在研究塔式結構的風振響應時應從風荷載的構成入手，即靜風荷載和脈動風荷載兩部分。靜風荷載可以由風速計算而得，脈動風荷載則是用風壓調整系數乘以靜風荷載得到的[4]。脈動風速的均值不為零，荷載是隨著時間的變化而變化的。其對輸電塔等的作用是難以忽視的，并會對結構的耐疲勞性產生影響；甚至在某種特定條件下引起共振，造成巨大的損失。本文采用脈動風研究輸電塔的風振響應，在脈動風速時程曲線模擬過程中已經考慮了脈動風振系數和風壓高度變化系數。在考慮順風向的風速時，根據其組成部分平均風風速和脈動風風速，則t時刻的風速v（z，t）如下式，由此可計算出輸電塔各段在時刻t的風速。

輸電塔作為高聳結構， 宜采用工程中常用的考慮高度變化的Kaimal風速譜作為目標功率譜模擬輸電塔的脈動風速時程。本文采用自回歸模型的線性濾波法（AR法）模擬水平方向0°、45°和90°的風速時程曲線。自回歸階數P取4階，時間步長△t=0.1s，采樣頻率為0.01Hz，時長取600s，將輸電塔劃分為14段，并比較塔腿部位和塔頭部位的脈動風。

幾何非線性是由于隨著結構變形的增長，結構中單元節點坐標發生改變，從而結構的剛度也會改變，變化的幾何形狀是引起幾何非線性響應的主要原因。對于本文的輸電塔模型，隨著荷載的施加，單元的節點位置會發生變化，從而導致該單元對總體剛度的貢獻發生變化。

3 數值方法性態評價

由于輸電塔自由度較多，本文主要選擇輸電塔頂點的風振響應作為研究對象，加之現有計算機的計算效率和存儲量也很難在積分步長足夠小的情況下快速計算并存儲所有自由度的動力響應。因此，為了提高計算效率和節省計算機資源，本文對原輸電塔有限元模型進行了合理的簡化。

目前研究動力學特性的方法為模態分析方法，其主要包括試驗模態分析與數值模態分析兩種，對目前復雜結構的動力特性的分析需要以模態分析為根據[5]。模態是結構的振動屬性，通過對其進行模態分析，可以判斷結構在哪一個頻率區間所受影響較大，從而清楚掌握各階模態相應的特點。輸電塔的動力相應問題頗為復雜，但又是研究結構的重要部分。振動狀態判斷所依據的規則是，在由主要動力自由度組成的簡化結構的某一模態振型中：若沿X方向振型的數據明顯大于其它兩個方向的振型數據，則可判定為沿X方向的平動模態。

式中T1為第一階主要自振周期；H為全塔高；b為塔頭寬度；B為跟開寬度。

根據計算，公式所得值為0.3，則自振頻率為0.33，與模態分析第一階接近，且在前幾階模態分析中并不存在個別桿件的局部變形，則模型正確。

本文采用ANSYS有限元對輸電鐵塔原始模型建模，并通過風速譜進行線彈性風振響應的研究。通過編寫相應程序，使用MATLAB軟件對輸電鐵塔結構簡化模型進行線彈性風振響應時程分析。通過選擇塔頭、塔腿脈動風速相應的比較，來體現整體風振響應的一致性。

4 結論

隨著計算機技術的發展和結構設計理念的轉變，結構的動力響應越來越受到重視，越來越多的學者投身到結構動力學的研究上來，相應的結構動力方程的求解方法也得到了發展改進。

本文在線彈性范圍內以求解鼓型輸電塔的風振響應為例，通過建立單塔模型，加載脈動風譜，提取模態頻率，分析了該輸電塔在脈動風作用下的風振響應[7]。目前，關于塔架的動力響應分析是頗為復雜的，諸如當今著重討論的課題主要關于結構在脈動風和地震荷載下的響應，而模態分析則是進行這些科學研究的根據。在以后的研究中還需不斷完善有關高聳塔式式結構的模態分析功能，如考慮塔線耦合作用下的振動響應、根據實際情況分段輸入質量信息等，以使計算結果更接近實際，為工程提供參考。

【參考文獻】

[1]蔣其偉.覆冰斷線對輸電塔風致動力響應影響的分析[D].吉林：東北電力大學， 2011：39.

[2]謝強，張勇，李杰.華東電網500kV任上5237線颮線風致倒塔事故調查分析[J].電網技術，2006，30（10）： 59-631.

[3]孔貝貝.輸電塔及塔線體系的靜動力特性分析[D].山東：山東大學，2012.

[4]馮云巍.輸電塔架ANSYS建模及動力特性研究[J].鋼結構，2008（1）：21-23.

[5]賈天嬌.大噪聲密頻模態信號的模態參數識別[D].江蘇：南京航空航天大學，2012.

[6]傅鵬程，鄧洪洲，吳靜. 輸電塔結構動力特性研究[J]特種結構，2005（1）：47-49.

[7]宋文濤，王志騫，孟超等.懸索拉線塔（塔線耦合模型）脈動風分析[J].鋼結構，2012（6）：24-27.

[責任編輯：李書培]