風荷載作用下大跨越輸電塔動力響應分析

劉海銳

摘要： 在ANSYS軟件中建立大跨越輸電塔有限元模型，對該結構模型進行簡化分段，基于線性濾波法在MATLAB軟件中模擬輸電塔各段中心節點處的脈動風速時程，將其與平均風速疊加得到各段中心節點處的風速時程，根據風荷載與風速的關系，得到作用在各段中心節點上的風荷載時程，采用ANSYS軟件中的時程分析方法計算輸電塔在風荷載作用下的風振響應。結果表明：在風荷載作用下，隨著高度的增加，輸電塔動力響應的位移均值及加速度均方根逐漸增大。

Abstract： A finite element model of a large span transmission tower is established in ANSYS software， and the structural model is simplified and segmented. The fluctuating wind speed time history at the central node of each segment is simulated in MATLAB software based on linear filtering method， and overlaid with the average wind speed so that the wind speed time history at the central node of each segment is obtained. According to the relationship between wind load and wind speed， the wind load time history acting on the central node of each segment is obtained. The time history analysis method in ANSYS software is used to calculate the wind-induced response under the wind load of the transmission tower. The results show that under the action of wind load， the average value of displacement and the root mean square of acceleration of transmission tower dynamic response increase gradually with the increase of the height.

關鍵詞： 輸電塔;風荷載;線性濾波法;時程分析;風振響應

Key words： transmission tower;wind load;linear filtering method;time history analysis;wind-induced response

中圖分類號：TB532 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）13-0114-04

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展，電能的重要性也愈發明顯，我國電力電網的建設也得到了蓬勃發展。作為高負荷電能輸送載體的重要組成部分，輸電塔具有高度高、重量相對較輕、外形細長、剛度相對較小等特點，基本自振周期較長，風荷載對其起主要作用，是它的控制荷載[1]，因此有必要研究輸電塔在風荷載作用下的動力響應。

本文主要考慮大跨越輸電塔受順風向風荷載的響應作用，風荷載分為平均風荷載和脈動風荷載，平均風荷載在一定時間內不變，可視為靜力荷載，脈動風荷載是隨時間變化的，相當于動力荷載，在MATLAB軟件中采用線性濾波法中的自回歸模型模擬輸電塔各段迎風面中心節點處的脈動風速時程[2]，用時程分析方法計算了輸電塔受風荷載的振動響應，并分析了輸電塔的動力特性。

1 輸電塔有限元模型建立

本文以某大跨越輸電塔為原型建立有限元模型，進行風荷載作用下動力特性計算分析，該輸電塔總高度為87.5m，由角鋼剛性連接而成，角鋼材料型號為Q235型鋼，它的彈性模量E=2.1×1011Pa，密度ρ=7850kg/m3，泊松比ν=0.3，角鋼截面面積隨高度的改變而改變，輸電塔底部采用比較大而厚的角鋼，上部則采用比較短和稍薄的角鋼[3]，其截面積的總體變化趨勢是隨輸電塔高度的增加而逐漸減小。

在ANSYS軟件中，BEAM188單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結構，該單元基于Timoshenko梁結構理論，并考慮了剪切變形的影響，在空間具有6個自由度，它可以保證輸電塔模型在整個結構上的一致性，能較好地反映輸電塔結構的實際受力特點，因此采用BEAM188單元模擬輸電塔的角鋼構件[4]，圖1是輸電塔結構的有限元模型。

2 輸電塔風荷載數值模擬

2.1 風速時程模擬

3.2 瞬態動力響應分析

瞬態動力分析也稱為時間歷程分析，其分析方法有完全法、縮減法和模態疊加法，其中完全法采用完整的系統矩陣計算瞬態響應，可在幾何模型上施加所有類型的荷載，可考慮各種類型的非線性特性，一次分析就能得到結構所有的位移和加速度等動力特征值[7]，本文的瞬態動力分析采用完全法。本文只對輸電塔結構進行分析，不考慮基礎的變形，故將輸電塔與基礎的連接看成固定支承[8]，在進行動態分析時將它們連接處節點的6個自由度全部約束。

通過ANSYS軟件中的APDL技術將風荷載加載到輸電塔模型上，進行動力響應時程分析[9]，最終得到輸電塔結構中心節點的位移和加速度時程，分別如圖7、圖8所示，同時繪出輸電塔結構沿著高度方向的位移均值和加速度均方根變化曲線，分別如圖9、圖10所示。

由輸電塔在風荷載作用下位移和加速度時程圖可以看出，輸電塔在節點5處的最大位移為67mm，最大加速度為209mm/s2，由輸電塔的位移均值和加速度均方根隨高度變化曲線圖可以看出，輸電塔在風荷載作用下，其位移均值和加速度均方根沿高度均不斷增大，整體表現為彎曲變形。輸電塔結構的最大位移出現在其頂部位置，這與輸電塔由鋼質構件組成的情況相符合;輸電塔結構位移時程曲線與風荷載時程曲線變化趨勢基本相同，說明輸電塔的變形在其組成材料的彈性變形范圍之內。

4 結論

本文以某大跨越輸電塔為研究對象，模擬了輸電塔各段中心節點處風速時程，得到了各段中心節點上的風荷載時程樣本，對輸電塔結構在風荷載作用下的風振響應作了分析，得到了以下結論：①采用線性濾波法中的自回歸模型模擬輸電塔各段中心節點處脈動風速時程，其功率譜曲線與目標風速Kaimal譜曲線趨勢是一致的，吻合程度較好，說明本文采用的模擬方法以及模擬過程中選取的參數都是合理有效的。②輸電塔結構的風振響應分析表明，在風荷載作用下它的位移和加速度的最大值均出現在結構的頂部，整體表現為彎曲變形，在風荷載作用下，隨著高度的增加，輸電塔動力響應的位移均值及加速度均方根逐漸增大。

參考文獻：

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