福建沿海輸電桿塔臺風作用分析研究

池金明

(中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

由于臺風瞬時性與多變性，其受力性能與設計方法也必然不同于普通常規大風工況，輸電桿塔抗臺風，其受力性能與設計理論方面的研究非常有限，國內架空線路桿塔結構設計大都集中于常規風載作用方面，對臺風受力研究則相對較少。

為進一步完善沿海輸電線路工程防臺風設計，本文擬以廈門“莫蘭蒂”臺風期間倒塔嚴重的220kV線工程(起自李林220kV變電站，止于廈門西220kV變電站)中一種典型220kV單回路直線塔ZM2為研究對象，建立有限元計算模型，研究結構的振型特征，分析不同時距臺風工況對桿塔結構的影響。

1 研究對象概況

2016年9月15日凌晨2點左右，1614號臺風“莫蘭蒂”正式登陸廈門，資料顯示該臺風為建國以來登陸閩南的最強臺風，中心附近最大風力17級。五緣灣大橋實測陣風達64.2m/s，平均風49.6m/s，遠遠超出廈門氣象站歷年最大風速系列所計算出的100年一遇風速值，也超出《建筑荷載規范》[1]中風壓換算得到的100年一遇風速值。

“莫蘭蒂”臺風重創廈門電網，廈門地區500kV及220kV架空輸電線路桿塔倒塔事故現場如圖1所示，塔頭或地線架破壞事故現場如圖2所示。表1為廈門220kV李西線架空輸電線路受損統計表。

該ZM2貓頭塔朝垂直線路方向倒塔，塔腿以上第3個節間主材彎曲失穩，交叉斜材扭曲、輔助材脫落，該節間以上至瓶口位置塔身主材、斜材嚴重失穩、扭曲，李西線3基直線塔貓頭曲臂位置主材失穩破壞，其余9基塔發生鐵塔整體破壞，臺風事故塔型均為扁型懸垂型桿塔。

表1 廈門220kV架空輸電線路受損統計表

圖1 ZM2倒塔事故現場照片圖

圖2 塔頭破壞事故現場照片圖

2 振型分析

采用Midas結構分析軟件對桿塔ZM2(呼高33m，全高40m，塔腿主材規格Q345L125×10)進行數值建模和動力特性分析。桿塔前六階的自振周期如表2所示。有限元模型如圖3所示，桿塔單線圖如圖4所示，各階振型如圖5所示。

一階振型 二階振型 三階振型 四階振型 五階振型 六階振型圖5 一～六階陣型圖

表2 桿塔ZM2自振周期及振型表

圖3 有限元模型 圖4 單線圖

通過圖5一～六階陣型可以看出：

該工程ZM2整體前三振型分別為Y向的彎曲、X向的彎曲和繞Z向的扭轉，與多數輸電鐵塔的計算結果相類似。其中Y向一階與X向一階的振型頻率偏差較大，相差27%，說明該桿塔結構的Y向及X向剛度存在一定偏差。

該工程ZM2塔身采用扁塔設計，導致其順線方向剛度小于垂直線路方向剛度。我國早期懸垂型桿塔身多數采用扁塔設計，該方案偏向理想化，認為桿塔最不利風向角為90°，而0°和其他斜向風對桿塔影響相對較小。通常情況下，這種扁塔設計可滿足工程安全可靠要求，然而在極端臺風工況作用下，扁塔設計導致抗風能力偏弱，過載能力相對較低。

3 桿塔應力分析

該工程ZM2貓頭塔原設計基本風速為33m/s，臺風“莫蘭蒂”登陸廈門時風力強度為15級(50m/s)，陣風最大達到17級(70m/s)。距220kV李西線倒塔最近杏林氣象站測得極大風速(3s平均風速最大值)為46.8m/s、 10min平均風速24.3m/s。因此分別以10min平均風速、3s平均風速最大值進行校驗。

(1)選取24.3m/s(離地10m高，10min平均風速)作為倒塔事故點平均風速。驗算采用現行標準《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》(DL/T 5154-2012)[2]。

圖6-a為24.3m/s(10min平均風速)大風工況桿件應力分布情況。驗算結果表明：在離地10m高，10min平均風速24.3m/s作用下，ZM2貓頭塔全塔構件應力均沒有超限，且臺風“莫蘭蒂”10min平均風速小于本線路設計風速，故桿塔可安全運行，這與實際倒塔情況相違背。

(2)選取46.8m/s(離地10m高，3s時距風速)作為倒塔事故點平均風速。為了體現臺風陣風的影響，此處計算采用美國規范《ASCE 74-2009》[3]、《ASCE 10-97》[4]進行計算分析。

圖6-b為46.8m/s(3s平均風速)大風工況桿件應力圖，驗算結果表明：在46.8 m/s(3s平均風速)作用下，應力超限構件主要分布在桿塔頭部以及塔身變坡下段主材。應力圖放映了在臺風作用桿塔容易發生兩種破壞形態：一是塔頭局部破壞；二是身部多段應力超限導致整體屈曲倒塔。

(a)10min平均風速 (b)3s平均風速圖6 不同時距臺風工況桿件應力圖

其中身部第④主材應力比達到114%，為桿塔最薄弱環節，在強臺風作用下，最先發生屈服破壞，進而引發其他相連構件連續屈服；由于塔身第⑥段主材裕度大，且其上端設有隔面，局部剛度較大，連續破壞止于第⑥段主材上端。該結論與實際倒塔情況一致。

(3)臺風在空間各點產生的風力強度、矢量方向不盡相同，具有顯著的陣風效應。同時，桿塔使用條件及檔內地形地貌也存在差異。我國目前的設計體系以10min平均風速為基本的輸入參數，雖通過陣風系數修正，仍無法模擬臺風的多變性、瞬時性。

4 桿塔防風改造

對于福建沿海已建輸電線路，尤其是沿海至第一重山嶺間不滿足抗臺風要求設計的直線桿塔，可通過加固角鋼拼接在原主材角鋼外側形成十字形組合角鋼構件，如圖7所示，這種外拼接加固防風改造方法在不停電和無需卸負荷的前提下，增加鐵塔強度，抗風改造方便、降低施工難度、減少投資、縮短工程建設周期。

根據主材段規格選定同規格外拼接角鋼。所選定被加固主材的雙肢新增螺栓開孔與所述外拼接角鋼的雙肢開孔尺寸及位置均相互對齊、新增螺栓開孔應和選定的主材段螺栓、橫撐角鋼連接接頭相互錯開。把所述外拼接角鋼通過中間填板拼接在所選定的已建鐵塔主材的兩肢上，并利用緊固螺栓固定安裝，形成雙軸對稱十字形截面組合構件形式，如圖8所示。

圖8 輸電線路鐵塔外拼接角鋼加固組裝圖

ZM2外拼接角鋼加固后桿塔抗風能力計算分析。選取倒塔事故點平均風速46.8 m/s(離地10m高，3s時距風速)。圖9 為ZM2外拼接角鋼加固后應力圖，圖中全塔主材滿應力均在70%以下，部分塔身超限構件可直接通過更換補強使其滿足抗風要求。圖10為李西線桿塔外拼接角鋼加固改造現場照片。

圖9 ZM2外拼接角鋼加固后應力圖

圖10 李西線桿塔外拼接角鋼加固現場圖

5 結論

(1)扁塔XY向剛度分布不均，抗風能力偏弱，過載能力相對較低，容易發生屈曲破壞，沿海抗風設計不可采用扁塔形式。

(2)我國設計體系以10min平均風速為基本的輸入參數，不適用于桿塔防臺風設計。

(3)福建沿海桿塔抗臺風能力校驗推薦采用3s瞬時風體系進行防風設計校驗。

(4)對于福建沿海已建輸電線路，尤其是沿海至第一重山嶺間不滿足抗臺風要求設計的直線桿塔，可通過加固角鋼拼接在原主材角鋼外側形成十字形組合角鋼構件，以提高鐵塔抗風強度。

參考文獻

[1] GB50009-2012建筑結構荷載規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[2] DL/T 5154-2012架空輸電線路桿塔結構設計技術規定[S].北京:中國計劃出版社,2012.

[3] ASCE74-2009 Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading (Third Edition)[S]．2009.

[4] ASCE 10-97 Design of Latticed Steel Transmission Structures[S]．1997.