沿海強(qiáng)風(fēng)區(qū)高柔鐵塔偶聯(lián)動(dòng)力特性分析

張志強(qiáng)

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司湛江供電局,湛江 524005)

輸電鐵塔作為重要的電力基礎(chǔ)設(shè)施，跨越高山大河，長(zhǎng)期在野外復(fù)雜環(huán)境下服役[1-3]。近年來(lái)多發(fā)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)覆冰等惡劣自然災(zāi)害，我國(guó)發(fā)生了不少輸電鐵塔損傷破壞的事故，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失，給社會(huì)和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的后果[4]。因此，開(kāi)展輸電鐵塔的性能分析和評(píng)估具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外研究表明，由于導(dǎo)線與塔架的相互作用，輸電塔線體系形成了復(fù)雜的空間耦聯(lián)振動(dòng)體系，導(dǎo)線對(duì)桿塔的動(dòng)力特性造成了一定程度影響。因此，掌握輸電塔線體系的偶聯(lián)動(dòng)力效應(yīng)，對(duì)評(píng)判鐵塔的性能是極為必要的。基于此，文中采用非線性有限元方法研究了某高柔輸電鐵塔體系的塔線偶聯(lián)動(dòng)力特性問(wèn)題，考察了導(dǎo)線對(duì)鐵塔自振特性的影響程度。

1 輸電塔線體系力學(xué)模型

基于有限元理論，輸電鐵塔在整體坐標(biāo)系下質(zhì)量矩陣Mt和剛度矩陣Kt可表示為[5]

(1)

(2)

輸電線通常可采用索單元進(jìn)行模擬，其剛度矩陣Kc可通常由線性剛度矩陣和非線性剛度矩陣所組合得到。進(jìn)一步的組合鐵塔和輸電線的剛度矩陣可得輸電塔線體系的整體矩陣

(3)

(4)

式中，nc為塔線體系中導(dǎo)線的數(shù)量；M為輸電塔線體系的總質(zhì)量矩陣；K為輸電塔線體系的總剛度矩陣。

2 動(dòng)力特性分析方法

輸電塔線體系在外荷載作用下的運(yùn)動(dòng)方程可表示為

(5)

式中，x為塔線體系節(jié)點(diǎn)位移矩陣；M為塔線體系整體質(zhì)量矩陣；C為塔線體系整體阻尼矩陣；K為塔線體系整體剛度矩陣；P為整體坐標(biāo)系下的外荷載向量。

在計(jì)算塔線體系動(dòng)力特性時(shí)可不考慮外荷載向量，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)阻尼對(duì)固有頻率影響很小，故在求解時(shí)可忽略阻尼的影響。則結(jié)構(gòu)的無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程為

(6)

(7)

通過(guò)求解上述特征方程可以得到輸電塔線體系的頻率和振型。

3 算例研究

某220 kV鼓型輸電塔位于廣東南部沿海地區(qū)，塔呼高為59 m，塔總高度為77 m。塔身平面形狀為正方形，兩端的導(dǎo)線擋距均分別為440 m和490 m。該塔共有4個(gè)橫擔(dān)，輸電線分為4層，最上層為地線，余下3層為導(dǎo)線。兩邊各連導(dǎo)線6相，導(dǎo)線型號(hào)為2×LGJQRe-300。地線2根，型號(hào)為GJ-50。桿塔材料為Q235和Q345鋼，彈性模量Es=2.01×1011N/m2，密度ρ=7.85×103kg/m3，泊松比0.3，構(gòu)件截面為等肢角鋼。導(dǎo)線為L(zhǎng)GJQRe-300型絞線，地線為GJ-50型絞線。圖1為輸電鐵塔結(jié)構(gòu)示意圖。研究過(guò)程中將垂直于線路方向設(shè)為整體坐標(biāo)系的x軸(平面外方向)，順線路方向設(shè)為整體坐標(biāo)系的y軸(平面內(nèi)方向),沿塔高方向?yàn)閦軸。圖2為該耐張塔的有限元模型圖，該塔劃分為1 857個(gè)單元，685個(gè)結(jié)點(diǎn)。圖3為輸電塔線體系有限元模型。該文在此采用子空間迭代法求解輸電塔線體系的特征方程可得到體系的動(dòng)力特性。

表1給出了輸電塔線體系前8階自振頻率和振型特點(diǎn)。圖4給出了前8階振型圖。由表中結(jié)果可知，由于導(dǎo)線的偶聯(lián)效應(yīng)，輸電塔的振動(dòng)頻率發(fā)生了一定程度的變化，各階頻率變化幅度約為1%～10%。顯然該輸電塔線體系的偶聯(lián)振動(dòng)效應(yīng)較為顯著，輸電線對(duì)鐵塔的自由振動(dòng)產(chǎn)生了一定程度的抑制作用，特別是導(dǎo)線對(duì)鐵塔平面內(nèi)的振動(dòng)影響很大，平面內(nèi)第1階自振頻率增大了10%左右。因此在輸電塔線體系的動(dòng)力分析過(guò)程中，必須充分考慮塔線偶聯(lián)效應(yīng)的影響。

表1 輸電鐵塔動(dòng)力特性對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

該文研究了某高柔輸電鐵塔考慮塔線偶聯(lián)效應(yīng)的動(dòng)力特性。首先基于有限元方法建立了輸電塔的力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上形成了輸電塔線體系的有限元模型。以南部沿海地區(qū)某大跨度輸電塔為實(shí)際工程背景，研究了塔線偶聯(lián)振動(dòng)效應(yīng)。研究表明，輸電鐵塔的塔線偶聯(lián)效應(yīng)較為顯著，輸電鐵塔平面內(nèi)第1階自振頻率由于導(dǎo)線的影響而提高了約10%。因此在塔線體系動(dòng)力分析過(guò)程中應(yīng)充分考慮導(dǎo)線的影響。