轉(zhuǎn)角輸電塔線體系臺風風致響應

葛永慶,吳 炅,安利強,王璋奇

(華北電力大學 機械工程系,河北 保定 071003)

輸電線路面臨臺風等極端惡劣天氣時,其安全性將遭受嚴峻考驗.據(jù)統(tǒng)計,2014年超強臺風“威馬遜”造成海南電網(wǎng)35 kV及以上輸電線路跳閘117條,倒塔27基,給當?shù)仉娋W(wǎng)帶來了超過10億元的損失[1].耐張型轉(zhuǎn)角輸電鐵塔作為肩負線路轉(zhuǎn)角、承受線路不平衡張力、防止連續(xù)倒塔事故等重大責任的鐵塔,保證其安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要.因此,開展臺風作用下轉(zhuǎn)角塔線體系風致響應研究,掌握臺風對轉(zhuǎn)角塔受力的影響規(guī)律,對于提高耐張型轉(zhuǎn)角鐵塔的安全性及沿海地區(qū)輸電線路防風能力具有十分重要的意義.

目前,對于塔線體系風致響應的研究,國內(nèi)外學者主要采用有限元數(shù)值模擬、風洞試驗以及現(xiàn)場實測方法[2].最早Ozono等[3]開始采用有限元方法,研究輸電線路中塔線檔距、導線質(zhì)量、邊界條件等對風致動力響應和塔線耦合作用的影響.Yasui等[4]建立塔線體系的桁梁混合模型,從時域角度進行了風致動力響應特性分析,提出了輸電塔和導線氣動阻尼的計算方法.考慮惡劣風況下常伴隨著強降雨,Fu等[5-6]研究了風雨載荷共同作用下輸電塔線體系的動態(tài)響應,提出等效基本風速的概念簡化復雜的風雨載荷計算,并基于此進行風雨載荷作用下倒塔失效分析,指出雨水附著導線造成其截面的改變會對其氣動阻尼系數(shù)造成影響,明顯增大塔線體系的載荷效應.不同于普通的良態(tài)風場,臺風湍流強度大、風速大且變異性強[7].考慮臺風的脈動性,宋亞軍等[8]利用諧波疊加法生成研究點風速時程,對塔線體系進行脈動風速響應分析,通過研究塔線位移、主材軸力分布,探究塔線體系耦合作用的影響.樓文娟等[9-10]以沿海地區(qū)某輸電塔為分析模型,通過諧波疊加模擬了B類風場和臺風風場下輸電塔處的風速,同時結(jié)合風洞試驗,研究兩種風場下輸電塔的動態(tài)特性規(guī)律和差異.

上述研究對于輸電線路抗風設(shè)計具有很好的指導意義,但研究對象主要以直線型塔線體系為主,對于轉(zhuǎn)角塔線體系風致響應的研究十分有限,未能體現(xiàn)轉(zhuǎn)角輸電塔受力的特點.因此,綜合考慮線路轉(zhuǎn)角以及臺風強度大且風向不斷變化對轉(zhuǎn)角塔受力的影響,本文模擬臺風“威馬遜”登陸時刻寶邑Ⅱ線位置處的脈動風速以及登陸過程風向的變化,建立轉(zhuǎn)角塔線體系有限元模型,通過對其施加模擬所得脈動風荷載和不同方向臺風靜態(tài)荷載,研究臺風脈動特性以及風向變化特點對轉(zhuǎn)角塔受力的具體影響.

1 臺風數(shù)值模擬

1.1 臺風“威馬遜”反演

2014年7月18日15:30,臺風“威馬遜”于我國海南省文昌市登錄,選取其中7月18日05時—7月19日03時期間22 h的臺風“威馬遜”的關(guān)鍵參數(shù),利用YanMeng風場[11]求解“威馬遜”期間海南省文昌市寶邑Ⅱ線位置10 m高度處10 min平均風的風場信息,并繪制圖1所示風速風向玫瑰圖.圖1中,圓周上0°～360°表示風向與正東方向的夾角,左側(cè)坐標軸表示對應點風速的大小.

圖1 “威馬遜”期間寶邑Ⅱ線風速風向圖Fig.1 Distribution of wind speed and wind direction of

從圖1中可以看出：在整個模擬區(qū)間內(nèi),寶邑Ⅱ線處風速呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,且風向沿逆時針方向變化了將近186°,其中在7月18日14:40,平均風速達到峰值44.47 m/s,風向與正東方向夾角為272°.此外,“威馬遜”登陸時刻(7月18日15:30)風向角為285°,與38#～40#線路走廊夾角為90°,對應平均風速為42 m/s.該圖描述了臺風“威馬遜”期間寶邑Ⅱ線處風速大且風向不斷變化的綜合特性,該特性將對轉(zhuǎn)角塔線體系的安全性帶來嚴重的影響.

1.2 臺風脈動風速模擬

考慮臺風高強度、高變異和高湍流的特性,進行轉(zhuǎn)角塔線體系風致響應分析時,在模擬所得“威馬遜”登陸期間寶邑Ⅱ線位置處變平均風速的基礎(chǔ)上,采用基于快速傅里葉變換的諧波疊加法，進行了脈動風速時程模擬.本文脈動風速譜采用石沅臺風風譜[12],其經(jīng)驗公式為

(1)

此外,對于輸電鐵塔,由于其本身垂向跨度大且兩基鐵塔間橫風向距離通常大于100 m,故可僅考慮風場垂向的空間相關(guān)性,對應相干函數(shù)為[13]

(2)

對于輸電線來說,由于其橫風向跨度大且有一定的弧垂,故應同時考慮風場垂向和橫風向的空間相關(guān)性,對應相干函數(shù)為

Cohij(w)=

(3)

式中:y，z分別為模擬點的橫向和垂向坐標;Cy，Cz分別為兩個方向的衰減系數(shù),分別取值16和10.

結(jié)合上述脈動風速譜以及相干函數(shù),對本文研究轉(zhuǎn)角塔線體系中的111個模擬點在臺風“威馬遜”登陸時刻的順風向脈動風速時程進行同步模擬.選取模擬39#輸電鐵塔塔頂高度處的脈動風速時程曲線及其功率譜密度曲線,如圖2所示.

圖2 塔頂處風速時程及功率密度曲線Fig.2 Wind speed and power density curve

2 理論分析及建模

2.1 轉(zhuǎn)角塔受力分析

耐張型轉(zhuǎn)角塔除了承受自身重力及風荷載之外,還要同時承受導地線重力以及附加橫向水平荷載(角度荷載)和縱向水平荷載(不平衡張力),且由于轉(zhuǎn)角前后兩檔導地線與風向之間夾角β的不同,將對轉(zhuǎn)角塔所受導地線水平荷載產(chǎn)生復雜的影響.

圖3 輸電線路轉(zhuǎn)角Fig.3 Diagram of transmission line with angle

由于轉(zhuǎn)角塔的橫擔方向為線路轉(zhuǎn)角的角平分線,造成兩種情況下轉(zhuǎn)角塔導地線掛點處X(線路方向)和Y(垂直線路方向)所受水平荷載不同.考慮導地線風荷載W1和W2、導地線張力T1和T2,兩種形式轉(zhuǎn)角塔所受X,Y方向?qū)У鼐€水平荷載可計算如下(小號側(cè)為1,大號側(cè)為2).

逆風向轉(zhuǎn)角:

(1) 0≤θ≤90°-α

(4)

(2) 90°-α≤θ≤90°

(5)

(3) 90°≤θ≤180°-α

(6)

(4) 180°-α≤θ≤180°

(7)

順風向轉(zhuǎn)角:

(1) 0≤θ≤α

(8)

(2)α≤θ≤90°

(9)

(3) 90°≤θ≤90°+α

(10)

(4) 90°+α≤θ≤180°

(11)

式(4)～式(11)中:W1X,W1Y和W2X,W2Y分別為轉(zhuǎn)角塔兩側(cè)導地線風荷載沿X,Y軸正向的分量,其大小可根據(jù)文獻[14]計算.

同時,由式(12)和式(13)可知,線路轉(zhuǎn)角α還會導致轉(zhuǎn)角前后兩檔導地線β以及無冰風壓比載γ不同,進而影響導地線應力σ,最終造成張力T1和T2之間的差異并影響轉(zhuǎn)角塔的受力,即

式中:β為風向與導地線的夾角;αf為風速不均勻系數(shù);d為導地線外徑,mm;c為風載體型系數(shù);Wv為基本風壓,Pa;A為導地線的截面積,mm2;σ2,σ1為兩種狀態(tài)下導地線弧垂最低點的應力;γ2,γ1為兩種狀態(tài)下導地線比載;t1,t2為兩種狀態(tài)下溫度;l為該檔導地線檔距;αc,Ec為導地線的溫度膨脹系數(shù)和彈性系數(shù).

通過上述理論分析可知,轉(zhuǎn)角塔所受導地線水平荷載在X,Y方向分量均與線路轉(zhuǎn)角α密切相關(guān).由于逆風向轉(zhuǎn)角輸電線路中導線張力在水平方向分量抵消部分水平風荷載,而相應順風向轉(zhuǎn)角會增大水平荷載,故逆風向轉(zhuǎn)角線路中的轉(zhuǎn)角塔受力比對應順風向線路中的轉(zhuǎn)角小.同時,線路轉(zhuǎn)角α和風向角θ之間的關(guān)系也會影響轉(zhuǎn)角塔受力,具體影響應通過轉(zhuǎn)角塔線體系風致響應進行研究與分析.

2.2 轉(zhuǎn)角塔線體系建模及加載

建立寶邑Ⅱ線中37#～39#轉(zhuǎn)角塔線體系有限元模型,如圖4所示.

圖4 逆風向15°轉(zhuǎn)角塔線體系有限元模型Fig.4 Finite element model of tower-line system with upwind angle of 15°

導線型號為JL/LB1A-240,地線型號為JLB23-50.其中,37#與39#塔為直線塔,38#為耐張型轉(zhuǎn)角塔,線路走廊自西向東,如圖4所示.結(jié)合圖1所示寶邑Ⅱ線處風速風向信息,超強臺風“威馬遜”登陸時刻,線路轉(zhuǎn)角為逆風向轉(zhuǎn)角,大小為-15°,且風向與線路轉(zhuǎn)角前后夾角分別為75°和90°.同時,考慮順、逆風向轉(zhuǎn)角對轉(zhuǎn)角塔受力的影響,建立相應順風向15°轉(zhuǎn)角塔線體系共同進行研究.

根據(jù)臺風風場數(shù)值模擬結(jié)果,按照文獻[14]計算該轉(zhuǎn)角塔線體系所受導地線風荷載和塔身風荷載,并對順、逆風向15°轉(zhuǎn)角塔線體系有限元模型施加靜態(tài)荷載以及臺風脈動荷載,進行轉(zhuǎn)角塔線體系臺風風致響應研究.同時，結(jié)合2.1節(jié)理論分析,考慮臺風“威馬遜”風向不斷改變的特性,對兩種轉(zhuǎn)角塔線體系模型施加不同方向的臺風靜態(tài)風荷載(對應風速42 m/s),研究風向?qū)D(zhuǎn)角塔受力的影響.

3 轉(zhuǎn)角塔線體系風致響應分析

3.1 臺風脈動特性對轉(zhuǎn)角塔受力影響

圖5為臺風“威馬遜”登陸時刻,逆風向15°轉(zhuǎn)角塔線體系(寶邑Ⅱ線實際走廊)以及順風向15°轉(zhuǎn)角塔線體系中38#轉(zhuǎn)角塔單元1對應主材軸力響應時程,對應極值分別為-521.6和-919.1 kN.同時,將轉(zhuǎn)角塔不同高度處迎風側(cè)以及背風側(cè)主材(見圖4中，38#塔第1節(jié)間中1號主材單元)，在脈動風作用下，軸力極值列于表1中,拉力為正,壓力為負.

圖5 38#塔1單元軸力響應時程Fig.5 Time-history of the axial force in element 1 of tower 38#

表1 38#塔不同高度主材軸力極值Tab.1 Extreme axial force of leg members at different

從圖5中可以看出：受臺風風速脈動特性以及整檔導線風速分布不均的影響,本文研究轉(zhuǎn)角塔線體系中轉(zhuǎn)角塔主材軸力隨風速不斷變化.對于逆風向轉(zhuǎn)角15°線路中的轉(zhuǎn)角塔,上述臺風特性將導致其所受水平荷載不斷變化,其背風側(cè)主材存在兩種受力情況:Y方向水平風荷載主導的壓力以及X方向不平衡張力主導的拉力;對順風向轉(zhuǎn)角15°線路中的轉(zhuǎn)角塔,受線路轉(zhuǎn)角的影響,其背風側(cè)主材受力主要為Y水平方向風荷載主導的壓力.

從表1中可以看出：逆風向轉(zhuǎn)角塔線體系中轉(zhuǎn)角塔受力小于順風向轉(zhuǎn)角塔線體系中轉(zhuǎn)角塔,證實了2.1節(jié)中的理論分析,即由于導線張力在水平方向分量抵消了部分風荷載,減小了逆風向轉(zhuǎn)角線路中轉(zhuǎn)角塔受力.在臺風脈動風荷載作用下,逆風向15°轉(zhuǎn)角塔線體系中轉(zhuǎn)角塔主材軸力極值為相應順風向15°的56.8%.

3.2 臺風風向?qū)D(zhuǎn)角塔受力的影響

考慮臺風在登陸過程中風向不斷變化的特點,通過對順、逆風向15°轉(zhuǎn)角塔線體系施加風向θ在0°～180°(間隔15°,正東方向為0°)變化對應的靜態(tài)臺風風荷載,研究寶邑Ⅱ線中轉(zhuǎn)角塔線體系在全方位風向作用下的風致響應.其中,各個風向下輸電鐵塔以及導線風荷載的分配系數(shù)如文獻[15].

圖6和圖7分別為在不同風向臺風靜態(tài)荷載作用下,順、逆風向15°轉(zhuǎn)角塔線體系中38#轉(zhuǎn)角塔1～4號單元主材軸力變化.從圖6和圖7中可以看出：隨著風向不斷變化,轉(zhuǎn)角塔主材軸力在受力形式(拉、壓)和最大值均發(fā)生相應變化.

從輸電鐵塔結(jié)構(gòu)安全角度出發(fā),定義使其主材軸力達到最大值的風向角為塔線體系最不利風向,故從圖6和圖7中可以看出:轉(zhuǎn)角輸電線路的最不利風向并非垂直線路90°方向,對于順風向15°轉(zhuǎn)角輸電線路,其最不利風向為與轉(zhuǎn)角后夾角105°;對于逆風向15°轉(zhuǎn)角輸電線路,其最不利風向為與線路轉(zhuǎn)角后夾角30°.

圖6 順風向轉(zhuǎn)角15°轉(zhuǎn)角塔主材軸力隨風向變化規(guī)律Fig.6 Variation of axial force in leg members of angle

圖7 逆風向轉(zhuǎn)角15°轉(zhuǎn)角塔主材軸力隨風向變化規(guī)律Fig.7 Variation of axial force in leg members of angle

將各方向臺風靜態(tài)荷載作用下順、逆風向15°轉(zhuǎn)角塔線體系中轉(zhuǎn)角塔軸力最大值列于表2中.由表2中可知：在各個風向臺風靜態(tài)荷載作用下,順風向15°轉(zhuǎn)角線路中轉(zhuǎn)角塔主材軸力均大于逆風向15°轉(zhuǎn)角線路中相應軸力,且在風向角為90°時達到399.9%.該結(jié)果與2.1節(jié)分析一致,表明線路轉(zhuǎn)角α與風向β間關(guān)系對轉(zhuǎn)角塔受力有嚴重的影響.

表2 各方向臺風靜態(tài)荷載作用下38#塔主材軸力最大值Tab.2 Maximum axial force of leg members in tower

4 結(jié)論

本文重點研究臺風風速脈動特性以及風向變化特點對轉(zhuǎn)角塔受力的影響,所得結(jié)論如下:

(1) 逆風向轉(zhuǎn)角輸電線路中導地線張力在水平方向分量會抵消部分水平風荷載,從而減小轉(zhuǎn)角塔整體受力;順風向轉(zhuǎn)角線路中導地線張力則會增大水平荷載以及轉(zhuǎn)角塔整體受力.

(2) 90°風向臺風脈動風荷載作用下,轉(zhuǎn)角塔主材軸力隨風速不斷變化,逆風向15°輸電線路中轉(zhuǎn)角塔主材軸力極值為-521.6 kN,為對應順風向15°極值-919.1 kN的56.8%.

(3) 各風向臺風靜態(tài)荷載作用下,順風向15°轉(zhuǎn)角線路中轉(zhuǎn)角塔主材軸力最大值均大于逆風向15°轉(zhuǎn)角線路中相應軸力最大值,且相對百分比最大可達399.9%.

(4) 轉(zhuǎn)角輸電線路最不利風向并非垂直線路90°方向,對于順風向15°轉(zhuǎn)角輸電線路,其最不利風向為與轉(zhuǎn)角后夾角105°;對于逆風向15°轉(zhuǎn)角輸電線路,其最不利風向為與線路轉(zhuǎn)角后夾角30°.