浙東某地避雷針?biāo)惓Ｕ駝?dòng)問(wèn)題的分析

楊艷婷 馬益平 金權(quán) 周東杰 王樸炎 俞夢(mèng)迪

摘要：針對(duì)浙東地區(qū)某地一根避雷針在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)多次出現(xiàn)較大幅度振動(dòng)情況進(jìn)行了分析。本文驗(yàn)算了風(fēng)荷載下的結(jié)構(gòu)變形并計(jì)算了改避雷針結(jié)構(gòu)的固有頻率，探討了風(fēng)荷載下避雷針結(jié)構(gòu)變形超標(biāo)、偶然地震動(dòng)與地脈動(dòng)影響及脈動(dòng)風(fēng)導(dǎo)致的風(fēng)致振動(dòng)等情況的可能性。

Abstract： This paper analyzes the large amplitude vibration of a lightning rod in a certain time period in the East Zhejiang region. In this paper， the structure deformation under wind load is calculated， and the natural frequency of the structure of the lightning rod is evaluated， and the possibility of the deformation of the lightning rod structure under wind load， the influence of accidental vibration and ground pulsation and the wind-induced vibration caused by pulsating winds are discussed.

關(guān)鍵詞：避雷針;振動(dòng);風(fēng)荷載;固有頻率

Key words： lightning rod;vibration;wind load;natural frequency

中圖分類(lèi)號(hào)：TM862 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）10-0127-03

0 ?引言

雷電是一種劇烈的自然放電現(xiàn)象，聯(lián)合國(guó)將雷電引起的災(zāi)害列為十大自然災(zāi)害之一。最近20年以來(lái)，雷電電擊引起的人員傷亡事故和經(jīng)濟(jì)損失具有發(fā)生范圍廣、危害嚴(yán)重、社會(huì)影響大、頻次多等特點(diǎn)。雷電事故的危害程度僅次于滑坡塌方、暴雨洪澇，并成為第三大自然災(zāi)害[1]。雷電危害對(duì)如今社會(huì)各個(gè)方面的影響十分嚴(yán)重[2-4]，促使了社會(huì)各界高度關(guān)注防雷工程。

變電站的避雷針?biāo)c母線或變壓器等設(shè)備距離較小。如果避雷針?biāo)捎谝馔獍l(fā)生破壞甚至倒塌事故，輕則造成避雷效果失效，影響周邊電力設(shè)施運(yùn)行，重則導(dǎo)致電網(wǎng)事故，甚至造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，保證在役避雷針等避雷工程的可靠性具有十分重要的意義。

浙東地區(qū)某地變電站中一根避雷針?biāo)谝粋€(gè)時(shí)間段內(nèi)多次出現(xiàn)較大幅度振動(dòng)情況。工作人員在觀察到該現(xiàn)象后，立刻使用錄像設(shè)備對(duì)該現(xiàn)象就行了攝錄。經(jīng)業(yè)主單位組織設(shè)計(jì)人員和相關(guān)專(zhuān)家對(duì)該避雷針進(jìn)行實(shí)地考察并針對(duì)偶然振幅多大的現(xiàn)象討論分析后，認(rèn)為導(dǎo)致該現(xiàn)象可能原因主要有以下幾個(gè)：①平均風(fēng)荷載下避雷針撓度超限;②偶然地震動(dòng)、脈動(dòng)風(fēng)致振動(dòng)等其他因素導(dǎo)致的避雷針振幅超限。

為保證該地區(qū)在役避雷針的可靠性，最大程度降低因避雷針損壞導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，針對(duì)該避雷針設(shè)計(jì)進(jìn)行上述三方面的進(jìn)一步分析。避雷針設(shè)計(jì)圖紙如圖1所示。該避雷針采用單鋼管避雷針?biāo)Y(jié)構(gòu)，總體高度27m（不含針尖部分），截面為等邊八邊形，從上到下分為四段，采用變直徑鋼管，利用法蘭+螺栓進(jìn)行連接。各段的截面半徑自下而上分別為A段（管徑310～400mm，壁厚8mm），B段（管徑220～310mm，壁厚6mm），C段（管徑130～220mm，壁厚6mm），D段（管徑60mm，壁厚8mm）。

1 ?平均風(fēng)載作用下的撓度超限

本部分根據(jù)相應(yīng)規(guī)范（《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定（DL/T5457-2012）》）對(duì)該避雷針進(jìn)行驗(yàn)算。為保證計(jì)算精確度，采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行具體撓度計(jì)算。

1.1 驗(yàn)算依據(jù)：《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2012）》、《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定（DL/T5457-2012）》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）》。

1.2 規(guī)范的撓度限值：根據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定（DL/T5457-2012）》，驗(yàn)算標(biāo)高27m處最大風(fēng)工況條件下?lián)隙?撓度限值：27000/70=385.7mm。

1.3 風(fēng)荷載計(jì)算

查《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2012）》可知，基本風(fēng)壓：0.55kN/m2;地面粗糙度類(lèi)別：B類(lèi);風(fēng)振系數(shù)：βz=2.0。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，可以計(jì)算得知：標(biāo)高29.5m～30m：風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.412～1.42、體形系數(shù)μs=1.2、q=1.864～1.874kN/m2;標(biāo)高29.5m處：μz=1.412、μs=1.163、q=1.806kN/m2;標(biāo)高27m處：μz=1.372、μs=0.704、q=1.062kN/m2;標(biāo)高25m處：μz=1.34、μs=0.6、q=0.884kN/m2;標(biāo)高20m處：μz=1.25、μs=0.6、q=0.825kN/m2;標(biāo)高17.5m處：μz=1.20、μs=0.6、q=0.792kN/m2;標(biāo)高15m處：μz=1.14、μs=0.6、q=0.752kN/m2;標(biāo)高0～10m處：μz=1.00、μs=0.6、q=0.66kN/m2。

1.4 材料性能：密度7850kg/m3、彈性模量206kN/mm2、泊松比0.33

1.5 有限元計(jì)算參數(shù)：ABAQUS有限元計(jì)算軟件具有高效的工程數(shù)值模擬計(jì)算功能，具備完善的工程線彈性問(wèn)題解決方案，針對(duì)較大難度的非線性問(wèn)題分析也具有良好的精確度，能夠有效處理和輔助解決工程領(lǐng)域的很多實(shí)際問(wèn)題。

采用的計(jì)算單元類(lèi)型：C3D8R、按標(biāo)高0～27m建模，按風(fēng)荷載組合系數(shù)0.5，標(biāo)高0～27m處施加分布荷載，標(biāo)高27m處施加針尖部分傳遞的集中荷載（標(biāo)高27～29.5m）。

1.6 撓度計(jì)算結(jié)果：計(jì)算最大位移（標(biāo)高27m處）：360.4mm小于27000/70=385.7mm，滿足限值要求。

所以在規(guī)范規(guī)定的平均風(fēng)荷載驗(yàn)算情況下，該避雷針的變形符合要求。

2 ?偶然地震動(dòng)等其他因素導(dǎo)致的避雷針振幅超限

在排除了由于風(fēng)荷載導(dǎo)致的該避雷針偶然超標(biāo)的情況下，進(jìn)一步考慮該現(xiàn)象是由于偶然地震動(dòng)的影響，經(jīng)討論后考慮兩個(gè)方面：一是地震影響，二是地脈動(dòng)。

2.1 地震影響

經(jīng)查，在上述情況發(fā)生時(shí)間段內(nèi)，寧波地區(qū)及省內(nèi)并未發(fā)生地震，在臺(tái)灣花蓮縣附近海域發(fā)生若干次地震。

地震發(fā)生時(shí)，由于巖層斷裂釋放大量能量，以地震波的形式在地球內(nèi)部和地表傳播，導(dǎo)致地表巖層位移對(duì)建筑構(gòu)造物造成損傷。地震波主要包括體波和面波兩種形式。

體波包括P波和S波，其中P波為一種縱波，粒子振動(dòng)方向和波前進(jìn)方平行;S波是一種橫波，粒子振動(dòng)方向垂直于波的前進(jìn)方向。面波包括Love波和Rayleigh波，其中Love波的粒子振動(dòng)方向和波前進(jìn)方向垂直，但振動(dòng)只發(fā)生在水平方向上，沒(méi)有垂直分量;Rayleigh波粒子運(yùn)動(dòng)方式類(lèi)似海浪，在垂直面上，粒子呈逆時(shí)針橢圓形振動(dòng)。

在地震波產(chǎn)生后，隨著傳播的時(shí)間和距離增加，其振幅和波速會(huì)發(fā)生快速衰減。其中體波在傳播過(guò)程中會(huì)迅速消散，而面波衰減幅度較小且在消散之前會(huì)圍繞地球傳播數(shù)次甚至數(shù)日，故面波傳播距離遠(yuǎn)、影響時(shí)間久。

考慮到上述避雷針較大幅度振動(dòng)的情況集中出現(xiàn)在附近地區(qū)發(fā)生多次中強(qiáng)震的時(shí)間段內(nèi)，由于地震波傳播導(dǎo)致場(chǎng)地地震動(dòng)引起避雷針共振存在可能性。

2.2 地脈動(dòng)

地球表層任何地點(diǎn)，任何建筑物的地基，都在以微小的振幅不停的振動(dòng)著。這種振動(dòng)主要是由于自然振源（風(fēng)、雨、海浪、火山、交通等）引起的振幅為0.01～1μm、頻率為0.5～20Hz的微振動(dòng)波群在地表傳播引起的。通常將這種振幅不超過(guò)數(shù)微米，周期不超過(guò)1s的微幅振動(dòng)稱(chēng)為地脈動(dòng)。

地基、地表和地下的微動(dòng)可以反映出場(chǎng)地的狀況，這是因?yàn)橛筛鞣N振動(dòng)源所產(chǎn)生的波動(dòng)都具有各自的頻率，其波動(dòng)的傳播特征包含了地基的固有特性。目前研究表明，微動(dòng)波是由面波和體波組合而成的，周期為1s以下的地脈動(dòng)，主要反映了場(chǎng)地結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，與震源的關(guān)系不大。

上述避雷針發(fā)生較大幅度振動(dòng)的周期在0.5s左右，處在地脈動(dòng)的振動(dòng)周期范圍內(nèi)，兩者存在共振的可能性。但地脈動(dòng)的振幅只有數(shù)微米，單純的地脈動(dòng)不可能引起這種幅度共振。

2.3 脈動(dòng)風(fēng)致振動(dòng)的影響

在偶然地震和地脈動(dòng)導(dǎo)致的該現(xiàn)象的可能性外，還需要考慮脈動(dòng)風(fēng)對(duì)避雷針等高聳結(jié)構(gòu)的影響。

臺(tái)風(fēng)是我國(guó)浙東沿海地區(qū)的主要災(zāi)害性天氣之一，其影響區(qū)域集中、持續(xù)時(shí)間短、陣風(fēng)強(qiáng)度大、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)。臺(tái)風(fēng)登陸后會(huì)給影響區(qū)域帶來(lái)暴雨、大風(fēng)等災(zāi)害，其引起的大風(fēng)容易造成各類(lèi)建筑物破壞。特別是避雷針等高聳結(jié)構(gòu)，由于其固有頻率與脈動(dòng)風(fēng)卓越頻率接近且柔度較大，在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下容易由于脈動(dòng)風(fēng)致振動(dòng)效應(yīng)導(dǎo)致該類(lèi)結(jié)構(gòu)的破壞。因此對(duì)風(fēng)荷載下的驗(yàn)算，除了平均風(fēng)尚應(yīng)考慮脈動(dòng)風(fēng)的影響。

雖然在前文已經(jīng)驗(yàn)算過(guò)該避雷針結(jié)構(gòu)符合規(guī)范風(fēng)荷載下?lián)隙鹊囊螅芾揍樀燃?xì)長(zhǎng)高聳結(jié)構(gòu)除了在平均風(fēng)條件下的變形外，更容易受到脈動(dòng)風(fēng)的影響。所以本文通過(guò)計(jì)算該避雷針結(jié)構(gòu)的固有頻率來(lái)驗(yàn)證該現(xiàn)象是否是脈動(dòng)風(fēng)影響下的共振情況。

采用撓度計(jì)算中相同的有限元模型，計(jì)算了該結(jié)構(gòu)的固有頻率，其中前3階振型的固有頻率分別為：0.656Hz、2.58Hz、6.23Hz。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，該避雷針的固有頻率正好處于脈動(dòng)風(fēng)的振動(dòng)頻率范圍，在特定脈動(dòng)風(fēng)的影響下該避雷針結(jié)構(gòu)極有可能出現(xiàn)偶然的振幅過(guò)大現(xiàn)象。（圖6）

3 ?結(jié)論

①根據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定（DL/T5457-2012）》，驗(yàn)算標(biāo)高27m處最大風(fēng)工況條件下?lián)隙取Ｓ?jì)算得到標(biāo)高27m處最大位移為360.4mm，小于規(guī)范限制 27000/70=385.7mm，滿足要求。故可排除因撓度不符合要求導(dǎo)致上述避雷針較大幅度振動(dòng)情況。

②根據(jù)固有頻率計(jì)算結(jié)果，該避雷針結(jié)構(gòu)第二階振型固有頻率為2.58Hz。該計(jì)算結(jié)果與其振動(dòng)周期在0.5s左右的現(xiàn)場(chǎng)記錄結(jié)果相符。且該固有頻率處于地脈動(dòng)的振動(dòng)頻率范圍內(nèi)，所以該避雷針具有在地脈動(dòng)條件下發(fā)生共振的可能性。但地脈動(dòng)的振幅只有數(shù)微米，單純的地脈動(dòng)不可能引起這種幅度共振。

③考慮到地脈動(dòng)主要反映了場(chǎng)地結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，同時(shí)微動(dòng)理論認(rèn)為地震發(fā)生時(shí)的地震動(dòng)和地脈動(dòng)均受到場(chǎng)地固有振動(dòng)特性的支配。同時(shí)，上述避雷針較大幅度振動(dòng)的情況集中出現(xiàn)在附近地區(qū)發(fā)生多次中強(qiáng)震的時(shí)間段內(nèi)，所以?xún)蓚€(gè)因素有可能發(fā)生耦合作用導(dǎo)致該現(xiàn)象發(fā)生。

④同時(shí)，該避雷針結(jié)構(gòu)的固有頻率處在脈動(dòng)風(fēng)的振動(dòng)頻率范圍內(nèi)，在特定脈動(dòng)風(fēng)的影響下，該避雷針結(jié)構(gòu)有可能與脈動(dòng)風(fēng)發(fā)生共振，導(dǎo)致偶發(fā)的振幅過(guò)大現(xiàn)象。分析該情況，需要進(jìn)一步采用脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程曲線計(jì)算該避雷針結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)。

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