導線對輸電塔線體系風致響應的影響

劉乾

(湖北省電力裝備有限公司，武漢 430060)

1 引言

輸電桿塔和導線共同構成的塔線體系是輸電線路的核心架構[1]，塔線體系的安全穩定性電力系統的安全穩定性息息相關。塔體一般采用鋼材的格構式結構建成，符合桿塔輕質高柔的特殊要求，在保證堅固穩定的同時盡量減少耗材，也正因此增加了桿塔對風荷載的敏感性[2]。大風災害會導致桿塔結構產生嚴重的風致響應，塔身局部鋼構件容易發生明顯的變形，嚴重時甚至斷裂[3]。導線具有明顯柔性特性，導線在風荷載的影響下表現出非線性幾何特性使塔線體系在風荷載作用下的響應特征變得更加復雜[4]。

隨著遠距離超高壓及特高壓輸電技術的發展，在實際工程中，塔身越來越高，檔距也越來越大，塔線體系的抗風性能更顯得尤為重要[5]，對此，本文通過研究和分析導線對塔線體系受到最不利風向的影響，為輸電塔線體系風致響應提供一定的理論參考。

2 有限元方法簡介

在解決復雜的結構工程時，通常采用有限元的方法，有限元方法顧名思義是將連續區域的計算對象有限的劃分成大量微小單元進行逼近計算的方法，在進行實際計算時，計算對象并非實際工程中的機械結構，而是由同類材料構成的多個微小單元[6]。然后依據每個單元的結構特性近似求解，進一步獲得由每個單元組成的整體特征，最后加以邊界條件，逐個得到各單元的響應值。

相對于其他分析方法，有限元分析法適應性比較好，特別適用于分析多物理場與幾何條件耦合的復雜問題，在復雜的幾何模型下求解結構力學問題優勢明顯，以至于如今普遍使用的結構力學分析應用軟件均建立在有限元分析方法的基礎上[7]。

3 導線對塔體響應最不利風向的影響

3.1 導線檔距對最不利風向分析的影響

建立無導線和有導線且檔距分別為300m、600m及800m的塔體模型，利用有限元分析方法計算模型最大主材軸力和最大位移響應，結果如圖1和圖2所示。

圖1 最大主材軸力

圖2 最大位移響應

根據上圖的結果，對比有導線和無導線的風致響應情況，塔線體系的主材軸力和最大位移響應明顯比無導線的塔體模型大，由此說明，導線增加了塔體的風致響應。在塔線體系中，導線檔距越大，塔體主材軸力和塔體結構位移的最值會進一步增大，但當風向沿著導線的方向時，即90°時，導線對塔體風致響應的影響達到最小化。

此外，在檔距較大的塔線體系中，塔線體系的最不利風向大致出現在與導線垂直的橫向風。在大檔距輸電線路的實際工程中，應重點關注橫向風對塔線體系的影響。

3.2 導線轉角對最不利風向分析的影響

建立固定檔距不同轉角的塔線體系模型，設置檔距為300m，轉角分別為 0°、10°、20°和 30°。 利用有限元分析方法計算模型最大主材軸力和最大位移響應，結果如圖3和圖4所示。

圖3 最大主材軸力

圖4 最大位移響應

由上圖可知，對比有轉角和無轉角的塔線模型，無轉角模型下，塔體的風致響應曲線以90°為中心線對稱；有轉角的模型中，其主材軸力和最大位移響應隨不同風向的變化出現不同的特征，且不對稱。對比不同轉角的塔線模型，當風向處于30°至180°間時，轉角越大，塔線體系的風致響應越大。

當風向處于0°至30°間時，導線轉角與系統風致響應關系曲線呈現不同的變化規律。對比風向角為0°時塔體迎風側和背風側的主材軸力，其結果如圖5所示。

圖5 主材軸力

根據圖5可知，轉角逐漸增大的過程中，導線與風荷載的抵消作用先慢慢增大，塔體主材軸力開始減小，當轉角增加至30°后，導線對塔體的影響明顯大于風荷載的影響，之后轉角越大的系統，塔體主材軸力響應越大。

基于上述分析，塔體風致響應受到塔線轉角的影響比較大，在有導線轉角系統的最不利風向分析中，需考慮轉角外側角平分線附近風荷載作用下的風致響應特性。

4 結論

本文重點關注在不同風向下塔線體系的風致響應特性，通過有限元分析方法，分別建立無導線的塔體模型、不同檔距的塔線體系以及不同轉角的塔線模型，仿真計算不同風向影響下塔線體系的響應特性。結果說明，轉角對塔線體系的風致響應的影響較大，轉角偏大的模型下，導線對系統的影響要明顯大于風荷載的作用。另外，由于導線與風荷載作用的疊加，有轉角的塔線體系的最不利風向出現在靠近導線外側角角平分線的位置，工程實際中，需考慮有轉角的塔線體系外側角平分線附近風向的作用影響。