強風作用下高壓輸電塔破壞分析

袁剛

（國網冀北電力有限公司秦皇島供電公司,河北 秦皇島 066000）

輸電塔線體系是輸電線路的主干線，是高負荷電能輸送的載體，也是重要的生命線工程。與一般的工程結構相比，兼有高聳結構和大跨度結構的共同特點，對風荷載等災害荷載反應敏感，容易發生振動疲勞損傷和極端條件下的倒塌破壞。由于塔線體系輕質、高柔、小阻尼的特性，其風損和風毀在世界各地頻發，給各國帶來了巨大的經濟損失。因此，為保證塔線體系的安全性與可靠性，研究風荷載作用下各種因素對塔線體系動力響應的影響具有非常重要的現實意義。

塔線體系是由輸電塔、導地線、絕緣子串等組成的復雜空間耦聯體系，導地線的振動具有較強的幾何非線性及密集模態的特點，其動力行為對輸電塔的風振響應影響顯著。針對塔線耦聯效應對其動力響應的影響，國內外學者已經開展了大量的試驗研究與理論分析。通過五塔四線耦聯模型風洞試驗揭示了塔線耦聯體系的風荷載傳遞機制，研究表明導線及絕緣子的振動對輸電塔具有重要影響，隨著風速的增加，導線高階振型對振動能量的貢獻增大。對比了單塔與塔線體系完全氣彈模型在多個風向角、多級風速下的風洞試驗，發現塔線體系的風致振動具有非線性內共振的特點，導地線的存在使得塔線體系的位移和應力響應比單塔時的顯著增大。通過單塔和一塔雙線體系風洞試驗研究，得出輸電塔的響應可分解為共振響應與背景響應，通過分析塔線耦合作用對兩部分分量的影響，揭示了塔線體系的風振響應特性。兩種求解塔線耦聯體系在平面動力特性的計算模型，分析了塔線跨數、邊界條件、導線的質量和垂跨比對塔線體系在平面動力特性的影響，探討了塔線耦聯對輸電塔和導線振型的影響。提出了塔線體系多質點模型，利用能量原理建立了塔線體系動力分析方法，結合大量理論分析和試驗研究，提出了可供工程應用的塔線體系簡化抗震設計實用計算方法。提出了塔線體系非線性耦合振動的動力學模型，研究了導線的耦合振動特性和能量傳遞機理。張琳琳等研究了三塔兩線模型的風致動力響應，結果表明，塔線耦聯效應可使該輸電塔順風向動力反應較規范擬靜力分析明顯增加。大量的研究表明，塔線耦聯效應對塔線體系有重要影響，設計中不可忽略這種作用。

一、輸電塔有限元模型的建立

塔高46.95m，呼高40m。如圖1 所示，鐵塔由單角鋼用螺栓偏心連接而成，角鋼截面為“L”型，鐵塔輔材采用Q235 鋼，主材采用Q345 鋼，采用23 種不同截面規格角鋼，角鋼材料參數如表1所示。在有限元模擬軟件ABAQUS中，將鐵塔模型建立完成。

表1 角鋼材料參數 導出到

二、風場模擬

風荷載計算采用《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012)中規定的方法，如下式：

ωK=βZμSμZω0

ω0=v2/1 600

式中：ωK 為桿塔塔身或橫擔風荷載的標準值（KN）；βZ 為z 高度處的風振系數，取1.67；μS 為風荷載體型系數，取2.6；μZ 為風壓高度變化系數，取1.17；ω0 為基本風壓（KN/m2）；v 取30 m/s、40m/s。

在加載時具體計算塔身結構構件迎風面的投影面積，將風荷載轉換為風壓，平均的分配到每段塔迎風桿件節點上。

三、風速40 m/s 時輸電塔靜力響應分析

鐵塔倒塌的過程如下：如圖2 所示，輸電塔在風速為40m/s 的風荷載持續施加下，經歷了13.3s 最終破壞。風荷載加載到5s 時，塔身情況如圖2（a）所示，塔身輕微傾斜，塔身內部最大應力達到34.12MPa；在10s 時，如圖2（b）所示，塔身傾斜明顯，最大應力出現在塔身中段主材，為140.4MPa，直至13.3s，如圖2（c）所示，塔腳與塔身連接處背風面主材達到550MPa 屈服應力，桿件發生失穩破壞，其附近的桿件相繼失穩破壞，輸電塔最終失去承載力，塔身主材及輔材發生大范圍破壞，最終無法繼續承受風荷載發倒塌。

根據圖3 所示，可以看出塔腳、塔身、塔頂三點位移隨時間的變化。塔頂位移隨時間變化最大，在輸電塔失去承載力時，塔頂位移達到780.72mm。其次是塔身，位移達到260.81mm，最后是塔腳，破壞時位移只有10.66mm。

迎風面三點的應力，與50m/s 風速工況對比，三點應力變化情況差異不大。塔頂應力最大達到19.81MPa，塔身中點在0～13s 過程中，應力隨荷載的持續施加逐漸增大，到144.93MPa，在第13s 至破壞過程中應力變化不大，甚至稍有減小。塔腳應力在0～10s 過程中與塔身中點相似，應力逐漸增大到161MPa，隨后應力突然增大，直到261MPa，并未達到屈服強度。塔頂應力最大至6.28MPa，塔身中點背風面應力與迎風面變化類似，0～13s 逐漸增大至146.96MPa，而后變化不大，塔腳處應力在0～13s 內由0MPa 增至2.78MPa，而后應力在3.3s 內突然增大，直到366.76MPa。原因與分析50m/s 工況時相似，可能因為應力集中。

四、導地線初始張力

我國規范規定，導線和地線的設計安全系數不應小于2.5，考慮接頭等降低導線強度的因素，導地線的最大許用張力為

式中：T 為導地線的最大許用張力，Tp 為導地線的計算拉斷力，kc 為導地線的安全系數，0.95 為考慮導線接頭等強度降低的因數。

導地線的初始形態會隨初始張力的變化而改變，建立有限元模型時，需要根據導地線的初始張力進行循環找形。在實際施工及運營過程中，導地線的初始張力與其設計張力必然有所偏差，因而有必要研究初始張力變化對塔線體系動力響應的影響。

本節以圖3 所示的塔線耦聯模型為基本模型，該模型導地線的設計安全系數取4.0，單根導線的計算拉斷力為143.93kN，初始張力為35.98kN，單根地線的計算拉斷力為58.04kN，初始張力為9.92kN。以基本模型為基礎，建立導地線初始張力增大30%的塔線耦聯模型1 和導地線初始張力減小30%的塔線耦聯模型2，對上述模型施加基本風速為20m/s 的脈動風速時程進行動力分析。

五、結語

背風面主要受壓，這時的主材承受軸向壓縮，橫截面尺寸發生突然改變致使截面上應力不再均勻分布。同時從云圖中可以分析出，有桿件達極限屈服應力，最終發生破壞。所以，在后續的加固工作中，應格外關注塔腿與塔身連接部分。