近場(chǎng)罕遇地震作用下干字型輸電塔的動(dòng)力響應(yīng)分析

李 健

（廈門(mén)綠發(fā)投資有限公司，福建 廈門(mén) 361001）

0 引言

隨著“雙碳”減排目標(biāo)的提出，國(guó)家對(duì)輸電線路工程的投資力度越來(lái)越大，輸電線路項(xiàng)目的施工質(zhì)量和安全管理迫在眉睫[1]。

我國(guó)地震斷層分布復(fù)雜、數(shù)量繁多，是世界上地震多發(fā)國(guó)家之一，許多城市不可避免地位于地震帶或斷層附近。輸電塔是輸電線路中極其重要的部件，投資約占整個(gè)線路的30%～50%，一旦在地震作用下發(fā)生損壞或者倒塌，將對(duì)所在地的電力供應(yīng)造成嚴(yán)重影響。相對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)地震，近場(chǎng)地震具有明顯的加速度、速度、位移沖擊，對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)的破壞性更強(qiáng)[2-5]，因此研究地震斷層附近輸電塔在罕遇地震作用下的抗震性能愈發(fā)重要。武鋼等[6]對(duì)比了大跨越輸電塔-線體系的近-遠(yuǎn)場(chǎng)地震反應(yīng)，證明近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)作用下，大跨越輸電塔-線體系的動(dòng)力反應(yīng)更加顯著。劉啟方等[7]通過(guò)實(shí)測(cè)近場(chǎng)強(qiáng)震地震動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，近場(chǎng)地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)顯著不同。周繼磊[8]深入分析了近場(chǎng)震動(dòng)加速度時(shí)程的功率譜，結(jié)果表明近斷層脈沖型地震動(dòng)的功率譜峰值較大，且在低頻處能量集中。郭旭坤等[9]在罕遇地震工況下對(duì)輸電鐵塔進(jìn)行了損傷模擬分析，發(fā)現(xiàn)塔身下部為輸電塔的薄弱部位。王來(lái)等[10]發(fā)現(xiàn)罕遇地震作用下地震波的頻譜特性直接影響到輸電塔的振動(dòng)反應(yīng)。拾峰等[11]研究了高烈度震區(qū)輸電塔在水平向和豎向地震作用下基底反力及桿材軸應(yīng)力的變化規(guī)律。

本文以干字型輸電塔為研究對(duì)象，選取了與罕遇地震規(guī)范反應(yīng)譜在統(tǒng)計(jì)意義上相符的10 條近場(chǎng)地震波，采用動(dòng)力時(shí)程分析方法計(jì)算輸電塔結(jié)構(gòu)的水平地震響應(yīng)，獲得頂點(diǎn)位移、基底反力、關(guān)鍵部位軸應(yīng)力等結(jié)果，分析輸電塔結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的受力特征。

1 輸電塔有限元模型及近場(chǎng)地震波選取

本文所研究的干字型輸電塔高度為28 m，ANˉ SYS 有限元模型如圖1 所示。桿材和主斜材用BEAM188 梁?jiǎn)卧M，輔助連接桿材用LINK8 桿單元模擬，有限元模型一共有912 個(gè)節(jié)點(diǎn)和998 個(gè)單元。BEAM188 單元采用Q420 鋼材和Q345 鋼材，LINK8 桿單元采用Q235 鋼材，單元截面形狀均為L(zhǎng)形。鋼材彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3，采用典型的雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)關(guān)系。

圖1 干字型輸電塔有限元模型

干字型輸電塔所在地區(qū)地震設(shè)防烈度為Ⅷ度，場(chǎng)地類別為Ⅲ類場(chǎng)地，地震分組為第二組，特征周期為0.60 s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，地震影響系數(shù)最大值為0.9[12]。將確定的罕遇地震規(guī)范反應(yīng)譜導(dǎo)入太平洋地震工程研究中心，選取了與罕遇地震規(guī)范反應(yīng)譜在統(tǒng)計(jì)意義上相符的10 條近場(chǎng)地震波，如表1所示。縮放后的近場(chǎng)地震波加速度反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜如圖2 所示，可以看出所選近場(chǎng)地震波的平均反應(yīng)譜與罕遇地震規(guī)范反應(yīng)譜在統(tǒng)計(jì)意義上是相符的。

表1 近場(chǎng)地震波記錄

圖2 縮放后的近場(chǎng)地震波加速度反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜

2 罕遇地震下的動(dòng)力時(shí)程分析

振動(dòng)模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析前的必要步驟，可以確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型。本文采用ANSYS 子空間法進(jìn)行模態(tài)分析，圖3 為干字型輸電塔前6 階振型，第1 階振型表現(xiàn)為沿橫擔(dān)方向的塔身整體彎曲，第2 階振型表現(xiàn)為垂直橫擔(dān)方向的塔身整體彎曲，第3 階振型表現(xiàn)為輸電塔結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，第4～6 階振型表現(xiàn)為輸電塔結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)模態(tài)。

圖3 干字型輸電塔前6 階振型

本文從太平洋地震工程研究中心選取了與罕遇地震規(guī)范反應(yīng)譜在統(tǒng)計(jì)意義上相符的10 條近場(chǎng)地震波進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，由于不同地震波的頻譜特征具有差異性，RSN159 地震波得到的位移響應(yīng)最小，X 向和 Y 向位移峰值分別為 7.71 mm 和 7.27 mm。RSN802 地震波得到的位移響應(yīng)最大，X 向和Y 向位移峰值分別為18.55 mm 和18.64 mm。RSN1086 地震波在X 向和Y 向的位移峰值相差較大，X 向和Y向位移峰值分別為12.39 mm 和7.94 mm。由于考慮了輸電塔的自重效應(yīng)，近場(chǎng)罕遇地震波沿輸電塔X向和Y 向作用時(shí)，Z 向基底反力平均值為2.67E5 N，X 向和Y 向的基底反力平均值變化范圍為4.44E4 N～4.48E4 N，表明輸電塔結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)較強(qiáng)，任意激勵(lì)方向都可在X 向和Y 向產(chǎn)生大小相當(dāng)?shù)幕追戳Α?/p>

為研究近場(chǎng)罕遇地震作用下輸電塔桿材軸應(yīng)力分布規(guī)律，選取了上橫擔(dān)桿材（截面A）、塔身上部桿材（截面B）、下橫擔(dān)桿材（截面C）、塔身中部桿材（截面 D）、塔腿桿材（截面 E）5 個(gè)典型截面，如圖 1 所示。由圖4、圖5 可知，上、下橫擔(dān)（截面A 和截面C）軸應(yīng)力峰值總體較小，僅當(dāng)在輸電塔X 向施加地震波 RSN159、RSN178、RSN179 時(shí)，截面 C 的軸應(yīng)力峰值分別為 2.82 MPa、6.12 MPa 和 5.14 MPa，其余激勵(lì)工況下截面A 和截面C 的軸應(yīng)力峰值均小于1 MPa，所以上、下橫擔(dān)在地震作用下不易受損。當(dāng)近場(chǎng)罕遇地震波作用于輸電塔X 向時(shí)，桿材截面應(yīng)力峰值的變化規(guī)律為：塔身中部桿材（截面D）＞塔腿桿材（截面E）＞塔身上部桿材（截面 B）＞下橫擔(dān)桿材（截面 C）＞上橫擔(dān)桿材（截面A）。當(dāng)近場(chǎng)罕遇地震波作用于輸電塔Y 向時(shí)，桿材截面應(yīng)力峰值的變化規(guī)律為：塔身中部桿材（截面D）＞塔腿桿材（截面E）＞塔身上部桿材（截面B）＞上橫擔(dān)桿材（截面A）≈下橫擔(dān)桿材（截面C）。

圖4 近場(chǎng)罕遇地震X 向作用下的截面應(yīng)力峰值

圖5 近場(chǎng)罕遇地震Y 向作用下的截面應(yīng)力峰值

綜上所述，在近場(chǎng)罕遇地震作用下，輸電塔塔身中部桿材和塔腿桿材受力較大，當(dāng)桿材存在初始缺陷或疲勞損傷時(shí)極易發(fā)生破壞，故在輸電塔設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)干字型輸電塔在近場(chǎng)罕遇地震作用下的動(dòng)力時(shí)程分析，可以發(fā)現(xiàn)在X 向和Y 向地震波激勵(lì)下，干字型輸電塔頂點(diǎn)位移在水平方向上相差不大；由于考慮了自重效應(yīng)，水平基底反力遠(yuǎn)小于豎向基底反力，輸電塔結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)較強(qiáng)，任意激勵(lì)方向都可在X 向和Y 向產(chǎn)生大小相當(dāng)?shù)幕追戳Γ凰碇胁織U材和塔腿桿材處的軸應(yīng)力峰值最大，在干字型輸電塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)時(shí)應(yīng)注意這些關(guān)鍵截面的安全性和穩(wěn)定性。