輸電塔線體系動(dòng)力特性及其影響因素分析

周承軍 （中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

0 前 言

輸電塔線體系是一種復(fù)雜的空間耦聯(lián)體系，這種耦合效應(yīng)使得輸電塔的動(dòng)力特性評估十分困難。對于大跨越輸電塔體系，導(dǎo)線的質(zhì)量與塔架的質(zhì)量相比是相當(dāng)?shù)?，?dǎo)線對整體動(dòng)力特性的影響往往不可忽略[1]。目前各國學(xué)者對輸電塔線體系的動(dòng)力特性進(jìn)行了一些有用的研究，并取得了一定有價(jià)值的成果[2-6]，但尚未系統(tǒng)、全面的分析輸電塔線體系動(dòng)力特性的影響因素，針對輸電塔線體系阻尼影響因素的研究更是鮮有所見。

本文基于ANSYS有限元軟件建立了輸電塔及輸電塔線體系有限元模型，較為全面的分析了塔型、垂度、跨度以及絕緣子尺寸對輸電塔動(dòng)力特性的影響。以期為輸電塔線體系動(dòng)力響應(yīng)分析、振動(dòng)控制等方面提供參考。

導(dǎo)地線技術(shù)參數(shù) 表1

1 建立有限元模型

運(yùn)用ANSYS軟件建立三種典型輸電塔三維有限元模型，三種模型分別是桶型塔、貓頭塔、酒杯塔，下文分別簡稱為塔1、塔2及塔3（見圖1）。導(dǎo)地線的預(yù)設(shè)技術(shù)參數(shù)見表1。采用BEAM188三維薄壁梁單元模擬塔身構(gòu)件，Link10模擬導(dǎo)(地)線，Link180模擬絕緣子。并進(jìn)行塔體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力模態(tài)分析，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性。圖2給出了本文塔3體系的有限元模型。

2 動(dòng)力特性分析

2.1 輸電塔動(dòng)力特性分析

模型前3階頻率見表2。可以看出，塔1和塔2出平面與在平面頻率比較接近，但二者的區(qū)別在于其扭轉(zhuǎn)振型頻率的分布。這說明，輸電塔的頻率分布與其結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系：對于塔身截面為方形的輸電塔兩水平向振型頻率接近，振型特性由塔頭控制；對于塔身截面為矩形的輸電塔，水平兩軸向振型頻率存在更大差異，振型特性由塔身控制。圖3給出了三種塔型的兩水平軸向振型。

單塔振型頻率 表2

2.2 輸電線動(dòng)力特性分析

由于輸電線面外振動(dòng)不會(huì)引起附加張力，但會(huì)改變張力的作用方向，而面內(nèi)對稱振動(dòng)會(huì)引起輸電線的附加張力[7]。根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]，輸電線的一階面外振型只與輸電線的垂度有關(guān)，而其二階面外對稱振型與其垂度和跨度均相關(guān)。通過上述理論可計(jì)算出輸電線一階面內(nèi)、外振型頻率，與有限元模型對應(yīng)頻率的對比結(jié)果如表3所示。

輸電線頻率理論解與有限元對比結(jié)果 表3

從表3可以看出，輸電線頻率ANSYS模擬結(jié)果與理論值非常接近，驗(yàn)證了通過懸鏈線方程對導(dǎo)線找型，從而建立有限元模型的方法較為精確。

3 塔線體系振型頻率影響因素分析

3.1 輸電線的影響

將輸電線作為集中質(zhì)量作用于輸電塔上，其對輸電塔頻率的影響與實(shí)際輸電線對塔的影響進(jìn)行對比，結(jié)果見表4。可知，集中質(zhì)量對輸電塔出平面和在平面頻率的影響程度相當(dāng)，但實(shí)際輸電線對輸電塔出平面頻率的影響與對在平面頻率的影響存在較大差異，這說明輸電線不僅僅影響到塔線體系的質(zhì)量矩陣，其剛度矩陣的影響也不可忽略，尤其對于其平面外剛度有較大影響。

輸電塔掛線與不掛線頻率對比 表4

以塔3為例，進(jìn)一步分析輸電線對輸電塔動(dòng)力特性的影響。保持輸電線垂度38.5m不變，垂跨比均小于1/8，在通過調(diào)節(jié)密度參數(shù)以保證輸電線的質(zhì)量不變的情況下，對比了檔距350m、450m、550m、650m、750m時(shí)，輸電塔在平面、出平面頻率的變化，如圖4所示。此外，檔距750m保持不變，對比了垂度20.5m、25.5m、30.5m、35.5m、38.5m時(shí)，輸電塔在平面、出平面的頻率變化，其結(jié)果見圖5。可知，輸電塔兩水平向振型頻率隨檔距的增加而降低，且出平面頻率降低更為顯著。輸電線垂度的改變不會(huì)引起輸電塔頻率的改變只會(huì)使塔線體系耦合共振提前或滯后。

3.2 絕緣子的影響

絕緣子是輸電塔與輸電線的連接構(gòu)件，由于絕緣子具有一定長度，絕緣子-輸電線系統(tǒng)可簡化為雙擺模型，輸電線面外計(jì)算長度增加會(huì)導(dǎo)致其出頻率的降低，且使輸電線頻率分布范圍變得更寬，低階振型頻率更低。為了考察絕緣子長度對掛線后輸電塔頻率的影響，在建立有限元時(shí)，絕緣子的密度設(shè)定為0；考慮絕緣子剛度影響時(shí)，給定一個(gè)密度值。圖6和圖7分別給出了塔1體系輸電塔頻率隨絕緣子長度和剛度的改變情況，其他塔型亦有類似結(jié)論，此處不再贅述。

從圖6和圖7可看出，考慮和不考慮絕緣子對輸電塔的在平面振動(dòng)不會(huì)造成影響。改變絕緣子的長度使掛線后輸電塔的出平面頻率有所降低，而在平面頻率基本保持不變。總體而言，在計(jì)算塔線體系各階振型頻率時(shí)，需要考慮絕緣子的影響。

5 結(jié) 論

本文通過有限元模型和理論模型以及簡化模型對輸電塔線體系動(dòng)力特性及其影響因素進(jìn)行了分析，可以得到如下結(jié)論。

①輸電塔的頻率分布與其結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系。對于塔身截面為方形的輸電塔兩水平向振型頻率接近，振型特性由塔頭控制；對于塔身截面為矩形的輸電塔，水平兩軸向振型頻率存在更大差異，振型特性由塔身控制；細(xì)長輸電塔扭轉(zhuǎn)振型頻率相對于水平振型頻率要高得多，且容易出現(xiàn)二階水平向振型。

②輸電線不僅僅影響到塔線體系的質(zhì)量矩陣，對剛度矩陣的影響也不可忽略，尤其對平面外剛度有較大影響。分析輸電線對輸電塔頻率影響時(shí)，必須考慮輸電線改變塔線體系質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的雙重效應(yīng)。

③輸電塔兩水平向振型頻率隨檔距的增加而降低，且出平面頻率降低更為顯著，輸電線垂度的改變不會(huì)引起輸電塔頻率的改變，但會(huì)使輸電線的頻率及分布產(chǎn)生影響，因此，輸電線頻率的改變不會(huì)影響輸電塔的頻率，只會(huì)使得塔線體系耦合共振提前或滯后。

④考慮和不考慮絕緣子對輸電塔的在平面振動(dòng)不會(huì)造成影響?？紤]絕緣子時(shí)，絕緣子剛度不會(huì)改變掛線后輸電塔的頻率；改變絕緣子的長度使掛線后輸電塔的出平面頻率有所降低，而在平面頻率基本保持不變。因此，在計(jì)算塔線體系各階振型頻率時(shí)，應(yīng)考慮絕緣子的影響。

[1]李宏男,王前信.大跨越輸電塔體系的動(dòng)力特性[J].土木工程學(xué)報(bào),1997(5).

[2]H.Yasui.Analytical study on wind-induced vibration of power transmis-sion towers[J].Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1999(2).

[3]Irvine H.M.,Griffin J.H..On the dynamic response of a suspended cable[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1976(4).

[4]Ozono S.,Maeda J..In-plane dynamic interaction between a tower and conductors at lower frequencies[J].Engineering Structures,1992(14).

[5]梁樞果,朱繼華,王力爭.大跨越輸電塔-線體系動(dòng)力特性分析[J].地震工程與工程振動(dòng),2003(6).

[6]Y.Momomura,H.Marukawa,T.Okamura.Full measurements of wind-induced vibration of a transmission line system in a mountainous area[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,72(1997).

[7]Irvine H.M..Cable Structure[M].1981,The MITPress.