輸電塔風(fēng)振響應(yīng)數(shù)值分析

馮康+趙海玲

【摘 要】輸電桿塔為一類高聳格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)，其塔身鏤空、高度高、外形細(xì)長(zhǎng)，在電力、通訊等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。風(fēng)主要由靜力風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)組成，在自然風(fēng)作用下高聳塔式結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變、應(yīng)力及振動(dòng)等響應(yīng)。在大風(fēng)作用下，很可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)的疲勞破壞或較大的形變等問(wèn)題。本文主要以某線路的自立式塔式結(jié)構(gòu)為研究目標(biāo)，通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行單塔模型建立，并通過(guò)加載脈動(dòng)風(fēng)譜對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和風(fēng)振響應(yīng)分析，從而判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。文章最后對(duì)數(shù)值方法進(jìn)行形態(tài)評(píng)價(jià)，從客觀的角度來(lái)分析該方法的可行性。從而以便于更好的為工程實(shí)際服務(wù)。

【關(guān)鍵詞】桿塔結(jié)構(gòu)；ANSYS有限元分析軟件；模態(tài)分析；風(fēng)振響應(yīng)

作為電力系統(tǒng)大動(dòng)脈的輸電線路，是保證輸送電能的成功保證，一旦遭受破壞將直接導(dǎo)致整個(gè)供電系統(tǒng)的癱瘓，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人們的生活造成嚴(yán)重的損失。所以，人們?cè)桨l(fā)的關(guān)注其可靠性。高壓輸電塔作為電力工程線路的重要組成部分，保證其能夠在各種工況下安全的順利運(yùn)作，具有很重大的意義[1]。近幾年來(lái)，我國(guó)自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2005年國(guó)內(nèi)在大風(fēng)作用下毀壞的500kV輸電線路多達(dá)18基，110kV以上線路60基[2]。目前由于特高壓技術(shù)的不斷進(jìn)步，輸電線路的電壓等級(jí)也在相應(yīng)的增加，桿塔的高度也不斷增高，并且鐵塔的結(jié)構(gòu)也在不斷地突破，不管是在桿塔設(shè)計(jì)選型亦或是加工制作都獲得了很大的提高[3]。輸電桿塔為高聳的格構(gòu)式塔架，這種外形導(dǎo)致了起主要作用的荷載為風(fēng)荷載，由于輸電技術(shù)的革新和供電需求的提高，桿塔結(jié)構(gòu)的發(fā)展力求更高、更輕、更柔和低阻尼。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的最新發(fā)展，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從靜態(tài)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，從解耦分析走向耦合分析，從頻率/模態(tài)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為響應(yīng)設(shè)計(jì)[3]。

1 輸電鐵塔模型的建立

1.1 輸電塔動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算模型

在設(shè)計(jì)輸電桿塔時(shí)，往往是將導(dǎo)線和桿塔分離開(kāi)來(lái)設(shè)計(jì)，導(dǎo)線的自重影響被認(rèn)為是外荷載施加于桿塔上，由于桿塔結(jié)構(gòu)相對(duì)高聳，自振的周期頗大，所以一般情況下主要比較關(guān)心脈動(dòng)風(fēng)導(dǎo)致的風(fēng)振影響。

本文以某同塔雙回路角鋼塔為工程背景，跨越檔檔距350m，輸電塔采用耐張塔，呼高27m，根開(kāi)8.6m，角鋼塔主材使用Q345等邊角鋼，其他材料采用Q235等邊角鋼。導(dǎo)線型號(hào)JL/G1A-630/45鋁包鋼芯鋁合金絞線，地線采用一根LBGJ-100-30AC，一根OPGW-48。B類地貌。

建模過(guò)程中采用有限元軟件ANSYS建立單塔模型，采用BEAM188單元模擬各角鋼桿件，對(duì)單塔模型進(jìn)行模態(tài)分析。在CAD中繪制輸電塔，并將不同截面屬性的鋼材分別放在不同的圖層中，本塔繪制過(guò)程中共建立29個(gè)圖層。將輸電塔分解，根據(jù)截面屬性分別保存為dxf格式文件。分別將各個(gè)dxf格式文件利用dxftoansys軟件轉(zhuǎn)化為包含完整數(shù)據(jù)信息的lgw格式文件。編輯APDL程序，定義Q235鋼材和Q345鋼材的截面屬性，利用ANSYS軟件導(dǎo)入各個(gè)lgw格式文件，生成單塔模型。原始設(shè)計(jì)輸電塔司令圖如圖1所示；單塔模型圖如圖2所示。

1.2 輸電塔模態(tài)分析結(jié)果

從上述的模態(tài)頻率結(jié)果中可以分析出，在自立式桿塔的第4、5、6階模態(tài)中，相互應(yīng)的頻率各為5.472、5.932、6.068，說(shuō)明輸電塔出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的局部陣型。

2 輸電塔風(fēng)振響應(yīng)分析

在研究塔式結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)時(shí)應(yīng)從風(fēng)荷載的構(gòu)成入手，即靜風(fēng)荷載和脈動(dòng)風(fēng)荷載兩部分。靜風(fēng)荷載可以由風(fēng)速計(jì)算而得，脈動(dòng)風(fēng)荷載則是用風(fēng)壓調(diào)整系數(shù)乘以靜風(fēng)荷載得到的[4]。脈動(dòng)風(fēng)速的均值不為零，荷載是隨著時(shí)間的變化而變化的。其對(duì)輸電塔等的作用是難以忽視的，并會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的耐疲勞性產(chǎn)生影響；甚至在某種特定條件下引起共振，造成巨大的損失。本文采用脈動(dòng)風(fēng)研究輸電塔的風(fēng)振響應(yīng)，在脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程曲線模擬過(guò)程中已經(jīng)考慮了脈動(dòng)風(fēng)振系數(shù)和風(fēng)壓高度變化系數(shù)。在考慮順風(fēng)向的風(fēng)速時(shí)，根據(jù)其組成部分平均風(fēng)風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)速，則t時(shí)刻的風(fēng)速v（z，t）如下式，由此可計(jì)算出輸電塔各段在時(shí)刻t的風(fēng)速。

輸電塔作為高聳結(jié)構(gòu)， 宜采用工程中常用的考慮高度變化的Kaimal風(fēng)速譜作為目標(biāo)功率譜模擬輸電塔的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程。本文采用自回歸模型的線性濾波法（AR法）模擬水平方向0°、45°和90°的風(fēng)速時(shí)程曲線。自回歸階數(shù)P取4階，時(shí)間步長(zhǎng)△t=0.1s，采樣頻率為0.01Hz，時(shí)長(zhǎng)取600s，將輸電塔劃分為14段，并比較塔腿部位和塔頭部位的脈動(dòng)風(fēng)。

幾何非線性是由于隨著結(jié)構(gòu)變形的增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)中單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)生改變，從而結(jié)構(gòu)的剛度也會(huì)改變，變化的幾何形狀是引起幾何非線性響應(yīng)的主要原因。對(duì)于本文的輸電塔模型，隨著荷載的施加，單元的節(jié)點(diǎn)位置會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致該單元對(duì)總體剛度的貢獻(xiàn)發(fā)生變化。

3 數(shù)值方法性態(tài)評(píng)價(jià)

由于輸電塔自由度較多，本文主要選擇輸電塔頂點(diǎn)的風(fēng)振響應(yīng)作為研究對(duì)象，加之現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的計(jì)算效率和存儲(chǔ)量也很難在積分步長(zhǎng)足夠小的情況下快速計(jì)算并存儲(chǔ)所有自由度的動(dòng)力響應(yīng)。因此，為了提高計(jì)算效率和節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，本文對(duì)原輸電塔有限元模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化。

目前研究動(dòng)力學(xué)特性的方法為模態(tài)分析方法，其主要包括試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析與數(shù)值模態(tài)分析兩種，對(duì)目前復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性的分析需要以模態(tài)分析為根據(jù)[5]。模態(tài)是結(jié)構(gòu)的振動(dòng)屬性，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，可以判斷結(jié)構(gòu)在哪一個(gè)頻率區(qū)間所受影響較大，從而清楚掌握各階模態(tài)相應(yīng)的特點(diǎn)。輸電塔的動(dòng)力相應(yīng)問(wèn)題頗為復(fù)雜，但又是研究結(jié)構(gòu)的重要部分。振動(dòng)狀態(tài)判斷所依據(jù)的規(guī)則是，在由主要?jiǎng)恿ψ杂啥冉M成的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的某一模態(tài)振型中：若沿X方向振型的數(shù)據(jù)明顯大于其它兩個(gè)方向的振型數(shù)據(jù)，則可判定為沿X方向的平動(dòng)模態(tài)。

式中T1為第一階主要自振周期；H為全塔高；b為塔頭寬度；B為跟開(kāi)寬度。

根據(jù)計(jì)算，公式所得值為0.3，則自振頻率為0.33，與模態(tài)分析第一階接近，且在前幾階模態(tài)分析中并不存在個(gè)別桿件的局部變形，則模型正確。

本文采用ANSYS有限元對(duì)輸電鐵塔原始模型建模，并通過(guò)風(fēng)速譜進(jìn)行線彈性風(fēng)振響應(yīng)的研究。通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)程序，使用MATLAB軟件對(duì)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行線彈性風(fēng)振響應(yīng)時(shí)程分析。通過(guò)選擇塔頭、塔腿脈動(dòng)風(fēng)速相應(yīng)的比較，來(lái)體現(xiàn)整體風(fēng)振響應(yīng)的一致性。

4 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)越來(lái)越受到重視，越來(lái)越多的學(xué)者投身到結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究上來(lái)，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程的求解方法也得到了發(fā)展改進(jìn)。

本文在線彈性范圍內(nèi)以求解鼓型輸電塔的風(fēng)振響應(yīng)為例，通過(guò)建立單塔模型，加載脈動(dòng)風(fēng)譜，提取模態(tài)頻率，分析了該輸電塔在脈動(dòng)風(fēng)作用下的風(fēng)振響應(yīng)[7]。目前，關(guān)于塔架的動(dòng)力響應(yīng)分析是頗為復(fù)雜的，諸如當(dāng)今著重討論的課題主要關(guān)于結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)和地震荷載下的響應(yīng)，而模態(tài)分析則是進(jìn)行這些科學(xué)研究的根據(jù)。在以后的研究中還需不斷完善有關(guān)高聳塔式式結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析功能，如考慮塔線耦合作用下的振動(dòng)響應(yīng)、根據(jù)實(shí)際情況分段輸入質(zhì)量信息等，以使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際，為工程提供參考。

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