劉榮見，余文永，梁一榮

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司,云南 昆明 650011;2.云南恒安電力工程有限公司,云南 昆明 650011;3.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,云南 昆明 650011)

0 引言

輸電塔作為傳送電能特殊結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要生命線工程，在我國由風(fēng)載所引起倒塌的事故后果相當(dāng)嚴(yán)重。輸電塔作為風(fēng)敏感較高的復(fù)雜空間耦聯(lián)高聳結(jié)構(gòu)，自振頻率與脈動(dòng)風(fēng)頻率較接近，易發(fā)生共振，產(chǎn)生較大位移，結(jié)構(gòu)容易損壞，因而常在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中把風(fēng)荷載作為重點(diǎn)考慮因素，必須進(jìn)行動(dòng)力效應(yīng)，合理設(shè)計(jì)輸電塔結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力。近些年來國內(nèi)外學(xué)者也對(duì)輸電塔風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行研究:DAVENPORT[1]通過在不同地點(diǎn)、不同高度測出的強(qiáng)風(fēng)記錄，提出了脈動(dòng)風(fēng)速功率譜的概念；姚劍鋒[2]對(duì)大跨越鋼管塔的風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究；鄧洪洲[3]對(duì)大跨越輸電塔結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行了深入研究；張爽[4]對(duì)±1 100 kV高壓輸電塔風(fēng)振響應(yīng)及風(fēng)振系數(shù)開展了研究。

傳統(tǒng)輸電塔結(jié)構(gòu)一般采用空間桁架結(jié)構(gòu)，桿件主要由角鋼、鋼板、鋼管制作，且造型單一以及占地面積較多等缺點(diǎn)。本文是一種對(duì)塔身?xiàng)U件采用鋼管且與環(huán)境協(xié)調(diào)較好的新型景觀輸電塔。通過matlab模擬地區(qū)風(fēng)荷載，對(duì)單塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了時(shí)程分析，得到輸電塔在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)振響應(yīng)，計(jì)算該輸電塔的風(fēng)振系數(shù)，并將計(jì)算值與DL/T 5551—2018架空輸電線路荷載規(guī)范[5]風(fēng)振系數(shù)取值進(jìn)行對(duì)比以及分析造成兩者差異的原因。

1 《架空輸電線路荷載規(guī)范》風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法

《架空輸電線路荷載規(guī)范》采用團(tuán)集質(zhì)量法計(jì)算風(fēng)振系數(shù)公式如下：

(1)

其中，g為峰值因子，取2.5；I10為10 m高度處湍流密度，對(duì)應(yīng)A，B，C和D類地面粗糙程度，可分別取0.12，0.14，0.23，0.39；BZi為背景因子；R為脈動(dòng)風(fēng)荷載的共振分量因子。

2 風(fēng)振系數(shù)理論計(jì)算方法

根據(jù)風(fēng)振系數(shù)的概念，結(jié)構(gòu)高度z處的風(fēng)振系數(shù)表示為[6]：

(2)

3 計(jì)算實(shí)例

輸電塔為110 kV景觀輸電塔，塔高42 m，均采用Q345鋼材，塔桿采用空心方鋼管。豎向塔桿采用變截面，截面尺寸隨著高度增加逐漸變小，豎向塔桿底部截面尺寸為1.8 m×1.8 m，塔桿頂部截面尺寸為0.8 m×0.8 m，塔桿厚度為24 mm；每水平橫檔分為兩段，第一段截面尺寸從300 mm×300 mm逐漸減小到200 mm×200 mm，第二段截面尺寸再從200 mm×200 mm逐漸減小到150 mm×150 mm，壁厚均為10 mm。在有限元軟件SAP2000中建立了詳細(xì)的模型，塔桿采用梁單元。輸電鐵塔結(jié)構(gòu)方案尺寸如圖1所示。采用AR模型[7]模擬出20 km/h的風(fēng)速時(shí)程及風(fēng)壓時(shí)程曲線，如圖2，圖3所示。

利用SAP2000分析得到輸電塔的動(dòng)力特性，前3階模態(tài)：第1振型為y向平動(dòng)；第2振型為x向平動(dòng)；第3振型為z軸扭轉(zhuǎn)。輸電塔各振型自振周期見表1。

表1 輸電塔各振型自振周期

輸電塔第一階自振周期T= 0.814 s，ω0=0.3 kN/m2,該塔總高42 m小于《桿塔技術(shù)規(guī)定》規(guī)定限值60 m，但其高度與根開之比大于6，故設(shè)計(jì)時(shí)采用由下到上逐段增大的風(fēng)振系數(shù)值。

4 風(fēng)振系數(shù)計(jì)算與對(duì)比

《架空規(guī)范》計(jì)算值與時(shí)程分析理論計(jì)算值統(tǒng)計(jì)于表2。兩種計(jì)算值誤差較大，由于本模型是單塔模型，將導(dǎo)、地線等效成荷載施加到輸電塔上，這種模式忽略導(dǎo)、地線對(duì)輸電塔的作用，包括剛度和阻尼，使輸電塔在時(shí)程分析風(fēng)響應(yīng)增大，導(dǎo)致輸電塔風(fēng)振系數(shù)增大。

表2 風(fēng)振系數(shù)βz計(jì)算

由圖4可知，風(fēng)振系數(shù)隨著高度逐漸增加，《架空規(guī)范》與時(shí)程分析理論計(jì)算值的差異也隨著高度逐漸增大。由于本鐵塔結(jié)構(gòu)跟規(guī)范規(guī)定的傳統(tǒng)鐵塔結(jié)構(gòu)在外形結(jié)構(gòu)上差異較大，且傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基底尺寸較大，致使兩種方法計(jì)算結(jié)果偏差較大。故《架空規(guī)范》簡化計(jì)算法適合于傳統(tǒng)輸電塔桁架結(jié)構(gòu)中差異較小，并不適用于本鐵塔結(jié)構(gòu)。此外，《架空規(guī)范》計(jì)算鐵塔風(fēng)振系數(shù)時(shí)沒有考慮導(dǎo)線、地線等作用荷載，尤其是塔頂只考慮風(fēng)荷載的作用，低估了鐵塔的位移響應(yīng)，也會(huì)使風(fēng)振系數(shù)計(jì)算值較小[8]。

5 結(jié)語

以新型景觀協(xié)調(diào)的110 kV輸電塔為背景，使用SAP2000軟件建立有限元模型，在脈動(dòng)風(fēng)壓作用下，根據(jù)有限元軟件分析結(jié)合理論公式計(jì)算了該塔的風(fēng)振系數(shù)，并與規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，得到如下結(jié)論：

1)利用SAP2000模擬0°風(fēng)向角與90°風(fēng)向角輸電塔得到不同位移響應(yīng)，其中模型y軸方向的剛度較低，導(dǎo)致模型對(duì)0°風(fēng)向角的風(fēng)荷載位移響應(yīng)比較大。

2)由于本鐵塔結(jié)構(gòu)跟規(guī)范規(guī)定的傳統(tǒng)鐵塔結(jié)構(gòu)在外形結(jié)構(gòu)上差異較大，且傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基底尺寸較大，致使兩種方法計(jì)算結(jié)果偏差較大。故《架空規(guī)范》簡化計(jì)算法適合于傳統(tǒng)輸電塔桁架結(jié)構(gòu)中差異較小，并不適用于本鐵塔結(jié)構(gòu)。

3)傳統(tǒng)輸電塔柱腳較寬大，而本新型景觀輸電塔柱腳較小，這將增大輸電塔在風(fēng)荷載作用下的位移響應(yīng)。