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、外形細長，在電力、通訊等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。風主要由靜力風和脈動風組成，在自然風作用下高聳塔式結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生應(yīng)變、應(yīng)力及振動等響應(yīng)。在大風作用下，很可能會造成結(jié)構(gòu)的疲勞破壞或較大的形變等問題。本文主要以某線路的自立式塔式結(jié)構(gòu)為研究目標，通過ANSYS有限元軟件對其進行單塔模型建立，并通過加載脈動風譜對其進行模態(tài)分析和風振響應(yīng)分析，從而判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。文章最后對數(shù)值方法進行形態(tài)評價，從客觀的角度來分析該方法的可行性。從而以便于更好的為工程實際服務(wù)。

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

作為電力系統(tǒng)大動脈的輸電線路，是保證輸送電能的成功保證，一旦遭受破壞將直接導(dǎo)致整個供電系統(tǒng)的癱瘓，給社會經(jīng)濟及人們的生活造成嚴重的損失。所以，人們越發(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作，具有很重大的意義[1]。近幾年來，我國自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，據(jù)不完全統(tǒng)計，僅2005年國內(nèi)在大風作用下毀壞的500kV輸電線路多達18基，110kV以上線路60基[2]。目前由于特高壓技術(shù)的不斷進步，輸電線路的電壓等級也在相應(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)動力學的最新發(fā)展，是結(jié)構(gòu)設(shè)計從靜態(tài)設(shè)計轉(zhuǎn)為動態(tài)設(shè)計，從解耦分析走向耦合分析，從頻率/模態(tài)設(shè)計轉(zhuǎn)為響應(yīng)設(shè)計[3]。

1 輸電鐵塔模型的建立

1.1 輸電塔動力響應(yīng)計算模型

在設(shè)計輸電桿塔時，往往是將導(dǎo)線和桿塔分離開來設(shè)計，導(dǎo)線的自重影響被認為是外荷載施加于桿塔上，由于桿塔結(jié)構(gòu)相對高聳，自振的周期頗大，所以一般情況下主要比較關(guān)心脈動風導(dǎo)致的風振影響。

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，對單塔模型進行模態(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，本塔繪制過程中共建立29個圖層。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lgw格式文件，生成單塔模型。原始設(shè)計輸電塔司令圖如圖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，說明輸電塔出現(xiàn)了較為嚴重的局部陣型。

2 輸電塔風振響應(yīng)分析

在研究塔式結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)時應(yīng)從風荷載的構(gòu)成入手，即靜風荷載和脈動風荷載兩部分。靜風荷載可以由風速計算而得，脈動風荷載則是用風壓調(diào)整系數(shù)乘以靜風荷載得到的[4]。脈動風速的均值不為零，荷載是隨著時間的變化而變化的。其對輸電塔等的作用是難以忽視的，并會對結(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。本文采用脈動風研究輸電塔的風振響應(yīng)，在脈動風速時程曲線模擬過程中已經(jīng)考慮了脈動風振系數(shù)和風壓高度變化系數(shù)。在考慮順風向的風速時，根據(jù)其組成部分平均風風速和脈動風風速，則t時刻的風速v（z，t）如下式，由此可計算出輸電塔各段在時刻t的風速。

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風速譜作為目標功率譜模擬輸電塔的脈動風速時程。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°的風速時程曲線。自回歸階數(shù)P取4階，時間步長△t=0.1s，采樣頻率為0.01Hz，時長取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風。

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

3 數(shù)值方法性態(tài)評價

由于輸電塔自由度較多，本文主要選擇輸電塔頂點的風振響應(yīng)作為研究對象，加之現(xiàn)有計算機的計算效率和存儲量也很難在積分步長足夠小的情況下快速計算并存儲所有自由度的動力響應(yīng)。因此，為了提高計算效率和節(jié)省計算機資源，本文對原輸電塔有限元模型進行了合理的簡化。

目前研究動力學特性的方法為模態(tài)分析方法，其主要包括試驗?zāi)B(tài)分析與數(shù)值模態(tài)分析兩種，對目前復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動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)的振動屬性，通過對其進行模態(tài)分析，可以判斷結(jié)構(gòu)在哪一個頻率區(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。輸電塔的動力相應(yīng)問題頗為復(fù)雜，但又是研究結(jié)構(gòu)的重要部分。振動狀態(tài)判斷所依據(jù)的規(guī)則是，在由主要動力自由度組成的簡化結(jié)構(gòu)的某一模態(tài)振型中：若沿X方向振型的數(shù)據(jù)明顯大于其它兩個方向的振型數(shù)據(jù)，則可判定為沿X方向的平動模態(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為跟開寬度。

根據(jù)計算，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)分析中并不存在個別桿件的局部變形，則模型正確。

本文采用ANSYS有限元對輸電鐵塔原始模型建模，并通過風速譜進行線彈性風振響應(yīng)的研究。通過編寫相應(yīng)程序，使用MATLAB軟件對輸電鐵塔結(jié)構(gòu)簡化模型進行線彈性風振響應(yīng)時程分析。通過選擇塔頭、塔腿脈動風速相應(yīng)的比較，來體現(xiàn)整體風振響應(yīng)的一致性。

4 結(jié)論

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

本文在線彈性范圍內(nèi)以求解鼓型輸電塔的風振響應(yīng)為例，通過建立單塔模型，加載脈動風譜，提取模態(tài)頻率，分析了該輸電塔在脈動風作用下的風振響應(yīng)[7]。目前，關(guān)于塔架的動力響應(yīng)分析是頗為復(fù)雜的，諸如當今著重討論的課題主要關(guān)于結(jié)構(gòu)在脈動風和地震荷載下的響應(yīng)，而模態(tài)分析則是進行這些科學研究的根據(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響應(yīng)、根據(jù)實際情況分段輸入質(zhì)量信息等，以使計算結(jié)果更接近實際，為工程提供參考。

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[責任編輯：李書培]