梁楓 崔寒珺

摘要：在輸電線路體系中，高壓輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)尤為重要，相較于其他電力設(shè)備，其具有諸多方面的特點，主要體現(xiàn)在高度、跨度、柔性、耦合作用等方面，隨著此類裝置的增加，關(guān)于其抗震性的研究逐漸深入。因此，本文通過結(jié)合實例的方式，對高壓輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的抗震性能展開研究，首先分析了導(dǎo)致線路桿塔受損的地震災(zāi)害，其次針對桿塔結(jié)構(gòu)建立分析模型，在此基礎(chǔ)上，分析了其動力特性，最后分析了桿塔結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力，并輔以數(shù)據(jù)佐證。希望通過研究，為相關(guān)行業(yè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：高壓輸電；桿塔結(jié)構(gòu)；抗震；性能

DOI：10.12433/zgkjtz.20241251

一、輸電線路地震災(zāi)害分析

地震發(fā)生后線路受損，其主要原因是線路設(shè)防烈度低于地震烈度，處于地震斷裂帶處的線路受到的影響最為嚴(yán)重。國內(nèi)外因地震而出現(xiàn)的輸電線路桿塔損壞的現(xiàn)象屢見不鮮。

因地震帶來的次生災(zāi)害，同樣是導(dǎo)致輸電線路和桿塔受損的重要原因，如泥石流、山體滑坡等。調(diào)查結(jié)果表明，若輸電桿塔所處位置較為有利，其在遭受嚴(yán)重地震時受到的損害更小。為此，應(yīng)將線路的重要性作為依據(jù)，同時兼顧成本，在路徑和塔位的選擇上，以有利位置為標(biāo)準(zhǔn)，以此規(guī)避或降低次生災(zāi)害對輸電線路的影響。

二、分析模型

（一）對象

本次研究以某地區(qū)高壓輸電線路工程中使用的桿塔為研究對象，主要分為兩類：單回耐張塔和直線塔。假設(shè)桿塔所處的環(huán)境，風(fēng)速為每秒25m、覆冰厚度為10mm、導(dǎo)線截面積為4×JL/G2A-720、地線-OPGW-150、ZVB7102對中相V串加以應(yīng)用。同時，設(shè)置酒杯型桿塔，其導(dǎo)線排列方式以水平排列為主，其中，水平檔之間的距離為450m，垂直檔之間的距離為600m，塔的重量為30t。單回耐張塔屬于干字型鐵塔，其水平檔之間的距離為500m，處置擋距離分別為550m和150m，塔高39m，重量為45t。

（二）參數(shù)

本研究在分析桿塔結(jié)構(gòu)抗震性能的過程中，應(yīng)用的軟件為STAAD，該軟件在國內(nèi)外均被廣泛應(yīng)用，考慮到鐵梁桁模型比較符合受力狀態(tài)下的鐵塔，故將其作為模型選擇。值得注意的是，在計算動力特性的過程中，不會對地線重量進行計算。簡言之，就是忽視線路導(dǎo)地線對桿塔結(jié)構(gòu)抗震性能提供的有利作用。在計算方法的選擇方面，以振型分解反應(yīng)譜法為主，其中，桿塔內(nèi)各項參數(shù)指標(biāo)如下所述：

1.鋼材彈性模量：2.06×105N/mm2。

2.剪變模量：7.9×104N/mm2。

3.密度：7850kg/m?。

4.阻尼比：0.03。

（三）荷載組合

在荷載組合上，考慮地震作用效應(yīng)組合的過程中，主要依據(jù)架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定完成荷載組合。在考慮地震作用時，將電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范作為依據(jù)，其中，風(fēng)荷載、活荷載組合系數(shù)的取值分別為0.2和0.35，承載力抗震調(diào)整系數(shù)的取值0.8，若桿塔處在不利位置，則該取值會增加到1.3。

三、桿塔動力特性分析

在開展振動研究前，需要對結(jié)構(gòu)動力特性進行詳細(xì)分析，同時，分析結(jié)果還能為地震響應(yīng)分析提供數(shù)據(jù)支持。在分析桿塔周期和振型后，可明確桿塔剛度的分布狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，即可定位桿塔的薄弱處。該軟件完成模態(tài)分析，技術(shù)人員可掌握桿塔的自振周期和振型，酒杯型和干字型桿塔的特點如下：

（一）酒杯型桿塔

階數(shù)1：頻率為1.446Hz；周期為0.69s；振型描述：縱向彎曲振動。階數(shù)2：頻率為1.452Hz；周期為0.68s；振型描述：橫向彎曲振動。階數(shù)3：頻率為2.126Hz；周期為0.47s；振型描述：豎向扭轉(zhuǎn)振動。階數(shù)4：頻率為4.713Hz；周期為0.21s；振型描述：縱向彎曲振動。階數(shù)5：頻率為4.723Hz；周期為0.215s；振型描述：橫向彎曲振動。階數(shù)6：頻率為6.8513Hz；周期為0.146s；振型描述：豎向扭轉(zhuǎn)振動。

（二）干字型桿塔

階數(shù)1：頻率為2.4063Hz；周期為0.413s；振型描述：縱向彎曲振動。階數(shù)2：頻率為2.4073Hz；周期為0.415s；振型描述：橫向彎曲振動。階數(shù)3：頻率為3.7813Hz；周期為0.264s；振型描述：豎向扭轉(zhuǎn)振動。階數(shù)4：頻率為5.0193Hz；周期為0.196s；振型描述：縱向彎曲振動。階數(shù)5：頻率為5.432Hz；周期為0.181s；振型描述：橫向彎曲振動。階數(shù)6：頻率為6.132Hz；周期為0.161s；振型描述：豎向扭轉(zhuǎn)振動。

通過上述參數(shù)可知，兩種桿塔在第一階時，在振型上具有相似特征，均以縱向平動為主，由此可見，桿塔縱向剛度偏低，而扭轉(zhuǎn)在3個階段出現(xiàn)，且扭轉(zhuǎn)周期與平動周期之間存在顯著差距，說明桿塔抗扭轉(zhuǎn)度良好。6個階段內(nèi)，局部振動振型均未出現(xiàn)，表明上述桿塔剛度分布均勻程度較好，整體性能優(yōu)越，在地震發(fā)生后，桿塔不易因薄弱部件受損而受到影響。但是，由于干字型桿塔存在跳線架，結(jié)構(gòu)對稱效果不佳，導(dǎo)致相同振型中對稱桿件的振幅存在明顯差異，具體表現(xiàn)為地線支架側(cè)的振幅更大。

四、桿塔結(jié)構(gòu)抗震性能分析

為降低分析難度，更直觀地了解桿塔在地震作用下的狀態(tài)，在表示地震作用對桿件影響程度時，應(yīng)用公式：

β=SE/S0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 式（1）

式（1）中，地震組合下桿件內(nèi)力由SE表示；未發(fā)生地震時，桿件內(nèi)力由S0表示；若β值較大，則表明桿件受到地震的影響較為嚴(yán)重，反之亦然。如果β值超過1，則表示地震作用會完全控制桿塔內(nèi)力。

（一）酒杯型桿塔

酒杯型桿塔桿件數(shù)量為350根，為明確桿塔在不同地震作用下的受力情況，對三類地震水準(zhǔn)、地震烈度和四類場地下的內(nèi)力加以計算，最終得到β值，用于反映桿塔內(nèi)部桿件的受力情況。β值的大小，與場地類別之間存在密切關(guān)系，具體表現(xiàn)為場地類別越高，β值越大。而桿件內(nèi)力的受影響程度，與抗震烈度息息相關(guān)，而場地類別的影響程度最小。具體情況如下：

1.抗震烈度

酒杯型桿塔結(jié)構(gòu)，其主材結(jié)構(gòu)的β值不超過1，在7度時，β值處在0.3281～0.3391之間；8度時處在0.3631～0.3852之間；9度時處在0.4～0.5之間。

塔身斜材在7度時，β值處在0.07～0.25之間；在8度時，β值處在0.09～0.33之間；9度時，β值處在0.12～0.49之間。

上下曲臂桿件：其β值均低于1，其中，在7度時，曲臂主材的β值處在0.06～0.07之間內(nèi)；在8度時，曲臂主材的β值處在0.1～0.62之間；在9度時，曲臂主材的β值處在0.16～0.66之間。

邊導(dǎo)線主材：其β值均低于1。其中，主材的β值，處在0.4～0.5之間，上下面斜材為0.18～0.28之間。地震組合會對正面部分的斜材內(nèi)力給予控制，其值處在1.0～1.2的范圍內(nèi)。

中導(dǎo)線衡梁桿件：其β值均低于1。其中，主材的β值處在0.33～0.42之間，斜材為0.09～0.70之間。

地線支架桿件：β值均低于1。其中，主材的β值處在0.15～0.31之間，斜材為0.02～0.27之間。

瓶口橫隔面桿件：β值處在0.3～0.5之間，斜材為1.25～4.2之間，由于斜材內(nèi)力較小，選擇桿件材料時需要依據(jù)長細(xì)比。

2.設(shè)防地震水準(zhǔn)

在設(shè)防地震水準(zhǔn)下，地震烈度和場地類別均會對β值產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為β值會隨著二者的提高而增加，其中，抗震烈度對桿件的影響顯著高于場地，具體情況如下：

主材結(jié)構(gòu)的β值不超過1，在7度時，β值處在0.39～0.46之間；8度時處在0.45～0.57之間；9度時處在0.58～0.75之間。

塔身斜材在7度時，β值處在0.1～0.4之間；8度時，β值處在0.15～0.60之間；9度時，β值約為1.05。在選擇其余桿件材料時，可以不考慮地震情況。

上下曲臂桿件：其β值均低于1，在7度時，曲臂主材的β值處在0.30～0.55之間；8度時，曲臂主材的β值處在0.38～0.59之間；9度時，曲臂主材的β值處在0.52～0.82之間。

邊導(dǎo)線主材：其β值均低于1。其中，主材的β值處在0.49～0.55之間，上下面斜材在0.20～0.38之間。地震組合會對正面部分的斜材內(nèi)力給予控制，其值處在1.02～1.69范圍內(nèi)。由于斜材內(nèi)力較小，選擇桿件材料時需要依據(jù)長細(xì)比。

中導(dǎo)線衡梁桿件：7～8度時的β值均低于1。其中，主材的β值在0.36～0.76之間，斜材在0.10～0.84之間。但在9度時，上平面部分斜材的β值均會超過1，達到1.4，但選擇桿件材料時，不會受地震組合的影響。

地線支架桿件：β值均低于1。其中，主材的β值在0.5～0.98之間，斜材在1.54～9.9之間。

瓶口橫隔面桿件：β值處在0.4～0.87之間，斜材在1.54～9.9之間。由于斜材內(nèi)力較小，選擇桿件材料時，需要將長細(xì)比控制作為依據(jù)。

在罕遇地震水準(zhǔn)下，地震烈度對β值的影響最嚴(yán)重，具體情況如下：

7～8度時，主材結(jié)構(gòu)的β值不超過1。塔身斜材在7度時，β值處在0.16～0.65之間；8度和9度時，地震工況會對內(nèi)力選材造成影響。β值超過1。

上下曲臂桿件：其β值在7～8度時均低于1；9度時，曲臂主材的β值約為1.08。

邊導(dǎo)線主材：其β值均低于1。其中，主材的β值處在0.5～0.56之間，上下面斜材為0.25～0.6之間。地震組合會對正面部分的斜材內(nèi)力給予控制，其值處在1.17～2.06的范圍內(nèi)。由于斜材內(nèi)力較小，選擇桿件材料時，需要依據(jù)長細(xì)比。

中導(dǎo)線衡梁桿件：主材的β值處在1.17～2.05之間，斜材為0.12～0.9之間。但在8或9度時，上平面部分斜材的β值均會超過2，但由于桿件內(nèi)力較小，故選材時，主要依據(jù)長細(xì)比。

地線支架桿件：β值均低于1。其中，主材的β值處在0.19～0.46之間，斜材在0.06～0.47之間。

瓶口橫隔面桿件：在7～8度時，β值處在0.47～0.87之間。

計算酒杯型桿塔在地震作用下的內(nèi)力后得知，該塔與抗震設(shè)計要求吻合。其中，桿塔的抗震薄弱部位分別為瓶口、橫隔面和腿部斜材處。因此，在設(shè)計上述部位的過程中，需要增加角鋼規(guī)格的等級，并通過應(yīng)用連接構(gòu)造措施，保證抗震效果。

（二）干字型轉(zhuǎn)角塔

該塔共有550個桿件，為對其在各種條件下的受力情況進行分析，本文分別計算兩種地震水準(zhǔn)下桿塔的桿件內(nèi)力。

1.多遇地震

在多遇地震條件下，β值的大小與地震烈度和場地類別存在直接關(guān)聯(lián)，其中，前者的影響程度遠(yuǎn)大于后者。具體情況如下：

塔身主材和斜材的β值均小于1，其中，前者處在0.6～0.85之間；后者處在0.2～0.62之間。

地線主材、上下平面斜材：β值均小于1。其中，前者處在0.16～0.65之間，后者處在0.05～0.63之間。在地震組合的影響下，地線內(nèi)部分斜材內(nèi)力較大，其β值超過1.3，由于桿件內(nèi)力偏小，選擇桿件材料時，依然以長細(xì)比為主。

導(dǎo)線橫擔(dān)主材：β值處在0.4～0.89之間。其中，地震組合會對部分斜材產(chǎn)生影響，故此部分斜材，β值較大，最大值為3.9，最小值超過1。但因桿件內(nèi)力表達，依然以長細(xì)比為標(biāo)準(zhǔn)選擇桿件材料。

2.設(shè)防地震

在此條件下，β值的大小同樣與地震烈度和場地類別有密切關(guān)系。其中，前者的影響程度更高。具體情況如下：

變坡點和下塔身的主材和斜材β值均小于1；導(dǎo)線地線橫擔(dān)和跳線主材的β值均小于1；9度設(shè)防地地震下，部分橫隔面的內(nèi)力與地震工況存在關(guān)聯(lián)，β值處在1.07～1.11之間。

五、結(jié)論

綜上所述，本文研究結(jié)果表明，在對高壓輸電線路桿塔進行抗震設(shè)計的過程中，要明確桿塔的抗震性能，并依據(jù)計算結(jié)果選擇合適的桿件材料。通常情況下，桿件內(nèi)力與地震烈度和場地類別息息相關(guān)。其中，前者的影響程度遠(yuǎn)大于后者，為此，建議設(shè)計人員對此類情況給予高度重視。

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