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不等高输电塔线体系风致动力响应分析
不等高输电塔线体系风致动力响应分析
陈俊旗* 王伟
哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨150090
 [收稿日期]: 2010-03-24
摘要

以山区常用输电塔5A-ZBC2为基础,建立了山区的不等高输电塔线体系。考虑到高差的不断变化以及不同方向攻角风荷载的作用,运用随机模拟风振分析方法对其进行了分析。结果表明,位于山顶的输电塔顶位移均值最大; 位于山坡的次之; 而位于山底的最小。而对不平衡张力来说,位于山坡的塔所受的不平衡张力最大; 位于山顶的塔次之; 位于山底的塔最小。随着高差的增大,塔顶位移和不平衡张力增大。塔顶位移主要受导线风荷载影响,而塔顶速度和加速度与塔的一阶振型有关,导线振动与荷载激励相关。


引言

为了进一步满足经济发展、能源配置和生态环境保护的战略需要,国家提出了“西电东输”、“北电南送”的电力发展战略,高电压、超高压的输电线路建设成为电力供应的主要发展模式。国家电网公司已经建成国内首条1000kV特高压交流试验示范工程——晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范工程,而更多的高压、超高压输电线路也正在规划之中。输电线档距越来越大,水平档距常能达到500m以上,且经常要跨过山区。然而,输电塔线体系集高耸、大跨、柔索等特性于一体,结构形式复杂,对风作用敏感,容易发生风致振动破坏,尤其在山区复杂风场情况下更易发生破坏。日本学者曾记录了某一山区安装的输电塔的风致振动特性,研究了风速低于25m/s时该单一输电塔的全尺度数据(Momomura等,1997;Okamura等,2003),其研究主要侧重于山区一个单点区域中的一个单塔。因此,有必要对山区输电塔线体系的风振反应进行分析。

本文以在山区常用的5A-ZBC2型500kV输电塔为例,建立了不同垂直档距的输电塔线体系精细化有限元模型,应用非线性随机模拟风振分析方法,对其进行了风致动力响应分析。

1 有限元模型

塔线耦联体系精细化三维有限元模型,是指将多跨输电塔和导(地)线同时建模,以模拟两者间振动耦合效应的模型。本文以5A-ZBC2型塔为背景,建立了如图1所示各塔高程不同的“三塔四线”模型,即3个输电塔和4跨导(地)线,且边跨导(地)线也取整跨。导线型号为4×LGJ-400/35,地线型号为JLB40-150,四跨导线的水平档距均为550m,1#塔位于山底,2#塔位于山坡,3#塔位于山顶,1#塔、2#塔与3#塔之间的高差为h。

1.1 输电塔建模

5A-ZBC2型塔是专为山区设计的输电塔,呼高48m。塔体主材和横担主材采用Q345钢,塔体斜材及其他辅助材采用Q235钢,共有28种角钢,用ANSYS进行建模,输电塔各杆件采用可自定义截面形状的BEAM188梁单元模拟。该单元具有分析弹性、塑性、蠕变等功能。

1.2 绝缘子及导(地)线建模

绝缘子一端铰接于输电塔横担,另一端铰接于导(地)线,用LINK8空间杆单元模拟。导(地)线作为一种柔性构件,不能承受弯矩和压力,只能承受拉力,可采用悬链线索单元对其进行模拟(邵天晓,2003),故可用LINK10单元来模拟,该单元常用来模拟松弛的索或链结构。

1.3 边界条件

输电塔底部塔腿与基础连结处的三方向平动及转动自由度全部约束,由于耐张塔的刚度相对非常大,可近似认为边跨的导(地)线终端也是固结的(梁峰等,2007)。坐标系方向如图2所示,垂直输电线方向为x向,顺输电线方向为y向,输电塔高度方向为z向。

图 1 输电塔线体系精细化有限元模型 Fig. 1FEM model of transmission line system

图 2 坐标及风向角 Fig. 2Coordinate system and wind direction
2 风振分析方法
2.1 非线性随机模拟风振分析方法

随机模拟风振响应分析方法(武岳等,2002)是一种以Monte Carlo法为基础的时程分析方法,具体实施步骤为:

(1)根据风荷载的统计特性进行计算机模拟,人工生成具有特定频谱密度和空间相关性的风速时程(激励样本),并转化为风压时程作用在结构上;

(2)根据激励样本,在时域内采用Newmark 逐步积分法对运动方程进行求解,得到每一时间步的节点位移、速度和加速度;

(3)对响应样本进行统计分析,确定风振响应的均值、均方差和相应的频谱特性,进而总结结构的风振响应规律。

这一方法适用于任意系统和任意激励,并且可以得到较完整的结构动力响应全过程信息,是分析输电塔线体系风振响应的有效途径之一。

2.2 山区平均风速场

目前对有多个连绵山丘的情况还没有建立起山坡山脊的风速加强计算公式或数学模型,而仅有定性的观察结果(陈平,2007),为此本文的山地平均风速场建立在理想的二维地形情况之上,并按照《建筑结构荷载规范(GB 50009—2001)》(中华人民共和国国家标准,2001)中的公式(7.2.2)对山区风压高度变换系数进行修正。

2.3 脉动风速时程的数值模拟

在工程上通常认为,任意时刻t的风速向量由平均风和脉动风组成。按照《架空送电线路杆塔结构设计技术规定(DL/T 5154-2002)》(中华人民共和国国家标准,2002),500kV输电线路基准风速的高度取离地20m,本文取基准高度平均风速V=30m/s。同时采用线性滤波法,基于AR自回归模型,利用Fortran程序模拟生成塔身节点的脉动风速时程。其中,风速功率谱为Davenport谱,B类地貌,风荷载时间步长为0.1s,持时为200s。

根据节点的脉动风速、平均风速、塔身分段和荷载分配节点数,可进一步得到节点的风力时程,并将模拟所得的风力时程施加在计算模型的节点上进行风荷载时程计算。

这里给出1#塔顶高度处模拟的风速时程,如图3所示。图4给出的是模拟的风速谱与改进的Davenport谱之间的对比,其结果比较一致。

图 3 风速时程曲线 Fig. 3Time history curve of wind velocity

图 4 20m高度处风速谱 Fig. 4Power spectrum of wind velocity at height of 20m
3 风振响应结果分析

考虑到高差h在0—100m之间变化,本文给出了45°、60°、90°三种不同攻角风荷载作用下,输电塔线体系的反应。

3.1 塔顶位移响应分析

图5—图7分别给出了在三种不同攻角风荷载下,1#、2#、3#塔的塔顶x向位移均值对比。从图中可以看到,在三种不同攻角风作用下,随着高差的增大,塔顶x向位移均值也随之增大,且位于山底的1#塔顶x向位移均值增加缓慢;位于山坡处的2#塔顶x向位移均值增大速度明显加快;而位于山顶处的3#塔顶x向位移均值增加最快。45°攻角下的塔顶x向位移均值最小;60°与90°攻角下的塔顶x向位移相差不大。60°与90°攻角下的塔顶x向位移约是45°攻角下的塔顶x向位移均值的两倍。由此可见,60°与90°是较为不利的风攻角,这主要是因为对输电铁塔来说,导(地)线上的风荷载对其影响较大,当风向与导线方向越垂直时,导(地)线上所受的风荷载越大,所以相应传到输电塔上的荷载也越大。

3.2 纵向不平衡张力分析

输电铁塔所受到的不平衡张力是铁塔倒塌的主要原因(孟遂民等,2007),图8—图10分析了三种不同攻角风荷载作用下,铁塔所受的纵向不平衡张力。其中,不平衡张力为正时表示导线往高号塔方向的张力大;为负时表示导线往低号塔方向的张力大。从图中可以看出,随着高差的增大,不平衡张力也是随之增大的。在相同高差下,位于山坡的总是2#塔的不平衡张力最大;位于山顶的3#塔次之;位于山底的1#塔最小。在45°攻角下塔的纵向不平衡张力最小,绝对值在7kN以下,且变化不大;在60°攻角下的不平衡张力约是90°攻角下不平衡张力的一半,且两者的不平衡张力都较大;在90°攻角下的不平衡张力最大,已达到40kN左右,达到了单相导线最大使用张力的26%,所以应引起注意。

图 5 45°攻角下塔顶x向位移均值 Fig. 5The mean displacement in x direction at towers’ top in 45° wind direction

图 6 60°攻角下塔顶x向位移均值 Fig. 6The mean displacement in x direction at towers’ top in 60° wind direction

图 7 90°攻角下塔顶x向位移均值 Fig. 7The mean displacement in x direction at towers’ top in 90° wind direction

图 8 45°攻角下各塔纵向不平衡张力 Fig. 8Unbalanced tensions of towers in 45° wind direction

图 9 60°攻角下各塔纵向不平衡张力 Fig. 9Unbalanced tensions of towers in 60° wind direction

图 10 90°攻角下各塔纵向不平衡张力 Fig. 10Unbalanced tensions of towers in 90° wind direction
3.3 频谱特性分析

对50m高差及90°攻角下2#输电塔塔顶位移、速度和加速度进行了频谱分析,如图11—图13所示。输电塔在随机风荷载作用下,顶点位移频谱主要集中在低频段,受导线的振动影响较大,输电塔顶点位移的影响主要来自于风荷载及导线的振动,同时反映输电塔振动的一阶振型也作了很大的贡献。而对于速度、加速度来说,主要贡献来自于输电塔的一阶振型,同时导线的低频振动影响也不可忽视。

导线中点的位移频谱(图14)显示,振动也主要集中于低频区,同自然风的频谱曲线相似,表明在风荷载作用下,导线主要按自然风的频率进行受迫振动。而从体系固有频率看,导线一阶频率贡献很大,塔的振动对导线影响很小。

图 11 50m高差90°攻角下2#塔顶位移的傅氏谱 Fig. 11Power spectrum of displacement at 2# tower’s top (h=50m, θ=90°)

图 12 50m高差90°攻角下2#塔顶速度的傅氏谱 Fig. 12Power spectrum of velocity at 2# tower’s top (h =50m, θ=90°)

图 13 50m高差90°攻角下2#塔顶加速度的傅氏谱 Fig. 13Power spectrum of acceleration at 2# tower’s top (h=50m, θ=90°)

图 14 50m高差90°攻角下导线位移的傅氏谱 Fig. 14Power spectrum of displacement of line(h=50m, θ=90°)
4 结论

(1)随着高差的增大,山区输电塔在风荷载作用下的塔顶位移均值和不平衡张力均增大。

(2)在相同攻角风荷载作用下,位于山顶的塔顶位移均值最大;位于山坡处的塔顶位移均值次之;而位于山底处的塔顶位移均值最小。在相同攻角风荷载作用下,位于山坡的塔所受不平衡张力最大;位于山顶的次之;而位于山底的塔所受不平衡张力最小。对90°攻角下风荷载的作用应该引起特别注意。

(3)输电塔的塔顶位移受导线作用影响较大,而塔顶速度和加速度主要与输电塔的一阶振型有关。导线的振动规律主要体现在受迫振动,与所受荷载频率相关。

参考文献
[1]陈平,2007.地形对山地丘陵风场影响的数值研究. 浙江大学硕士论文 [本文引用:1次]
[2]梁峰,李黎,尹鹏,2007.大跨越输电塔-线体系数值分析模型的研究. 振动与冲击, 26(2):61—65.[本文引用:1次]
[3]孟遂民,孔伟,2007.架空输电线路设计. 北京:中国电力出版社 [本文引用:1次]
[4]邵天晓,2003.架空送电线路的电线力学计算. 北京:中国电力出版社 [本文引用:1次]
[5]武岳,郭海山,陈新礼,沈世钊,2002.大跨度点支式幕墙支撑结构风振性能分析. 建筑结构学报, 23(5):49—55.[本文引用:1次]
[6]中华人民共和国国家标准,2002.架空送电线路杆塔结构设计技术规定(DL/T 5154-2002). 北京:中国电力出版社 [本文引用:1次]
[7]中华人民共和国国家标准,2001.建筑结构荷载规范(GB 50009-2001). 北京:中国建筑工业出版社 [本文引用:1次]
[8]Momomura Y., Marukawa H., Okamura T., Hongo E., Ohkuma T.,1997.Full-scale measurements of wind-induced vibration of a transmission line system in a mountainous area.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,72: 241—252.[本文引用:1次]
[9]Okamura T., Ohkuma T., Hongo E., Okada H.,2003.Wind response analysis of a transmission tower in a mountainous area.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,91: 53—63.[本文引用:1次]


Analytical Study of Wind-induced Vibration of a Transmission Line System in Mountainous Area
Chen Junqi* and Wang Wei
School of Civil Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China
Abstract

The finite element model of multi-tower-line coupled system in a mountainous area is established, which is based on the 500kV 5A-ZBC2 transmission tower. The time histories of wind speed acting on transmission tower-line system are simulated with the harmony superposition method. This paper discusses the mean displacement values and the unbalanced tensions of towers which are in different locations of the mountain. The vibration frequency spectrum of tower and line is also discussed. We conclude out that the mean displacement value of tower which is in the top of mountain is maximal. However, the unbalanced tension of tower which is in the hillside is maximal.



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不等高输电塔线体系风致动力响应分析
陈俊旗* 王伟
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20100312