丁怀德
上海柏创智诚建筑设计有限公司西安分公司，陕西 西安 741000
摘要：通过ANSYS有限元软件系统研究了输电塔在常遇地震和罕遇地震下的地震响应，并分析了输电塔在竖向地震下的动力响应。结果显示，在常遇水平地震作用下，输电塔仅发生小变形，而且横向抗震性能优于纵向；在罕遇地震作用下，输电塔将发生较大变形，横向和纵向抗震性能趋于一致。竖向地震作用对输电塔抗震性能影响较弱。这些结论可以对输电塔的抗震设计和理论研究提供理论据。
关键词：输电塔；常遇地震；罕遇地震；地震；动力响应
前言
输电塔是输电线路中的重要组成部分，是主要的承载体系。一般而言，输电塔除了承受导（地）线及其自重外，还要承受地震荷载、风荷载。此外，输电塔还要承受雷击、偶然断线荷载，在重冰区还要承受覆冰荷载。而其中地震荷载和风荷载常常对输电塔的设计起控制作用，本文主要研究输电塔在地震荷载下的抗震性能。地震荷载对建筑物设计向来起重要控制作用，对于输电塔的设计也是如此。本文借助ANSYS有限元软件，系统地研究了设防烈度为8度时的输电塔在水平向常与地震和罕遇地震下的地震响应，并且考虑了竖向地震对输电塔的影响。
1输电塔有限元模型
选取一工程实例作为计算模型，该输电塔为干字型塔，塔高86m、根开18m、塔头宽度3m，其中塔底部采用φ219和φ203薄壁钢管，塔身主材还包括Q390、Q345角钢，塔头采用Q235角钢。弹性模量E=2e11Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800Kg/m3。ANSYS建模时，用Beam188模拟组成输电塔的钢管和角钢，精密的输电塔有限元模型如图1所示。傅程鹏，邓洪洲，吴静归纳了输电塔第一周期估算公式，干字型塔的第一周期估算公式
（1）
式（1）中H表示塔高，b表示塔头宽度，B表示根开。求得T1c =0.68s，ANSYS模态分析计算出的输电塔第一周期T1=0.71s。ANSYS分析时材料模型选取双线性随动强化模型，来考虑材料非线性。此外，输电塔还会产生大变形，所以有必要考虑大变形引起的几何非线性。为了输出分析结果，取塔头位置横担两侧节点8541、8544、9564、9556、10458、10447作为位移响应输出节点，其位置如图2所示。
2 输电塔在水平地震作用下的动力响应
水平地震作用分为垂直于横担的Y向（纵向）地震作用以及平行于横担的X向（横向）地震作用，进行时程分析时，地震波选取经典的EL-CENTROL波，为便于分析，只提取EL-CENTROL波的前20s地震记录。根据《建筑抗震规范》规定，当抗震设防烈度为8度时，常遇地震加速度峰值取70cm/s2，罕遇地震加速度峰值取400cm/s2，所以要将EL-CENTROL波按照规定进行调幅，然后利用ANSYS进行瞬态动力时程分析。其计算结果如下：
表1 水平地震作用下节点位移（单位：mm）
分析表1的数据，能够得到这样的结论：在常遇地震下，X方向输入工况中，节点8541位移峰值是节点9564位移峰值的1.94倍，节点9564位移幅值是节点10447位移幅值的2.47倍；Y方向输入工况中，节点8541位移峰值是节点9654的1.83倍，节点9564位移幅值是节点10447位移幅值的2.24倍。表1的数据表明，在常遇地震作用下输电塔只发生了微小变形，因此输电塔处于弹性工作状态。另外，分析表2中的数据也可以得到这一结论。
此外，根据图3与图4以及图5，在水平向地震作用下，Y向地震引起的输电塔位移响应较大，分析表1的数据，发现 Y向地震作用下引起的位移大约是X向地震的2倍。
图3 节点8541在常与地震下的位移时程曲线 图4 X方向常与地震下的基底反力时程曲线
表1和表2中数据表明，在罕遇地震作用下，输电塔发生较大变形。在X向地震输入工况中，罕遇地震下引起的位移大约是常遇地震的10倍，罕遇地震引起的基底反力约是常
地震的6—8倍；在Y向地震输入工况中，罕遇地震下的位移是常遇地震的5—6倍，罕遇地震下的基底反力约是常遇地震的6倍。值得注意的是，在罕遇地震下，X向地震输入与Y向地震输入引起的位移响应基本一致，而且X向地震输入引起的基底反力与Y向地震输入的也较为接近。
3输电塔在竖向地震作用下的动力响应
一般认为，在常遇竖向地震下，输电塔的位移响应微弱，甚至可以忽略不计；在罕遇竖向地震下，节点8541竖向位移的响应是常遇地震的5.76倍，位于横担位置的节点9564竖向位移是常遇地震的9.16倍，横担位置的10447其竖向位移是常遇地震的13.33倍，在表3中可以得到这一结论。通过表4可以得到这样的结论，罕遇地震引起的基底反力约是常遇地震的8倍。但相对于水平地震而言，竖向地震对输电塔的作用依然较小。
4结论
（1）在常遇地震作用下，Y向（纵向）地震响应比X向（横向）的更强。也就是说在常遇地震下，输电塔X向抗震性能优于Y向。
（2）在罕遇地震作用下，输电塔会出现较大变形。在竖向罕遇地震作用下，输电塔的竖向地震响应与水平向相比依然很小。
（3）当某一地区抗震设防烈度为8度时，在常遇地震下，输电塔发生小变形，且横向抗震性能优于纵向；在罕遇地震下，横向和纵向抗震性能相差不大。竖向地震响应较弱，可以认为竖向地震对对输电塔的抗震不起控制作用。
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作者简介：姓名：丁怀德(1987.07-) ；性别：男；陕西省西安市人；学历：硕士；专业：结构工程