王海涛
国网蒙东检修公司鄂尔多斯市输电工区 内蒙古 呼和浩特 010020
摘要：输电塔线体系是一种高耸柔性结构，对环境荷载尤其是风荷载非常敏感，易产生较大的动力响应。国内外研究者在塔线体系风致响应的研究方面主要采用风洞试验、现场实测以及有限元数值模拟。相较于风洞试验与现场实测，有限元数值模拟不仅可以考虑输铁塔与导线之间的耦合振动效应，同时还可以实现不同风速场中的塔线体系风振响应分析，因此在输电线路结构的风振响应研究中得到了广泛应用。最早Ozono等开始采用有限元方法，研究输电线路中档距、导线质量、边界条件等对风致动力响应和塔线耦合作用的影响。杨文刚等建立了特高压单柱拉线塔的塔线体系的非线性有限元模型，通过Newmark法对拉线塔的塔线体系的风振响应进行时程分析。
关键词：塔线体系；有限元计算；谐波叠加法；风振响应；登塔作业
引言
输电塔线体系是一种高耸柔性结构，对环境载荷尤其是风载荷非常敏感，易产生较大的动力响应．塔线之间的耦联作用提高了对输电塔线体系的动力特性和风致响应的评估难度，正确处理非线性很强的输电线是精确计算塔线体系风振响应的关键。
1理论模型建立
1.1输电塔线体系有限元模型
文中以±800kV特高压直流线路的典型塔线体系作为研究对象。由于直线塔的结构强度相对耐张塔低、高度更高且使用量大，因而文中针对直线塔进行仿真建模分析。选用的塔型为直线塔，铁塔总高41m，呼高36m，塔底根开距离7.58m，铁塔塔身主材采用Q420C钢，斜材及辅助材采用Q345B和Q235B钢。该杆塔为空间杆件系统，故各杆件采用Ansys的BEAM188梁单元进行建模。导线为型号为JL/G2A-1000/80钢芯铝绞线，地线型号为LBGJ-150-20AC，输电线具有几何非线性，在自重和是运行张力的作用下呈现处悬索结构，选用Ansys中仅承受拉力和压力的Link10单元模拟导线。
1.2输电线力学模型
输电线具有极强的几何非线性，正确处理输电线是分析输电塔线体系风振响应及其他问题的关键。输电线在自身重力及运行张力的共同作用下呈现出一定的垂度，是一种典型的悬索结构。悬链曲线理论是悬索只承受均布载荷时的精确计算理论，此时两端固定的悬索为一条悬链线。
2输电塔线体系的风振分析
2.1输电塔线体系的动力特性
在对塔线体系模型研究的基础上,为了验证其模型的合理性以及研究结构在风荷载等动力作用下的性能时,都必须先研究结构的动力特性,即结构的周期(频率)和振型。由于输电塔线体系自身结构的复杂性和形式的多样性,导致结构的动力特性计算较为复杂。国内也有学者专门对输电塔线体系的动力特性进行了研究。针对输电塔线体系采用了3种杆件计算模型,即桁架杆单元、索单元和预应力杆单元,计算分析了输电塔线体系的动力特性。结果表明,导地线和绝缘子对输电塔的动力特性有一定的影响。通过工程实例分析了塔线体系振动耦合对塔线自振频率和振型的影响。研究表明,导线与塔的质量比对输电塔体系的自振频率有所影响,而对各阶振型的影响不明显。针对输电塔线体系,考虑塔线之间的耦合作用,以500KV江阴输电线路为工程背景,建立了索杆非线性有限元模型,对单塔、单塔加绝缘子及导线、两塔一线及两塔三线等力学模型分别研究了其动力特性。结果表明,两塔三线体系更加接近实际情况。建立了钢管组合塔的杆梁混合模型,采用子空间迭代法得到了结构的前5阶模态,研究了不同垂直档距下的输电塔结构的动力特性及其变化特点,并与实测所得的周期近似公式与经验公式进行了对比,经过修正得到了该类结构在考虑与不考虑导地线影响的一阶周期计算公式。
2.2输电塔线体系的风致动力响应
按照我国《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T5154-2002)规定,对输电塔、导地线风荷载计算,规范采用拟静力计算方法,即将脉动风荷载以风振系数形式等效为静力风荷载。由于导地线、绝缘子串的几何非线性,导地线在脉动风作用下会产生时变动张力,动张力传到输电塔上使输电塔发生位移,与输电塔在风荷载作用下的位移相叠加,而输电塔振动又会使导线发生位移,使得导线内的张力发生进一步变化,它们之间存在着复杂的耦合作用。而我国规范将输电塔和输电线分开计算其风荷载,将导地线上的荷载当作外荷载作用在输电塔上,并没有考虑塔线之间的耦合作用。为了提高输电塔线体系的抗风安全性,需要对输电塔线耦合体系进行脉动风荷载作用下的风致动力响应时域分析。通过对塔线体系风速场的数值模拟,将其作用在塔线体系分析模型上,即可对塔线耦合体系进行风致动力响应时程分析。分析塔线体系的位移和加速度响应及杆件的动应力,从而指导输电塔线体系的抗风设计。
2.30°风向角风振响应分析
0°风向角下，塔线体系塔顶位移均方根值为0．0689m，单塔塔顶位移均方根值为0．0397m．由于塔线耦合效应，塔线体系塔顶位移响应均方根值比单塔增大1．73倍。对比塔顶位移和加速度功率谱，位移响应在低频处有较高的能量分布，该部分为背景响应。背景响应为响应谱中与风速谱形状相近的部分，体现了脉动风的准静力作用．共振响应为结构自振频率附近响应谱的尖峰部分，体现了因惯性力产生的动力放大作用．在共振响应部分，单塔塔顶位移功率谱共振响应卓越频率(即输电塔的一阶模态频率)为1．96Hz;塔线体系中间塔塔顶位移功率谱卓越频率(即塔线体系中导、地线一阶平面内振动频率和输电塔一阶平面内振动频率)为0．16，0．22和2．08Hz.单塔和塔线体系中输电塔风振响应以一阶振型为主，且塔线体系受到导线和地线一阶自振的影响．输电塔和塔线体系加速度响应均以各自一阶平面内自振频率为主。输电塔和塔线体系中间塔各层位移均方根值随高度增加而增大。输电塔0°风向角位移响应以一阶平面内振型为主，由于塔线耦合效应，塔线体系各层位移均方根值均大于单塔各层位移均方根值。
2.490°风向角风振响应
90°风向角作用下输电塔塔顶X向位移与0°风向角类似，由于输电线迎风面积更大，塔线体系出平面耦合效应更加明显．塔线体系中间塔塔顶位移均方根值是单塔的4．95倍，远超过0°风向角时位移均方根增大倍数。从X向塔顶位移功率谱可以看出，塔线体系背景响应远大于单塔，塔线耦合效应增加了输电塔的背景响应部分．共振部分卓越频率为输电线自振频率和输电塔一阶出平面振动频率，风振响应以一阶出平面振动为主。输电塔位移随塔高的增加而增大，输电塔90°风向角位移响应以一阶平面外振型为主，且由于塔线耦合效应，塔线体系各层位移均方根值均大于单塔。
结语
1)风速、地形以及档距均对杆塔风致振动产生影响，其中风速的影响最为显著。
2)作业位置所处风场风速均不超过10m/s时，铁塔振动对登塔作业人员基本不会造成不适感；2m高风速10m/s时，铁塔振动会让横担处作业人员感到相当不舒适。
参考文献
[1]李春祥,李锦华,于志强.输电塔线体系抗风设计理论与发展[J].振动与冲击,2009,28(10):15-25.
[2]郭勇，孙炳楠，叶尹．大跨越输电塔线体系风振响应的时域分析[J]．土木工程学报，2006，39(12):12-17．
[3]张骞,叶震,蔡建国,等.特高压长悬臂输电塔与输电塔—线耦合体系的风振特性[J].东南大学学报(自然科学版),2019,49(1):1-8.