【精品论文】特高压输电塔—线体系的抗风性能分析.doc

精品论文特高压输电塔线体系的抗风性能分析唐珏，谢丽宇（同济大学土木工程学院结构工程与防灾研究所，上海 200092）5摘要：本文在有限元软件 ansys 中建立了特高压输电塔线体系的四线三塔的有限元模型,并 对整个输电塔线体系进行抗风性能分析。本文将常用于地震工程的增量动力分析方法应用于结构风工程，考虑了材料和几何非线性，对输电塔单塔和塔线体系进行了从弹性、非线性直 至倒塌的全过程的性能分析,获得了输电塔单塔和输电塔线体系的抗风性能曲线。通过输电10塔单塔和塔线体系的对比分析可知，导线对输电塔抗风性能的影响很大，在设计中不能忽略。关键词：特高压输电塔线体系；抗风性能分析；增量动力分析方法(ida)中图分类号：tu3923assessment of capacity curves for uhv15transmission-tower-line system under wind loadingtang jue, xie liyu(research institute of stuctual engineering & disaster reduction, school of civilengineering,tongji university, shanghai 200092)abstract: in this paper, the finite element model of uhv transmission tower-line system (ttls)20is simulated in the software ansys and the structural capacity of ttls under wind loading is assessed by a modified incremental dynamic analysis (ida). during the numerical simulationfrom elastic stage to the structural collapse, both material and geometry nonlinearities of the transmission tower are considered in the dynamic analysis. the structural capacity curves of a standalone tower and ttls are obtained via ida, respectively. by comparison, it can be verified25that the transmission lines play a vital role in the dynamic response of ttls, consequently, the influence of transmission lines is non-negligible in the design of transmission towers.key words: uhv transmission-tower-line system; strucural capacity curve; incremental dynamic analysis (ida)300引言电力系统属于生命线工程，而输电塔线体系作为电力系统的重要组成部分，其安全性 直接影响国家的生产建设和人民的生活秩序。而近年来风致倒塔事故频繁发生，究其原因， 主要是由于现行设计方法的不合理。目前除少数大跨越外，我国输电塔线体系结构设计通常 采用准静态设计方法1，而且输电塔与导线是分开设计的，该设计方法通常仅考虑导线静力35荷载的作用而忽略了导线与输电塔之间的耦合作用。准静态设计对于呼称高度较低、输电回 路单一、湍流效应不显著的输电塔线体系具有简便实用、安全储备偏于保守的特点而得以沿 用2。然而，随着电网输电向超高压或特高压化发展，输电塔高度的增加使其动力特性表现 为高耸结构的特征，大跨越体系的导(地)线、绝缘子所占结构质量比增加，且与输电塔发生 耦合振动，结构响应复杂。此时，准静态设计解决此类结构分析显然存在局限性。因此对特40高压输电塔线体系进行整体的抗风性能评估具有重要意义。国外学者 banik 等3等通过非线 性弹塑性推覆(nonlinear pushover analysis)和增量动力方法(incremental dynamic analysis)对基金项目：自然科学基金(51208377)作者简介：唐珏（1988），女，同济大学硕士研究生。主要研究方向：输电塔线体系的风灾易损性分析 通信联系人：谢丽宇（1978），男，博士，同济大学讲师，主要研究方向：结构健康监测系统及应用、结 构系统识别、自然灾害模型及损失评估. e-mail: - 8 -110kv、高度为 25.25m 的输电单塔在风荷载下的能力曲线进行了分析。并将非线性弹塑性推覆分析和增量动力方法，这两种结构抗震性能分析的常用方法应用于结构抗风性能分析的 研究。但在其研究中，忽略了导线、地线、绝缘子对输电塔的影响，而且只考虑了材料非线45性，没有考虑几何非线性，这对于非高压的输电塔来说是可行的，而对于特高压输电塔的适 用性需待研究。目前国内外对于特高压输电塔线体系的抗风性能分析的研究成果还很少。 因此，本文考虑几何非线性采用增量动力分析方法并对输电塔线体系进行抗风性能评估，并 通过对单塔的抗风性能对比分析来研究导线对输电塔性能的影响。1输电线路有限元建模及模态分析501.1输电线路有限元建模本文分析案例原型为某设计院设计的特高压输电线路。本文应用 ansys 软件建立了输 电塔线体系三维有限元模型，即将多跨输电塔和导(地)线同时建模，考虑了二者之间的振 动耦联效应的模型。本文建立的四线三塔有限元模型包括了三个输电塔和四跨导（地）线。 输电塔为鼓形塔，其主材、斜材采用 q345 无缝钢管，支撑采用 q235 角钢。塔的总高 100.6m，55呼高 54m，根开 18.75m。输电塔为杆系结构，建模单元属性采用 ansys 中的 beam188 梁单元，它的最大特点是支持梁截面形状显示，可以考虑剪切变形和翘曲，同时也支持大转 动和大应变等非线性行为。考虑结构材料的非线性，采用理想弹塑性假定，材料的屈服强度 准则采用 von mises 准则，强化规则采用双线性随动强化（bilinear kinematic, bkin）模型。 输电线的水平档距为 510m，并分为四层，最上层为地线，下面三层为导线，每相导线是八60分烈式，为简化计算，在建模时将每相八根导线按承受风荷载等效的原则，简化成一根导线 来建模4。输电线属于悬索结构，采用 link10 单元模拟，由于在荷载作用下会产生较大的位移，因此考虑其几何非线性。确定悬索平衡方程的方法主要分为悬链线理论方法和抛物线理论方法，考虑本线路最大垂跨比约为 4/85，远小于 1/8，因此本文在建模时以抛物线理论 来确定输电线的初始位型，可以满足工程的需求5。绝缘子也采用 link10 单元来模拟。建65成的有限元模型如图 1 所示。其中，输电线在边界处采用固定约束，每座输电塔底部的 4个节点也采用固定约束。该线路模型共有 7352 个单元，4717 个节点。1) 三塔四线有限元模型2） 中间输电塔的有限元模型 图1 输电塔线体系有限元模型70fig. 1 the finite element model of transmission tower-line system1.2模态分析本文在ansys中直接采用子空间迭代法对输电塔线体系进行动力特性分析，提取了体 系的3000阶振型，其中体系的前532 阶振型主要为导地线的振型，以输电塔为主的振型在533阶才出现明显的振动振型，且为z向第一阶振型，829阶为x向第一阶振型，860阶为扭转向75第一阶振型，如下图2所示。1） 塔线体系 z 向第一阶振型2） 塔线体系 x 向第一阶振型803） 塔线体系扭转向第一阶振型图2输电塔线体系整体振型fig. 2 the mode of transmission-tower-line system85以输电塔为主的振型在体系振型中阶数较高，难以分辨出以输电塔为主的各向各阶振 型。为了研究输电线对体系动力特性的影响，将塔线体系中输电塔的振型对应的自振频率与 单塔相应的自振频率做比较，结果如表 1 所示。表1 塔线体系中输电塔自振频率与单塔自振频率的比较模态塔线体系中输电塔自振频率单塔自振频率相对偏差（%）塔线体系整体振动中输电塔的振型 描述10.32551.207173.03z轴向弯曲振动20.50141.1837-57.64x轴向弯曲振动30.50911.7450-70.83扭转向振动tab. 1 the comparison of frequency between the transmission tower-line system and the single tower90由上表可见，塔线耦联体系作为一个整体振动时，输电塔结构的动力特性与单杆输电塔结构的自振频率有较大差别，说明塔线耦联体系的整体刚度矩阵和质量矩阵相比于单杆输 电塔结构的刚度矩阵和质量矩阵有较大改变，输电线路结构设计时，需要考虑塔线耦联作用 对输电塔结构动力特性的影响。952风荷载的模拟及加载方法simiu 和 scanlan6对风的基本特性做了详细介绍，从中可知，某一高度处的总的风速可以用脉动风速和平均风速的和表示。其中，平均风速可以用平均风剖面描述，本文采用对数率7来计算平均风速，如式 2-1 所示；*v( z) = 1 v kln( z )z0(2-1)100式中， v* 为摩擦风速， v* = k v(10)ln(10 ) ； v( z ) 为高度 z 处的平均风速； k 为卡曼常数，z0k 0.40 ； z0 为地面粗糙长度（m）； z 为有效高度。 顺风向风速谱选取 kaimal 谱，如式 2-2 所示：2ns=v (n) =200x5(2-2)v* (1 + 50x) 3nz105式中， x = ； n 为频率（hz）；其他符号同前。v( z)脉动风的空间相干函数按照达文波特提出的指数形式：coh(r, n) = e-c（2-3）1式中，；建议取nc 2 (x - x )2 + c 2 (z - z )2 2c = x z v10cx = 16, cz = 10 ；其他符号同前。采用谐波叠加法8 模拟脉动风速场。脉动风场模拟相关的参数如下：地面粗糙长度z 0 = 0.24 m；时程总长 t=300s，时间步长 dt = 0.1 s，截止频率wu= 2hz ，频率范围等分110115数 n=1024。为了简化计算，本文仅选取塔线体系的代表位置处节点的风速进行模拟。只 考虑输电塔的竖向相关性，从而将输电塔从下到上分为九段如图 2.3 所示，每段设置一个模 拟点则输电塔共设置九个模拟点，且每个模拟点设在每段最高点处，其高度取输电塔每段的 最高点离地面的高度及迎风面积如表 2.2 所示。导线每 5.1m 设置一个模拟点，只考虑风速 沿水平方向的相关性，并假设导线上风速时程处处均与悬挂点处风速时程相同，忽略导线各 点的高度差异对风时程的影响。每个绝缘子上的模拟点设置在与塔的连接点处。不考虑输电 塔之间的相干性影响。风场脉动风速的方向取为垂直线路方向。120图 3输电塔分段示意图fig. 3 the sketch map of the line towers by panels表 2 输电塔垂直线路方向各段高度及承受风压面积tab. 2 the heights and frontal areas of the every panel of transmission tower段数高度（m）面积（ m2 ）段数高度（m）面积（ m2 ）1625.415370666.88322.36174921824.554896777.45829.03963733120.219337890.28819.451625446.2829.038566998.66341.991560556.24625.925102125130根据上述的方法和参数，本文对输电塔线体系中输电塔的九个分段点以及输电线的所有众多模拟点在不同 10 米高平均风速下的脉动风速度场进行模拟，限于篇幅，这里只列出10 米高处平均风速为 15m/s 的输电塔的前 4 个分段点处模拟结果，如图 2.4 所示。为了验证 模拟方法的有效性和可靠性，对模拟风速场的功率谱特征与目标风速谱进行了比较，考察模 拟风场与目标谱函数相吻合程度，部分风速功率谱比较如图 2.5 所示。可见，模拟风速功率 谱的谱线趋势与目标谱线一致，谱线的总体均值与目标谱比较吻合，这表明模拟方法所取的 参数是合理的。135图 415m/s 平均风速下输电塔前四个模拟点脉动风速时程fig. 4 the time history of fluctuating wind speed of the four panels on the tower at the mean wind speed of15m/s140图 5输电塔第三个模拟点的目标谱与模拟谱fig. 5 the target spectrum and the simulating spectrum of the 3th simulating point on the transmission tower145获取了风速之后，不考虑结构与线路之间的气动弹性作用，可根据准定常假定计算作用在结构上的总的动力风荷载f(t) 5，如式2-3表示：f (t) = 1 r (u ( z) + u( z, t)2 a c( z)(2-3)2 s150155其中，u (z) 、 u( z, t) 分别为高度z处的平均风速和脉动风速； as 为迎风面积，输电塔迎风 面积如表2.1所示； c( z) 为结构的风荷载体型系数，其值按我国荷载规范计算，本文取1.3。 通过上述方法计算出输电塔每段及输电线每段的模拟点的风荷载后，将其平均后加到有限元 模型的各个节点上，这样就可以为后续的 ida 分析提供动力风荷载激励了。本文的风向角 考虑垂直于线路方向，风荷载加载如图所示：图6 输电塔线体系风荷载加载图fig. 6 the way of wind loading on transmission tower-line system1601653ida 分析方法及抗风性能分析目前国内外对结构的抗震性能分析常用的方法有：非线性弹塑性推覆方法（nsp）和增 量动力分析法。虽然这两种方法被成熟地用于地震工程，banik 等3将这两种方法稍加修改 引入到结构风工程，对输电塔结构在风荷载作用下的性能进行了评估，并获得了性能曲线。由于nsp方法本身的理论基础并不严谨，结构沿高度的变形由单一形状向量表示的基本 假设也明显不符合实际情况。克服了上述缺陷，增量动力分析方法(incremental dynamic analysis，简称ida)被用于确定不同性能水准下结构能力。ida是一种用来评估结构从弹性 响应到屈服及非线性响应而整体发生动力失稳的总体性能的数值方法。本文就采用ida方法 对输电塔线体系中输电塔的抗风性能进行评估。170本文采用ida分析输电塔线体系抗风性能的步骤如下：1、通过前述方法得到输电塔线体系上的风荷载时程，并加到塔线体系节点上；2、当脉动风速的湍流强度取一定值（本文取10%）时，取10米高度处的平均风速u (10)作为风荷载强度参数， u (10) 分别取15m/s、20 m/s、25m/s、30m/s、35m/s、40m/s、45m/s、50m/s对输电塔线体系在ansys中进行考虑材料及几何非线性的动力时程分析；提取并保存每次时程分析过程中输电塔线体系中的中间塔的顶点最大的位移角作为输电塔线体系的特征响应。rdam ax ；将 rdam ax1753、如果当u (10) =50m/s在计算时不收敛，就停止计算，否则u (10) 取51m/s、52m/s、m ax53m/s等继续计算，直至不收敛。本文通过ida分析并最后结合budianskyroth准则来判断 输电塔线体系的动力失稳9。最后就可以作出纵坐标为u (10) ，横坐标为 rda 的抗风能力曲线。本文采用图2.6 的加载方式及上述ida分析步骤对输电塔线体系进行抗风性能分析。输电塔线体系在u (10) 为30m/s时中间塔的顶点位移角时程如图2.7所示。最后通过上述步骤180185190得到各个风荷载强度下输电塔顶点的最大位移角，并作出u (10) rdam ax 的电塔线体系的 抗风性能曲线，如图2.8所示。本文根据budianskyroth准则，u (10) =50m/s时塔线体系位 移角在很小荷载增量时却发生急剧变化，软件也提示不收敛，由此判断此时体系已经发生了 动力失稳破坏，但同等强度的风荷载下单塔结构的位移角仍然很小，近似在弹性范围内。由 此可见，考虑导线影响的输电塔的动力响应的几何非线性很强，将发生很大的变形。图 7 中间塔顶点的 rda 的时程fig. 7 the time history of the rda of the middle tower图 8 塔线体系和单塔的抗风性能曲线fig.8 the capacity curve of the transmission line tower and the single tower under wind loading1952002052104结论本文建立了高电压输电塔线体系的有限元模型，分析了体系的动力特性并与单塔的动力 特性进行了比较，考虑导线的影响的输电塔的动力特性与单塔相差较大。因此必须对输电塔 线体系进行抗风性能分析，而不能忽