输电塔风振响应数值分析

冯康+赵海玲

【摘 要】输电杆塔为一类高耸格构式塔架结构，其塔身镂空、高度高、外形细长，在电力、通讯等领域应用广泛。风主要由静力风和脉动风组成，在自然风作用下高耸塔式结构会产生应变、应力及振动等响应。在大风作用下，很可能会造成结构的疲劳破坏或较大的形变等问题。本文主要以某线路的自立式塔式结构为研究目标，通过ANSYS有限元软件对其进行单塔模型建立，并通过加载脉动风谱对其进行模态分析和风振响应分析，从而判断结构的稳定性。文章最后对数值方法进行形态评价，从客观的角度来分析该方法的可行性。从而以便于更好的为工程实际服务。

【关键词】杆塔结构；ANSYS有限元分析软件；模态分析；风振响应

作为电力系统大动脉的输电线路，是保证输送电能的成功保证，一旦遭受破坏将直接导致整个供电系统的瘫痪，给社会经济及人们的生活造成严重的损失。所以，人们越发的关注其可靠性。高压输电塔作为电力工程线路的重要组成部分，保证其能够在各种工况下安全的顺利运作，具有很重大的意义[1]。近几年来，我国自然灾害频繁发生，据不完全统计，仅2005年国内在大风作用下毁坏的500kV输电线路多达18基，110kV以上线路60基[2]。目前由于特高压技术的不断进步，输电线路的电压等级也在相应的增加，杆塔的高度也不断增高，并且铁塔的结构也在不断地突破，不管是在杆塔设计选型亦或是加工制作都获得了很大的提高[3]。输电杆塔为高耸的格构式塔架，这种外形导致了起主要作用的荷载为风荷载，由于输电技术的革新和供电需求的提高，杆塔结构的发展力求更高、更轻、更柔和低阻尼。结构动力学的最新发展，是结构设计从静态设计转为动态设计，从解耦分析走向耦合分析，从频率/模态设计转为响应设计[3]。

1 输电铁塔模型的建立

1.1 输电塔动力响应计算模型

在设计输电杆塔时，往往是将导线和杆塔分离开来设计，导线的自重影响被认为是外荷载施加于杆塔上，由于杆塔结构相对高耸，自振的周期颇大，所以一般情况下主要比较关心脉动风导致的风振影响。

本文以某同塔双回路角钢塔为工程背景，跨越档档距350m，输电塔采用耐张塔，呼高27m，根开8.6m，角钢塔主材使用Q345等边角钢，其他材料采用Q235等边角钢。导线型号JL/G1A-630/45铝包钢芯铝合金绞线，地线采用一根LBGJ-100-30AC，一根OPGW-48。B类地貌。

建模过程中采用有限元软件ANSYS建立单塔模型，采用BEAM188单元模拟各角钢杆件，对单塔模型进行模态分析。在CAD中绘制输电塔，并将不同截面属性的钢材分别放在不同的图层中，本塔绘制过程中共建立29个图层。将输电塔分解，根据截面属性分别保存为dxf格式文件。分别将各个dxf格式文件利用dxftoansys软件转化为包含完整数据信息的lgw格式文件。编辑APDL程序，定义Q235钢材和Q345钢材的截面属性，利用ANSYS软件导入各个lgw格式文件，生成单塔模型。原始设计输电塔司令图如图1所示；单塔模型图如图2所示。

1.2 输电塔模态分析结果

从上述的模态频率结果中可以分析出，在自立式杆塔的第4、5、6阶模态中，相互应的频率各为5.472、5.932、6.068，说明输电塔出现了较为严重的局部阵型。

2 输电塔风振响应分析

在研究塔式结构的风振响应时应从风荷载的构成入手，即静风荷载和脉动风荷载两部分。静风荷载可以由风速计算而得，脉动风荷载则是用风压调整系数乘以静风荷载得到的[4]。脉动风速的均值不为零，荷载是随着时间的变化而变化的。其对输电塔等的作用是难以忽视的，并会对结构的耐疲劳性产生影响；甚至在某种特定条件下引起共振，造成巨大的损失。本文采用脉动风研究输电塔的风振响应，在脉动风速时程曲线模拟过程中已经考虑了脉动风振系数和风压高度变化系数。在考虑顺风向的风速时，根据其组成部分平均风风速和脉动风风速，则t时刻的风速v（z，t）如下式，由此可计算出输电塔各段在时刻t的风速。

输电塔作为高耸结构， 宜采用工程中常用的考虑高度变化的Kaimal风速谱作为目标功率谱模拟输电塔的脉动风速时程。本文采用自回归模型的线性滤波法（AR法）模拟水平方向0°、45°和90°的风速时程曲线。自回归阶数P取4阶，时间步长△t=0.1s，采样频率为0.01Hz，时长取600s，将输电塔划分为14段，并比较塔腿部位和塔头部位的脉动风。

几何非线性是由于随着结构变形的增长，结构中单元节点坐标发生改变，从而结构的刚度也会改变，变化的几何形状是引起几何非线性响应的主要原因。对于本文的输电塔模型，随着荷载的施加，单元的节点位置会发生变化，从而导致该单元对总体刚度的贡献发生变化。

3 数值方法性态评价

由于输电塔自由度较多，本文主要选择输电塔顶点的风振响应作为研究对象，加之现有计算机的计算效率和存储量也很难在积分步长足够小的情况下快速计算并存储所有自由度的动力响应。因此，为了提高计算效率和节省计算机资源，本文对原输电塔有限元模型进行了合理的简化。

目前研究动力学特性的方法为模态分析方法，其主要包括试验模态分析与数值模态分析两种，对目前复杂结构的动力特性的分析需要以模态分析为根据[5]。模态是结构的振动属性，通过对其进行模态分析，可以判断结构在哪一个频率区间所受影响较大，从而清楚掌握各阶模态相应的特点。输电塔的动力相应问题颇为复杂，但又是研究结构的重要部分。振动状态判断所依据的规则是，在由主要动力自由度组成的简化结构的某一模态振型中：若沿X方向振型的数据明显大于其它两个方向的振型数据，则可判定为沿X方向的平动模态。

式中T1为第一阶主要自振周期；H为全塔高；b为塔头宽度；B为跟开宽度。

根据计算，公式所得值为0.3，则自振频率为0.33，与模态分析第一阶接近，且在前几阶模态分析中并不存在个别杆件的局部变形，则模型正确。

本文采用ANSYS有限元对输电铁塔原始模型建模，并通过风速谱进行线弹性风振响应的研究。通过编写相应程序，使用MATLAB软件对输电铁塔结构简化模型进行线弹性风振响应时程分析。通过选择塔头、塔腿脉动风速相应的比较，来体现整体风振响应的一致性。

4 结论

随着计算机技术的发展和结构设计理念的转变，结构的动力响应越来越受到重视，越来越多的学者投身到结构动力学的研究上来，相应的结构动力方程的求解方法也得到了发展改进。

本文在线弹性范围内以求解鼓型输电塔的风振响应为例，通过建立单塔模型，加载脉动风谱，提取模态频率，分析了该输电塔在脉动风作用下的风振响应[7]。目前，关于塔架的动力响应分析是颇为复杂的，诸如当今着重讨论的课题主要关于结构在脉动风和地震荷载下的响应，而模态分析则是进行这些科学研究的根据。在以后的研究中还需不断完善有关高耸塔式式结构的模态分析功能，如考虑塔线耦合作用下的振动响应、根据实际情况分段输入质量信息等，以使计算结果更接近实际，为工程提供参考。

【参考文献】

[1]蒋其伟.覆冰断线对输电塔风致动力响应影响的分析[D].吉林：东北电力大学， 2011：39.

[2]谢强，张勇，李杰.华东电网500kV任上5237线飑线风致倒塔事故调查分析[J].电网技术，2006，30（10）： 59-631.

[3]孔贝贝.输电塔及塔线体系的静动力特性分析[D].山东：山东大学，2012.

[4]冯云巍.输电塔架ANSYS建模及动力特性研究[J].钢结构，2008（1）：21-23.

[5]贾天娇.大噪声密频模态信号的模态参数识别[D].江苏：南京航空航天大学，2012.

[6]傅鹏程，邓洪洲，吴静. 输电塔结构动力特性研究[J]特种结构，2005（1）：47-49.

[7]宋文涛，王志骞，孟超等.悬索拉线塔（塔线耦合模型）脉动风分析[J].钢结构，2012（6）：24-27.

[责任编辑：李书培]