某羊角型輸電塔的風(fēng)振響應(yīng)分析

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,人們對(duì)電力的需求量日益增加,為滿足人們的用電需求,電力企業(yè)興建了大量輸電線路。輸電塔是電力系統(tǒng)的動(dòng)脈,也是成功輸送電能的基本保障。因此,如何保障電力輸電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行至關(guān)重要。輸電塔形式種類繁多,主要分為羊角型、干字形、F型等。其中,羊角型輸電塔因塔頂端為V字形,導(dǎo)線采用水平布置的方式,能有效降低塔結(jié)構(gòu)施工的繁瑣程度,建造輸電塔時(shí)采用的鋼材量較小而得到了廣泛應(yīng)用。

因輸電塔外形細(xì)長(zhǎng)、高度高,決定了輸電塔身自振周期較長(zhǎng),而地面方向振動(dòng)對(duì)塔身造成的響應(yīng)相對(duì)于截面風(fēng)振響應(yīng)來說微不足道,在自然風(fēng)力影響下,輸電塔各部位產(chǎn)生的風(fēng)振響應(yīng)較大。為保障輸電塔頂端不被風(fēng)力破壞,及時(shí)預(yù)防強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致輸電塔故障,本文采用ANsYs軟件模擬小風(fēng)力與大風(fēng)力兩種狀態(tài),對(duì)羊角型輸電塔的風(fēng)振響應(yīng)情況展開研究,詳細(xì)分析了輸電塔不同部位的加速度值,并將其與最大容許限值對(duì)比,判斷羊角型輸電塔在風(fēng)力作用下是否處于危險(xiǎn)狀態(tài),為保障輸電塔的安全提供參考依據(jù)。

1輸電塔風(fēng)振響應(yīng)與動(dòng)力理論

輸電塔結(jié)構(gòu)所受來自風(fēng)力的作用是風(fēng)壓而非風(fēng)速,根據(jù)輸電塔迎風(fēng)面大小決定輸電塔風(fēng)荷載大小這一原理,得到輸電塔風(fēng)荷載大小計(jì)算方法如下:

式中,B表示輸電塔風(fēng)荷載:A表示輸電塔結(jié)構(gòu)體形系數(shù):D和0分別表示結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積與風(fēng)速。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)隨機(jī)理論是分析輸電塔這種高聳結(jié)構(gòu)順風(fēng)風(fēng)向響應(yīng)的基本理論,結(jié)構(gòu)振動(dòng)隨機(jī)理論和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論存在相似之處,密不可分。根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)隨機(jī)理論采用公式（2）描述多自由度結(jié)構(gòu)阻尼振動(dòng)表達(dá)式,即風(fēng)荷載計(jì)算方法:

式中,c（1）表示風(fēng)荷載:[H]、[C]、[K]分別表示阻尼矩陣、質(zhì)量矩陣、剛度矩陣:a（1）、8（1）、s（1）分別表示質(zhì)點(diǎn)的位移、速度和加速度。

在實(shí)例分析中,基于以上公式可計(jì)算輸電塔測(cè)量點(diǎn)的位移與加速度值。

羊角型輸電塔受風(fēng)力作用下,可采用振型向量描述輸電塔結(jié)構(gòu)位移向量,如公式（3）所示:

其中,輸電塔結(jié)構(gòu)的無阻尼振型矩陣與振型幅值廣義變化坐標(biāo)分別用7={71,72,…,7n]、R={r1,r2,…,rn]表示。公式（3）表明,風(fēng)力作用于輸電塔的不同時(shí)刻,R值存在差異。因此,不同時(shí)間點(diǎn)上同一風(fēng)力振型對(duì)輸電塔總體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的干擾不同,在實(shí)例分析中基于該原理分析不同時(shí)刻輸電塔對(duì)同一風(fēng)力振型的風(fēng)振響應(yīng)。

2輸電塔實(shí)例分析

在上述理論支持下,本文以貴州省某地區(qū)的羊角型輸電塔為例,分析其風(fēng)振響應(yīng)狀態(tài),為預(yù)防同類型輸電塔在較大風(fēng)力作用下,使輸電線路受損或出現(xiàn)故障提供參考依據(jù)。本文所研究的羊角型輸電塔建造于Ⅱ類場(chǎng)地,是高48m、鋼結(jié)構(gòu)的角鋼型塔。高聳結(jié)構(gòu)存在高柔特性,感知風(fēng)力的能力較強(qiáng)。羊角型輸電塔基本風(fēng)壓假定為0.38kN/m2,抗震防烈度設(shè)置為8級(jí),兩種參數(shù)均基于當(dāng)?shù)匕倌曛畠?nèi)的最大風(fēng)等級(jí)確定。該地區(qū)羊角型輸電塔的加速度最大容許限值絕對(duì)值為0.674m/s2,據(jù)此判斷輸電塔是否面臨故障威脅,當(dāng)輸電塔監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度絕對(duì)值接近或者超過最大容許限值絕對(duì)值時(shí),則輸電塔面臨危險(xiǎn):反之,輸電塔則處于安全狀態(tài)。實(shí)例分析中的羊角型輸電塔的有限元模型如圖1所示。

在ANsYs軟件中求取輸電塔5階模態(tài)的自振周期,如表1所示。

表1輸電塔5階模態(tài)的自振周期

首先,利用ANsYs軟件對(duì)羊角型輸電塔施加小風(fēng)力（風(fēng)力4級(jí)）風(fēng)荷載作用,由于大部分情況下,輸電塔的加速度與位移上限出現(xiàn)在頂端A點(diǎn)位置,所以計(jì)算輸電塔A點(diǎn)的位移與加速度。

表2描述了輸電塔頂端位移變化情況,由表2可知,在小風(fēng)力作用下,輸電塔頂端位移區(qū)間為[0.015m,0.278m],所以輸電塔頂端位移最大值為0.278m。

圖2為輸電塔頂端加速度-時(shí)間曲線,該圖顯示羊角型輸電塔頂端加速度最大絕對(duì)值為0.419m/s2,而羊角型輸電塔的加速度最大容許限值的絕對(duì)值為0.674m/s2,在小風(fēng)力作用下,羊角型輸電塔加速度值低于其最大容許限值,不會(huì)造成輸電塔故障。

其次,利用ANsYs軟件對(duì)羊角型輸電塔施加大風(fēng)力（風(fēng)力10級(jí)）風(fēng)荷載作用,測(cè)得輸電塔A、B兩點(diǎn)的加速度如表3所示。

表3顯示,在大風(fēng)力作用下,羊角型輸電塔頂端A點(diǎn)水平方向的加速度最大絕對(duì)值可達(dá)0.61m/s2,B點(diǎn)垂直方向加速度最大絕對(duì)值可達(dá)0.63m/s2,因此B點(diǎn)垂直方向加速度較A點(diǎn)水平方向的加速度絕對(duì)值大:由于羊角型輸電塔的加速度最大容許限值絕對(duì)值為0.674m/s2,在大風(fēng)力作用下,雖然羊角型輸電塔A點(diǎn)與B點(diǎn)的加速度上限均低于最大容許限值絕對(duì)值,但是與最大容許限絕對(duì)值差距較小,該輸電塔正處于瀕臨破壞的邊緣。因此,輸電塔在大風(fēng)力作用下,電力系統(tǒng)巡檢人員應(yīng)做好故障預(yù)防工作,保障輸電塔安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

3結(jié)語

本文采用ANSYS軟件建立羊角型輸電塔的有限元模型,對(duì)輸電塔施加小風(fēng)力與大風(fēng)力,得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在小風(fēng)力作用下:輸電塔頂端位移最大值為0.278m,頂端加速度最大絕對(duì)值為0.419m/s2,遠(yuǎn)低于最大容許限值絕對(duì)值0.674m/s2,輸電塔不會(huì)面臨毀壞風(fēng)險(xiǎn):在大風(fēng)力作用下:羊角型輸電塔頂端A點(diǎn)水平方向的加速度最大絕對(duì)值可達(dá)0.61m/s2,B點(diǎn)垂直方向加速度最大絕對(duì)值可達(dá)0.63m/s2,接近于最大容許限值絕對(duì)值0.674m/s2,輸電塔頂端處于瀕臨損壞的邊緣。

由上述分析結(jié)果可知,在10級(jí)大風(fēng)作用下,羊角型輸電塔的頂端處于瀕臨破壞的狀態(tài),在實(shí)際應(yīng)用中,輸電塔監(jiān)測(cè)與巡檢人員可根據(jù)風(fēng)力大小判斷羊角型輸電塔輸電的穩(wěn)定性,當(dāng)風(fēng)力達(dá)到10級(jí)時(shí),相關(guān)人員需做好輸電塔故障預(yù)防準(zhǔn)備工作。