高烈度震区输电塔的地震响应研究

拾 峰，周安清

(江苏省宏源电力建设监理有限公司，江苏 南京 210036)

0 引言

我国大部分输电线路都要穿过高烈度地震区，地震会导致输电塔破坏，产生极其严重的后果。据统计，2008年汶川地震造成110 kV线路倒塌20多基，500 kV线路8基和220 kV线路2基铁塔损毁。理论研究与震害经验表明：地震时，地面运动是复杂的空间振动，实际地震不仅有水平振动分量，还有竖向振动分量。竖向振动不仅会造成竖向结构破坏，还会使水平方向的大跨和悬臂结构产生破坏。因此，研究高烈度震区输电塔结构在地震作用下的时程响应，具有很大意义。

1 理论分析模型

输电塔在地震作用下，在水平与竖向地震同时输入，结构竖向运动独立时，其运动方程为：

式中：[M]为输电塔的质量矩阵；[C]V为输电塔竖向振动的阻尼矩阵；[K]V为输电塔的刚度矩阵；｛Y｝为输电塔结构节点相对地面的位移向量；为地面运动加速度；｛I｝为地震作用向量。

输电塔在地震作用下，水平与竖向地震同时输入，结构水平运动与竖向运动耦联，其运动方程为：

式中：[M]为输电塔的质量矩阵；[C]H为结构水平振动阻尼矩阵；[K]H为输电塔的水平刚度矩阵；[KG]为几何刚度矩阵，其中轴向力包含竖向地震的影响；｛X｝为输电塔结构节点相对地面的位移向量。

2 数值模拟分析

某高压线路位于二类场地，抗震设防烈度9度，电压等级500 kV，输电塔2C-ZB22酒杯型，呼高36 m，根开6 m，杆材Q345，辅助杆材为Q235，导线LGJ-300/40，地线JLB40-150，档距500 m。采用ANSYS软件建立输电线路有限元模型，输电线体系中，铁塔杆材和主斜材采用BEAM 188梁单元模拟，辅助杆材采用LINK 180杆单元模拟，绝缘子采用BEAM 188梁单元模拟，导(地)线采用LINK 10杆(索)单元来模拟，导(地)线两端铰接。

根据《电力设施抗震设计规范》(GB50260—2013)规定：验算电力设施抗震性能时，应至少在2个水平轴方向分别计算水平地震作用；抗震设防烈度为8度或9度时，大跨度设施和长悬臂结构应验算竖向地震作用。当采用动力时程分析法进行抗震设计时，时程响应的总持续时间不应小于30 s，其中强震动部分不应小于6 s；当进行竖向地震作用的时程分析时，地面运动最大竖向加速度α,可取最大水平加速度的65 %。

本模型采用EI Centro.site，270 Deg地震波(如图1)，加速度峰值取1.4 m/s2，计算时距为0.02 s。本输电塔线体系抗震设防烈度为9度，且属于长悬臂结构，在进行抗震分析时，利用ANSYS软件对输电塔进行不同方向地震作用下有限元力学模拟，分别进行X向(横线方向)，Y向(纵线方向)及Z向(竖直方向)的时程响应分析。为了便于对比研究分析，分别用工况1(X向)、工况2(Y向)及工况3(Z向)来表示。

图1 EL Centro地震波

3 计算结果分析

3.1 基底反力分析

利用ANSYS建立有限元模型，分别对输电塔进行不同方向地震作用下的有限元力学模拟分析，其基底反力峰值绝对值如表1所示，工况1基底X向反力时程曲线、工况2基底Y向反力时程曲线及工况3基底Z向反力时程曲线如图2所示。

表1 不同工况下的基底反力峰值绝对值 N

由表1数据可知：

(1) 在工况1的条件下(地震波X向激励)，基底X向反力最大，Z向反力次之，Y向反力最小；

(2) 在工况2的条件下(地震波Y向激励时)，基底Y向反力最大，Z向反力次之，X向反力最小，其输电塔Z向反力增大为工况1时的1.194倍；在水平向地震作用下，Y向激励时，输电塔基底反力响应更为显著；

(3) 在工况3的条件下(地震波Z向激励时)，基底Z向反力最大，X向反力与Y向反力接近，在竖向地震作用下，输电塔竖向反力也不容忽视。

图2 基底反力时程响应

3.2 构件轴应力分析

高耸塔架结构的构件效应主要由轴应力产生。为研究地震作用下输电塔杆件轴应力分布规律，现取输电塔塔脚杆材A、塔腿杆材B、塔身中部杆材C、下曲臂杆材D、上曲臂杆材E、横担杆材F、支架杆材G等重要部位典型杆件进行地震工况下的构件轴应力分析。

典型杆件位置如图3所示。

利用ANSYS软件对输电塔进行不同方向地震作用下的有限元力学模拟分析，其典型部位杆材轴应力曲线见图4～6，应力峰值绝对值如表2所示。

图3 输电塔杆材编号

工况1下的C，D，F轴应力曲线如图4所示。

图4 工况1下的杆材轴应力曲线

工况2下的C，D，F轴应力曲线如图5所示。

图5 工况2下的杆材轴应力曲线

工况3下的C，D，F轴应力曲线如图6所示。

由图4～6可知：在地震作用下，杆材轴应力剧烈变化，动力效应非常明显；地震持续30 s后，由于地震加速度衰减，其轴应力响应也随之衰减，动力效应主要集中在前30 s。

由表2可知：

(1) 在工况1下(地震波X向激励时)，塔腿杆材B，C轴应力峰值绝对值最大，超过15 MPa；支架杆材G轴应力峰值绝对值最小，为0.023 MPa；输电塔塔身杆材轴应力峰值绝对值要大于曲臂、横担处杆材轴应力峰值绝对值，横担处属于悬臂构件，其轴应力峰值绝对值为5.984 MPa，也不容忽视；

图6 工况3下的杆材轴应力曲线

表2 杆材轴应力峰值绝对值 MPa

(2) 在工况2下(地震波Y向激励时)，塔腿杆材B轴应力峰值绝对值最大，为17.179 MPa；支架杆材G轴应力峰值绝对值最小，为0.352 MPa；杆材轴应力峰值绝对值变化规律和工况1一致。地震波Y向激励时，各部位杆材轴应力峰值绝对值都要大于地震波X向激励杆材轴应力响应；

(3) 在工况3的条件下(地震波Z向激励时)，横担杆材F轴应力峰值绝对值最大，为1.514 MPa；支架杆材G轴应力峰值绝对值最小，为0.019 MPa。地震竖向作用时，对于悬臂构件非常不利。

4 结论

本文通过ANSYS软件建立输电塔有限元模型，分别对输电塔进行水平向和竖向地震进行时程响应分析，得到如下结论：

(1) 地震波X向激励时，X向基底反力最大；地震波Y向激励时，Y向基底反力最大；地震波Z向激励时，Z向基底反力最大；

(2) 在水平向地震作用下，输电塔基底反力要明显大于竖向地震作用；但在竖向地震作用下，输电塔竖向反力也不容忽视；

(3) 在水平向地震作用下，塔腿杆材B，C轴应力峰值绝对值最大，在输电塔设计和施工时，此部位杆材应注意加强；

(4) 在竖向地震作用下，输电塔横担杆材F轴应力峰值绝对值最大，竖向地震作用对悬臂构件非常不利；

(5) 在高烈度区进行高压输电塔设计时，由于竖向地震作用不容忽视，应当适当加强悬臂构件。

1 李宏男，王前信．大跨越输电塔体系的动力特性[J]．土木工程学报，1997，30(5)：28-36.