风荷载作用下大跨越输电塔动力响应分析

刘海锐

摘要： 在ANSYS软件中建立大跨越输电塔有限元模型，对该结构模型进行简化分段，基于线性滤波法在MATLAB软件中模拟输电塔各段中心节点处的脉动风速时程，将其与平均风速叠加得到各段中心节点处的风速时程，根据风荷载与风速的关系，得到作用在各段中心节点上的风荷载时程，采用ANSYS软件中的时程分析方法计算输电塔在风荷载作用下的风振响应。结果表明：在风荷载作用下，随着高度的增加，输电塔动力响应的位移均值及加速度均方根逐渐增大。

Abstract： A finite element model of a large span transmission tower is established in ANSYS software， and the structural model is simplified and segmented. The fluctuating wind speed time history at the central node of each segment is simulated in MATLAB software based on linear filtering method， and overlaid with the average wind speed so that the wind speed time history at the central node of each segment is obtained. According to the relationship between wind load and wind speed， the wind load time history acting on the central node of each segment is obtained. The time history analysis method in ANSYS software is used to calculate the wind-induced response under the wind load of the transmission tower. The results show that under the action of wind load， the average value of displacement and the root mean square of acceleration of transmission tower dynamic response increase gradually with the increase of the height.

關键词： 输电塔;风荷载;线性滤波法;时程分析;风振响应

Key words： transmission tower;wind load;linear filtering method;time history analysis;wind-induced response

中图分类号：TB532 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）13-0114-04

0 引言

随着社会经济的不断发展，电能的重要性也愈发明显，我国电力电网的建设也得到了蓬勃发展。作为高负荷电能输送载体的重要组成部分，输电塔具有高度高、重量相对较轻、外形细长、刚度相对较小等特点，基本自振周期较长，风荷载对其起主要作用，是它的控制荷载[1]，因此有必要研究输电塔在风荷载作用下的动力响应。

本文主要考虑大跨越输电塔受顺风向风荷载的响应作用，风荷载分为平均风荷载和脉动风荷载，平均风荷载在一定时间内不变，可视为静力荷载，脉动风荷载是随时间变化的，相当于动力荷载，在MATLAB软件中采用线性滤波法中的自回归模型模拟输电塔各段迎风面中心节点处的脉动风速时程[2]，用时程分析方法计算了输电塔受风荷载的振动响应，并分析了输电塔的动力特性。

1 输电塔有限元模型建立

本文以某大跨越输电塔为原型建立有限元模型，进行风荷载作用下动力特性计算分析，该输电塔总高度为87.5m，由角钢刚性连接而成，角钢材料型号为Q235型钢，它的弹性模量E=2.1×1011Pa，密度ρ=7850kg/m3，泊松比ν=0.3，角钢截面面积随高度的改变而改变，输电塔底部采用比较大而厚的角钢，上部则采用比较短和稍薄的角钢[3]，其截面积的总体变化趋势是随输电塔高度的增加而逐渐减小。

在ANSYS软件中，BEAM188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于Timoshenko梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响，在空间具有6个自由度，它可以保证输电塔模型在整个结构上的一致性，能较好地反映输电塔结构的实际受力特点，因此采用BEAM188单元模拟输电塔的角钢构件[4]，图1是输电塔结构的有限元模型。

2 输电塔风荷载数值模拟

2.1 风速时程模拟

3.2 瞬态动力响应分析

瞬态动力分析也称为时间历程分析，其分析方法有完全法、缩减法和模态叠加法，其中完全法采用完整的系统矩阵计算瞬态响应，可在几何模型上施加所有类型的荷载，可考虑各种类型的非线性特性，一次分析就能得到结构所有的位移和加速度等动力特征值[7]，本文的瞬态动力分析采用完全法。本文只对输电塔结构进行分析，不考虑基础的变形，故将输电塔与基础的连接看成固定支承[8]，在进行动态分析时将它们连接处节点的6个自由度全部约束。

通过ANSYS软件中的APDL技术将风荷载加载到输电塔模型上，进行动力响应时程分析[9]，最终得到输电塔结构中心节点的位移和加速度时程，分别如图7、图8所示，同时绘出输电塔结构沿着高度方向的位移均值和加速度均方根变化曲线，分别如图9、图10所示。

由输电塔在风荷载作用下位移和加速度时程图可以看出，输电塔在节点5处的最大位移为67mm，最大加速度为209mm/s2，由输电塔的位移均值和加速度均方根随高度变化曲线图可以看出，输电塔在风荷载作用下，其位移均值和加速度均方根沿高度均不断增大，整体表现为弯曲变形。输电塔结构的最大位移出现在其顶部位置，这与输电塔由钢质构件组成的情况相符合;输电塔结构位移时程曲线与风荷载时程曲线变化趋势基本相同，说明输电塔的变形在其组成材料的弹性变形范圍之内。

4 结论

本文以某大跨越输电塔为研究对象，模拟了输电塔各段中心节点处风速时程，得到了各段中心节点上的风荷载时程样本，对输电塔结构在风荷载作用下的风振响应作了分析，得到了以下结论：①采用线性滤波法中的自回归模型模拟输电塔各段中心节点处脉动风速时程，其功率谱曲线与目标风速Kaimal谱曲线趋势是一致的，吻合程度较好，说明本文采用的模拟方法以及模拟过程中选取的参数都是合理有效的。②输电塔结构的风振响应分析表明，在风荷载作用下它的位移和加速度的最大值均出现在结构的顶部，整体表现为弯曲变形，在风荷载作用下，随着高度的增加，输电塔动力响应的位移均值及加速度均方根逐渐增大。

参考文献：

[1]张庆华，顾明，黄鹏.格构式输电塔结构多质点简化模型研究[J].振动与冲击，2012，31（5）：148-152.

[2]邓洪洲，张永飞，陈强，吴昀.输电塔风振响应研究[J].特种结构，2008，25（2）：9-13.

[3]万春风，黄磊，汪江，朱虹，赵学亮.某羊角型输电塔的风振响应分析[J].特种结构，2012（2）：20-25.

[4]黄新波，刘磊，宋栓军，徐冠华，钟诚.输电线路塔线体系动力学研究[J].机械强度，2015，37（3）：567-571.

[5]张卓群，李宏男，李东升，任亮，孙彤.高压输电塔结构的疲劳寿命分析[J].电力建设，2014，35（1）：14-18.

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[7]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[8]罗靓，刘本玉，牛钲昊.鼓型高压输电塔的动力特性研究[J].工业建筑，2010，40（2）：172-174.

[9]姚旦，沈国辉，潘峰，邢月龙，郭勇.基于向量式有限元的输电塔风致动力响应研究[J].工程力学，2015，32（11）：63-67.