福建沿海输电杆塔台风作用分析研究

池金明

(中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

由于台风瞬时性与多变性，其受力性能与设计方法也必然不同于普通常规大风工况，输电杆塔抗台风，其受力性能与设计理论方面的研究非常有限，国内架空线路杆塔结构设计大都集中于常规风载作用方面，对台风受力研究则相对较少。

为进一步完善沿海输电线路工程防台风设计，本文拟以厦门“莫兰蒂”台风期间倒塔严重的220kV线工程(起自李林220kV变电站，止于厦门西220kV变电站)中一种典型220kV单回路直线塔ZM2为研究对象，建立有限元计算模型，研究结构的振型特征，分析不同时距台风工况对杆塔结构的影响。

1 研究对象概况

2016年9月15日凌晨2点左右，1614号台风“莫兰蒂”正式登陆厦门，资料显示该台风为建国以来登陆闽南的最强台风，中心附近最大风力17级。五缘湾大桥实测阵风达64.2m/s，平均风49.6m/s，远远超出厦门气象站历年最大风速系列所计算出的100年一遇风速值，也超出《建筑荷载规范》[1]中风压换算得到的100年一遇风速值。

“莫兰蒂”台风重创厦门电网，厦门地区500kV及220kV架空输电线路杆塔倒塔事故现场如图1所示，塔头或地线架破坏事故现场如图2所示。表1为厦门220kV李西线架空输电线路受损统计表。

该ZM2猫头塔朝垂直线路方向倒塔，塔腿以上第3个节间主材弯曲失稳，交叉斜材扭曲、辅助材脱落，该节间以上至瓶口位置塔身主材、斜材严重失稳、扭曲，李西线3基直线塔猫头曲臂位置主材失稳破坏，其余9基塔发生铁塔整体破坏，台风事故塔型均为扁型悬垂型杆塔。

表1 厦门220kV架空输电线路受损统计表

图1 ZM2倒塔事故现场照片图

图2 塔头破坏事故现场照片图

2 振型分析

采用Midas结构分析软件对杆塔ZM2(呼高33m，全高40m，塔腿主材规格Q345L125×10)进行数值建模和动力特性分析。杆塔前六阶的自振周期如表2所示。有限元模型如图3所示，杆塔单线图如图4所示，各阶振型如图5所示。

一阶振型 二阶振型 三阶振型 四阶振型 五阶振型 六阶振型图5 一～六阶阵型图

表2 杆塔ZM2自振周期及振型表

图3 有限元模型 图4 单线图

通过图5一～六阶阵型可以看出：

该工程ZM2整体前三振型分别为Y向的弯曲、X向的弯曲和绕Z向的扭转，与多数输电铁塔的计算结果相类似。其中Y向一阶与X向一阶的振型频率偏差较大，相差27%，说明该杆塔结构的Y向及X向刚度存在一定偏差。

该工程ZM2塔身采用扁塔设计，导致其顺线方向刚度小于垂直线路方向刚度。我国早期悬垂型杆塔身多数采用扁塔设计，该方案偏向理想化，认为杆塔最不利风向角为90°，而0°和其他斜向风对杆塔影响相对较小。通常情况下，这种扁塔设计可满足工程安全可靠要求，然而在极端台风工况作用下，扁塔设计导致抗风能力偏弱，过载能力相对较低。

3 杆塔应力分析

该工程ZM2猫头塔原设计基本风速为33m/s，台风“莫兰蒂”登陆厦门时风力强度为15级(50m/s)，阵风最大达到17级(70m/s)。距220kV李西线倒塔最近杏林气象站测得极大风速(3s平均风速最大值)为46.8m/s、 10min平均风速24.3m/s。因此分别以10min平均风速、3s平均风速最大值进行校验。

(1)选取24.3m/s(离地10m高，10min平均风速)作为倒塔事故点平均风速。验算采用现行标准《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T 5154-2012)[2]。

图6-a为24.3m/s(10min平均风速)大风工况杆件应力分布情况。验算结果表明：在离地10m高，10min平均风速24.3m/s作用下，ZM2猫头塔全塔构件应力均没有超限，且台风“莫兰蒂”10min平均风速小于本线路设计风速，故杆塔可安全运行，这与实际倒塔情况相违背。

(2)选取46.8m/s(离地10m高，3s时距风速)作为倒塔事故点平均风速。为了体现台风阵风的影响，此处计算采用美国规范《ASCE 74-2009》[3]、《ASCE 10-97》[4]进行计算分析。

图6-b为46.8m/s(3s平均风速)大风工况杆件应力图，验算结果表明：在46.8 m/s(3s平均风速)作用下，应力超限构件主要分布在杆塔头部以及塔身变坡下段主材。应力图放映了在台风作用杆塔容易发生两种破坏形态：一是塔头局部破坏；二是身部多段应力超限导致整体屈曲倒塔。

(a)10min平均风速 (b)3s平均风速图6 不同时距台风工况杆件应力图

其中身部第④主材应力比达到114%，为杆塔最薄弱环节，在强台风作用下，最先发生屈服破坏，进而引发其他相连构件连续屈服；由于塔身第⑥段主材裕度大，且其上端设有隔面，局部刚度较大，连续破坏止于第⑥段主材上端。该结论与实际倒塔情况一致。

(3)台风在空间各点产生的风力强度、矢量方向不尽相同，具有显著的阵风效应。同时，杆塔使用条件及档内地形地貌也存在差异。我国目前的设计体系以10min平均风速为基本的输入参数，虽通过阵风系数修正，仍无法模拟台风的多变性、瞬时性。

4 杆塔防风改造

对于福建沿海已建输电线路，尤其是沿海至第一重山岭间不满足抗台风要求设计的直线杆塔，可通过加固角钢拼接在原主材角钢外侧形成十字形组合角钢构件，如图7所示，这种外拼接加固防风改造方法在不停电和无需卸负荷的前提下，增加铁塔强度，抗风改造方便、降低施工难度、减少投资、缩短工程建设周期。

根据主材段规格选定同规格外拼接角钢。所选定被加固主材的双肢新增螺栓开孔与所述外拼接角钢的双肢开孔尺寸及位置均相互对齐、新增螺栓开孔应和选定的主材段螺栓、横撑角钢连接接头相互错开。把所述外拼接角钢通过中间填板拼接在所选定的已建铁塔主材的两肢上，并利用紧固螺栓固定安装，形成双轴对称十字形截面组合构件形式，如图8所示。

图8 输电线路铁塔外拼接角钢加固组装图

ZM2外拼接角钢加固后杆塔抗风能力计算分析。选取倒塔事故点平均风速46.8 m/s(离地10m高，3s时距风速)。图9 为ZM2外拼接角钢加固后应力图，图中全塔主材满应力均在70%以下，部分塔身超限构件可直接通过更换补强使其满足抗风要求。图10为李西线杆塔外拼接角钢加固改造现场照片。

图9 ZM2外拼接角钢加固后应力图

图10 李西线杆塔外拼接角钢加固现场图

5 结论

(1)扁塔XY向刚度分布不均，抗风能力偏弱，过载能力相对较低，容易发生屈曲破坏，沿海抗风设计不可采用扁塔形式。

(2)我国设计体系以10min平均风速为基本的输入参数，不适用于杆塔防台风设计。

(3)福建沿海杆塔抗台风能力校验推荐采用3s瞬时风体系进行防风设计校验。

(4)对于福建沿海已建输电线路，尤其是沿海至第一重山岭间不满足抗台风要求设计的直线杆塔，可通过加固角钢拼接在原主材角钢外侧形成十字形组合角钢构件，以提高铁塔抗风强度。

参考文献

[1] GB50009-2012建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[2] DL/T 5154-2012架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S].北京:中国计划出版社,2012.

[3] ASCE74-2009 Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading (Third Edition)[S]．2009.

[4] ASCE 10-97 Design of Latticed Steel Transmission Structures[S]．1997.