浙东某地避雷针塔异常振动问题的分析

杨艳婷 马益平 金权 周东杰 王朴炎 俞梦迪

摘要：针对浙东地区某地一根避雷针在一个时间段内多次出现较大幅度振动情况进行了分析。本文验算了风荷载下的结构变形并计算了改避雷针结构的固有频率，探讨了风荷载下避雷针结构变形超标、偶然地震动与地脉动影响及脉动风导致的风致振动等情况的可能性。

Abstract： This paper analyzes the large amplitude vibration of a lightning rod in a certain time period in the East Zhejiang region. In this paper， the structure deformation under wind load is calculated， and the natural frequency of the structure of the lightning rod is evaluated， and the possibility of the deformation of the lightning rod structure under wind load， the influence of accidental vibration and ground pulsation and the wind-induced vibration caused by pulsating winds are discussed.

關键词：避雷针;振动;风荷载;固有频率

Key words： lightning rod;vibration;wind load;natural frequency

中图分类号：TM862                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）10-0127-03

0  引言

雷电是一种剧烈的自然放电现象，联合国将雷电引起的灾害列为十大自然灾害之一。最近20年以来，雷电电击引起的人员伤亡事故和经济损失具有发生范围广、危害严重、社会影响大、频次多等特点。雷电事故的危害程度仅次于滑坡塌方、暴雨洪涝，并成为第三大自然灾害[1]。雷电危害对如今社会各个方面的影响十分严重[2-4]，促使了社会各界高度关注防雷工程。

变电站的避雷针塔与母线或变压器等设备距离较小。如果避雷针塔由于意外发生破坏甚至倒塌事故，轻则造成避雷效果失效，影响周边电力设施运行，重则导致电网事故，甚至造成经济损失。因此，保证在役避雷针等避雷工程的可靠性具有十分重要的意义。

浙东地区某地变电站中一根避雷针塔在一个时间段内多次出现较大幅度振动情况。工作人员在观察到该现象后，立刻使用录像设备对该现象就行了摄录。经业主单位组织设计人员和相关专家对该避雷针进行实地考察并针对偶然振幅多大的现象讨论分析后，认为导致该现象可能原因主要有以下几个：①平均风荷载下避雷针挠度超限;②偶然地震动、脉动风致振动等其他因素导致的避雷针振幅超限。

为保证该地区在役避雷针的可靠性，最大程度降低因避雷针损坏导致的经济损失，针对该避雷针设计进行上述三方面的进一步分析。避雷针设计图纸如图1所示。该避雷针采用单钢管避雷针塔结构，总体高度27m（不含针尖部分），截面为等边八边形，从上到下分为四段，采用变直径钢管，利用法兰+螺栓进行连接。各段的截面半径自下而上分别为A段（管径310～400mm，壁厚8mm），B段（管径220～310mm，壁厚6mm），C段（管径130～220mm，壁厚6mm），D段（管径60mm，壁厚8mm）。

1  平均风载作用下的挠度超限

本部分根据相应规范（《变电站建筑结构设计技术规定（DL/T5457-2012）》）对该避雷针进行验算。为保证计算精确度，采用ABAQUS有限元软件进行具体挠度计算。

1.1 验算依据：《建筑结构荷载规范（GB50009-2012）》、《变电站建筑结构设计技术规定（DL/T5457-2012）》、《钢结构设计规范（GB50017-2003）》。

1.2 规范的挠度限值：根据《变电站建筑结构设计技术规定（DL/T5457-2012）》，验算标高27m处最大风工况条件下挠度;挠度限值：27000/70=385.7mm。

1.3 风荷载计算

查《建筑结构荷载规范（GB50009-2012）》可知，基本风压：0.55kN/m2;地面粗糙度类别：B类;风振系数：βz=2.0。

根据设计图纸，可以计算得知：标高29.5m～30m：风压高度变化系数μz=1.412～1.42、体形系数μs=1.2、q=1.864～1.874kN/m2;标高29.5m处：μz=1.412、μs=1.163、q=1.806kN/m2;标高27m处：μz=1.372、μs=0.704、q=1.062kN/m2;标高25m处：μz=1.34、μs=0.6、q=0.884kN/m2;标高20m处：μz=1.25、μs=0.6、q=0.825kN/m2;标高17.5m处：μz=1.20、μs=0.6、q=0.792kN/m2;标高15m处：μz=1.14、μs=0.6、q=0.752kN/m2;标高0～10m处：μz=1.00、μs=0.6、q=0.66kN/m2。

1.4 材料性能：密度7850kg/m3、弹性模量206kN/mm2、泊松比0.33

1.5 有限元计算参数：ABAQUS有限元计算软件具有高效的工程数值模拟计算功能，具备完善的工程线弹性问题解决方案，针对较大难度的非线性问题分析也具有良好的精确度，能够有效处理和辅助解决工程领域的很多实际问题。

采用的计算单元类型：C3D8R、按标高0～27m建模，按风荷载组合系数0.5，标高0～27m处施加分布荷载，标高27m处施加针尖部分传递的集中荷载（标高27～29.5m）。

1.6 挠度计算结果：计算最大位移（标高27m处）：360.4mm小于27000/70=385.7mm，满足限值要求。

所以在规范规定的平均风荷载验算情况下，该避雷针的变形符合要求。

2  偶然地震动等其他因素导致的避雷针振幅超限

在排除了由于风荷载导致的该避雷针偶然超标的情况下，进一步考虑该现象是由于偶然地震动的影响，经讨论后考虑两个方面：一是地震影响，二是地脉动。

2.1 地震影响

经查，在上述情况发生时间段内，宁波地区及省内并未发生地震，在台湾花莲县附近海域发生若干次地震。

地震发生时，由于岩层断裂释放大量能量，以地震波的形式在地球内部和地表传播，导致地表岩层位移对建筑构造物造成损伤。地震波主要包括体波和面波两种形式。

体波包括P波和S波，其中P波为一种纵波，粒子振动方向和波前进方平行;S波是一种横波，粒子振动方向垂直于波的前进方向。面波包括Love波和Rayleigh波，其中Love波的粒子振动方向和波前进方向垂直，但振动只发生在水平方向上，没有垂直分量;Rayleigh波粒子运动方式类似海浪，在垂直面上，粒子呈逆时针椭圆形振动。

在地震波产生后，随着传播的时间和距离增加，其振幅和波速会发生快速衰減。其中体波在传播过程中会迅速消散，而面波衰减幅度较小且在消散之前会围绕地球传播数次甚至数日，故面波传播距离远、影响时间久。

考虑到上述避雷针较大幅度振动的情况集中出现在附近地区发生多次中强震的时间段内，由于地震波传播导致场地地震动引起避雷针共振存在可能性。

2.2 地脉动

地球表层任何地点，任何建筑物的地基，都在以微小的振幅不停的振动着。这种振动主要是由于自然振源（风、雨、海浪、火山、交通等）引起的振幅为0.01～1μm、频率为0.5～20Hz的微振动波群在地表传播引起的。通常将这种振幅不超过数微米，周期不超过1s的微幅振动称为地脉动。

地基、地表和地下的微动可以反映出场地的状况，这是因为由各种振动源所产生的波动都具有各自的频率，其波动的传播特征包含了地基的固有特性。目前研究表明，微动波是由面波和体波组合而成的，周期为1s以下的地脉动，主要反映了场地结构的动力学特性，与震源的关系不大。

上述避雷针发生较大幅度振动的周期在0.5s左右，处在地脉动的振动周期范围内，两者存在共振的可能性。但地脉动的振幅只有数微米，单纯的地脉动不可能引起这种幅度共振。

2.3 脉动风致振动的影响

在偶然地震和地脉动导致的该现象的可能性外，还需要考虑脉动风对避雷针等高耸结构的影响。

台风是我国浙东沿海地区的主要灾害性天气之一，其影响区域集中、持续时间短、阵风强度大、破坏性强等特点。台风登陆后会给影响区域带来暴雨、大风等灾害，其引起的大风容易造成各类建筑物破坏。特别是避雷针等高耸结构，由于其固有频率与脉动风卓越频率接近且柔度较大，在强台风作用下容易由于脉动风致振动效应导致该类结构的破坏。因此对风荷载下的验算，除了平均风尚应考虑脉动风的影响。

虽然在前文已经验算过该避雷针结构符合规范风荷载下挠度的要求，但避雷针等细长高耸结构除了在平均风条件下的变形外，更容易受到脉动风的影响。所以本文通过计算该避雷针结构的固有频率来验证该现象是否是脉动风影响下的共振情况。

采用挠度计算中相同的有限元模型，计算了该结构的固有频率，其中前3阶振型的固有频率分别为：0.656Hz、2.58Hz、6.23Hz。根据计算结果可知，该避雷针的固有频率正好处于脉动风的振动频率范围，在特定脉动风的影响下该避雷针结构极有可能出现偶然的振幅过大现象。（图6）

3  结论

①根据《变电站建筑结构设计技术规定（DL/T5457-2012）》，验算标高27m处最大风工况条件下挠度。计算得到标高27m处最大位移为360.4mm，小于规范限制 27000/70=385.7mm，满足要求。故可排除因挠度不符合要求导致上述避雷针较大幅度振动情况。

②根据固有频率计算结果，该避雷针结构第二阶振型固有频率为2.58Hz。该计算结果与其振动周期在0.5s左右的现场记录结果相符。且该固有频率处于地脉动的振动频率范围内，所以该避雷针具有在地脉动条件下发生共振的可能性。但地脉动的振幅只有数微米，单纯的地脉动不可能引起这种幅度共振。

③考虑到地脉动主要反映了场地结构的动力学特性，同时微动理论认为地震发生时的地震动和地脉动均受到场地固有振动特性的支配。同时，上述避雷针较大幅度振动的情况集中出现在附近地区发生多次中强震的时间段内，所以两个因素有可能发生耦合作用导致该现象发生。

④同时，该避雷针结构的固有频率处在脉动风的振动频率范围内，在特定脉动风的影响下，该避雷针结构有可能与脉动风发生共振，导致偶发的振幅过大现象。分析该情况，需要进一步采用脉动风时程曲线计算该避雷针结构的风振反应。

参考文献：

[1]洪彦彬，赵铁慧.了解雷电危害提高防雷减灾能力[J].内蒙古民族大学学报，2010，16（2）：71-72.

[2]尹娜.雷电危害风险评估研究[D].南京;南京信息工程大学，2006.

[3]姜衍仓.雷电危害与防护研究[J].新乡学院学报，2009，26（3）：28-29.

[4]廖锡源，李敬源.雷电的危害及预防措施[J].气象研究与应用，2009，30（1）：159-161.