EF2级龙卷风作用下输电铁塔力学响应研究

张维伦 黄日星 晏孝强

(东南大学土木工程学院，江苏 南京 210096)

随着经济的发展和负荷的增长，我国电网规模不断扩大[1]，社会用电需求也日益增加[2]，各类气象灾害也在不断威胁着电力企业的正常运行。输电线路和输电铁塔的安全隐患不容小觑，易对电力系统的安全运转造成影响[3]。

龙卷风是输电塔结构的重要灾害因素。位于华东沿海经济和负荷中心的江苏电网近年来发展迅速[4]，但也发生过龙卷风引起的输电线路损坏等情况。例如，2016年6月23日，江苏省盐城市阜宁县、射阳县遭遇EF4级龙卷风侵袭，风力超过17级，风速最高达到73 m/s，输电线路遭到重创。输电线路在运行阶段经常遭遇外部恶劣气象环境，如覆冰、雷电、大风等[5]。因此，输电线路的安全问题事关民生，应受到高度重视。

美国输电塔设计规范已将龙卷风荷载纳入其中[6]，而我国输电线路设计规范尚未涉及。本文以某110 kV线路直线型铁塔为研究对象，利用ANSYS软件建立输电塔有限元数值模型，进行EF2级龙卷风作用下输电塔的响应研究。

1 EF2级龙卷风风场结构分析

龙卷风分为EF0～EF5共6个等级，随着等级的增加，其发生概率依次减小，破坏程度依次增大。EF2级龙卷风的发生概率约为10.7%，其破坏程度较大。本文以EF2级标准龙卷风为研究对象。

龙卷风的风场结构十分复杂[7]。目前，学界对龙卷风的研究尚未完善[8]。国外学者对龙卷风进行了大量研究[9,10]，开发了多种龙卷风实验和数值模型。

Wen模型中，龙卷风边界层厚度δ仅与模拟点所处xy平面的坐标值相关，而与所在的高度z无关：

(1)

(2)

其中，r′为模拟点距龙卷风中心的距离；rmax为龙卷风最大切向风速半径r0所对应的坐标；δ0为模拟点位置相对于最大风速点无穷远时，龙卷风的边界层厚度。

根据气流所处的位置(坐标值z)不同，将龙卷风的风场结构分为边界层以上部分和边界层以下部分。边界层以上(z>δ)风速分量表示为：

(3)

边界层以下，风速分量表示为：

(4)

其中,T(η,r),R(η,r)和W(η,r)分别为切向、径向和竖向风速；Vmax为最大切向风速；b=1.2e-0.8r4；η=z/δ(r′)；z为模拟点距离地面的高度。

本研究采用Wen风场结构模型。给出EF2级龙卷风切向风速在半径上的分布如图1所示。可见，在不同高度上，最大切向风速总是在半径1/2左右的位置。

图2为EF2级龙卷风(最大半径Rmax=50 m)半径为35 m处，切向风速和径向风速沿高度的分布。可以看出，径向风速只在靠近地面时较大，而在离地较高位置很小，且在各高度位置，径向风速相对于切向风速都很小。因此，本文主要考虑龙卷风切向风速对输电塔结构的作用。

2 输电铁塔有限元模型

以某110 kV线路直线型铁塔为研究对象。铁塔塔高为38.7 m，呼高为28 m，如图3a)所示；输电塔各杆件采用Q235钢，其许用强度和稳定应力值为215 MPa。根据横隔位置将结构分为14段，如图3b)所示。用ANSYS有限元软件建立输电铁塔有限元数值模型，包括212个关键点，2 075个节点和1 242个单元。其塔身辅材、斜材、主材、横隔层等形式均为等边角钢，且角钢截面尺寸随着高度增加逐渐减小。采用Beam188三维梁单元进行杆件的模拟。

3 输电铁塔在EF2级龙卷风作用下的响应研究

根据DL/T 5154—2012架空输电线路铁塔结构设计技术规定[11]的要求计算输电铁塔各杆件和输电线所受风荷载，并平分到两端节点上。其中，由于所提取的龙卷风风场已考虑高度变化对风速和基本风压的影响，故将风压高度变化系数取为1。

3.1 最不利位置的确定

由图1可知，在不同的半径下，龙卷风会具有不同的风速谱，以输电塔响应(塔顶位移和支座弯矩)最大时所对应的龙卷风半径为其最不利位置。取在龙卷风60°风向角下的最不利位置对应的风速谱进行计算，如表1所示。

表1 EF2级龙卷风下输电塔最不利位置的确定

由表1可见，随着龙卷风半径的增加，输电塔塔顶位移与塔脚支座弯矩呈先增大后减小的趋势。当龙卷风半径为30 m时输电塔的响应达到最大值，故其最不利作用半径为30 m。

3.2 输电塔塔顶位移分析

绘制输电塔在龙卷风最不利半径下，各角度风时的塔顶位移图，汇总如表2所示。

表2 EF2级龙卷风各风向角时输电铁塔塔顶位移

根据GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空输电线路设计规范[12]规定，该110 kV铁塔属于悬垂直线自立式杆塔，高度为38.7 m，挠度限值为116.1 mm。该铁塔在EF2级龙卷风作用下塔顶位移超过规范要求，不满足刚度条件；而在60°风向角时塔顶位移最大，此时铁塔的破坏最为严重。

3.3 输电塔强度应力分析

绘制输电塔在龙卷风最不利半径下各角度风时正面塔腿的强度应力云图，如图4～图7所示。

由强度应力云图可以看出，左侧塔腿大部分主材受拉力，而右侧塔腿大部分主材受压力，且压应力峰值高于拉应力峰值。输电塔中下段塔腿的强度应力值相对较大，强度破坏易在中下塔段产生。

将各角度龙卷风下各塔段的最大强度应力进行对比，如图8所示。

在龙卷风四种风向角作用下，输电铁塔主材杆件强度应力随高度的变化规律基本相同，随高度增加整体呈先增大后减小的趋势，应力均在第2塔段处达到最大值。45°和60°风向角时的强度应力差别不大，而其最大值已达到或超过许用应力值215 MPa；在60°风向角时各塔段强度应力最大，此时输电铁塔处于最危险状态。主材杆件可能会遭到强度破坏；0°和90°风向角时的强度应力相对较小，较为安全。

3.4 输电塔稳定性分析

根据现行设计规范GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空输电线路设计规范[12]、GB 50017—2017钢结构设计规范[13]，输电塔结构受外荷载作用时，主材杆件主要承受轴向压力和弯矩的共同作用，这些杆件可能存在局部失稳情况，进而导致结构的破坏，需要进行结构稳定性分析。

针对不同角度风下主材的承载力情况，取各塔段压力最大的主材进行比较。分别验算14个塔段各主材在EF2级龙卷风作用下的稳定应力。以结果最大值为代表数据，并将各角度风下输电塔各塔段主材的最大稳定应力进行对比，如图9所示。

输电铁塔在各角度EF2级龙卷风作用下的稳定应力变化规律基本相同。应力值随高度增加整体呈先增大后减小的趋势，而中下塔段失稳破坏较为严重。主材的稳定应力高出强度应力值75%左右，应更为关注输电铁塔的稳定性。在45°和60°风向角时第二塔段稳定应力值超出许用值75%以上。因60°风向角时输电铁塔的失稳破坏最为严重，故宜按60°风向角作用的情况进行输电塔设计和稳定性校核。

4 结语

1)由于在不同的半径下，龙卷风具有不同的风速谱，故应选择使得输电铁塔响应最大的龙卷风半径进行加载和计算；2)输电铁塔中下段的强度应力和稳定应力较大，强度和失稳的破坏易在中下塔段产生，应对第1～5塔段进行一定程度的加固；3)输电铁塔在EF2级龙卷风四种风向角时的塔顶位移均超出限值要求，应关注刚度破坏对输电铁塔结构的影响；4)相对于0°和90°角度风而言，斜向风对结构更为不利。以现有的标准和校验要求来看，塔身的部分主材在斜向风下易发生应力超标现象；5)输电铁塔的稳定应力高于强度应力。应更为关注结构的稳定性，可通过调整钢材型号，提高所用钢材的屈服强度等方式提高其稳定性，避免遭受失稳破坏。