塔线耦合作用对输电塔线风致响应的研究

何钰祥

(湖北省电力装备有限公司，湖北 武汉 430000)

1 引言

由于输电铁塔具有横向结构的特征，因此当其受到风荷载的作用时，其风致响应较为复杂[1-2]。同时，导线与输电铁塔间也存在着耦合作用，该耦合作用也会影响输电铁塔的风致响应[3]，因此，研究塔线耦合作用对输电塔线风致响应的影响具有重要意义。

截至目前，国内外相关研究较少涉及到塔线耦合作用对塔线风致响应的研究，尚无文献系统地分析最不利风向的影响因素[4]。为此，本文重点针对最不利风向，研究了塔线耦合作用对输电塔线风致响应的影响。

2 风致响应的数值计算方式

随着计算机技术的飞速发展，传统的计算机数值计算算法也随之不断优化，数值计算方法逐渐在工程领域发挥着重要作用[5]。数值计算方法的作用是对实测数据进行验证与补充，通过计算机数值模拟，可以达到对工程问题研究的目的[6]。目前研究输电塔线风致响应的数值模拟方法通常为有限元分析法(FEM)，其原理是将复杂问题进行离散，用简单问题替代复杂问题，再进行求解[7]。在分析输电塔线的风致响应时，首先需要在ANSYS仿真软件中建立模型，再通过有限元法进行计算分析。

3 塔线耦合作用的影响

首先对无导线的铁塔在不同风向角(θ=0°,45°,60°,90°)下，各高度的主材轴力进行仿真计算，计算结果如图1所示。图中轴力的正负分别表示拉力与压力。

图1 各风向角下的主材轴力

观察图1可得，当风向角发生变化时，各高度的主材承受的轴力性质也随之改变。当风向角θ在0°和45°之间时，2、3号主材均承受轴向压力，为背风侧，1、4号主材均承受轴向拉力，为迎风侧。当θ在45°和90°之间时，2号主材承受轴向拉力，为迎风侧，4号主材承受轴向压力，为背风侧。

当风向角改变时，不仅各高度主材承受的轴力性质发生变化，轴力大小也随之改变。为更直观地表示轴力大小随风向角改变的变化规律，提出各风向角下的最大主材轴力值如图2所示。

图2 不同风向角下的主材最大轴力

观察图2可得，背风侧的主材轴力整体要大于迎风侧的主材轴力，因此背风侧3号主材的最大轴力为研究重点。图2中，当风向角在0°～45°之间时，随着风向角的增大，3号主材的轴力呈现增大趋势。而当风向角在45°～90°之间时，随着风向角的增加，3号主材的轴力呈现减小趋势，在风向角45°时，主材轴力达到最大值。

观察图5可知，各高度主材的最大轴力均处于背风侧的3号主材，因此分别对无导线的塔线及档距300m的塔线在不同风向角下的3号主材最大轴力进行仿真计算，计算结果如图所示。

观察图3(a)和(b)可得，塔线体系的最大主材轴力与无导线输电铁塔呈现相似的变化规律，但是各风向角的主材轴力最大值发生了变化，如无导线输电铁塔的最不利风向角为45°，而塔线体系的最不利风向角为30°，且此时15°的主材轴力大于45°的主材轴力。由此可得，塔线耦合作用会对输电塔线体系的风致响应产生影响，使主材轴力的最不利风向角发生了变化。

图3 不同风向下的最大主材轴力

4 结论

输电线路常常暴露在大自然中，因此非常容易收到周围环境的影响。当输电线路遇到大风时，会产生较为明显的风致响应，严重时甚至造成铁塔构件发生断裂，因此风致响应成为输电线路发生重大事故的关键原因。同时，导线与铁塔具有一定的耦合作用，该耦合作用也会输电塔线的风致响应具有一定的影响。为此，本文针对输电塔线的风致响应，重点研究了塔线耦合作用对最不利风向的影响规律，所得结论对后续输电塔线风致响应的研究具有重要意义。