导线对输电塔线体系风致响应的影响

刘乾

(湖北省电力装备有限公司，武汉 430060)

1 引言

输电杆塔和导线共同构成的塔线体系是输电线路的核心架构[1]，塔线体系的安全稳定性电力系统的安全稳定性息息相关。塔体一般采用钢材的格构式结构建成，符合杆塔轻质高柔的特殊要求，在保证坚固稳定的同时尽量减少耗材，也正因此增加了杆塔对风荷载的敏感性[2]。大风灾害会导致杆塔结构产生严重的风致响应，塔身局部钢构件容易发生明显的变形，严重时甚至断裂[3]。导线具有明显柔性特性，导线在风荷载的影响下表现出非线性几何特性使塔线体系在风荷载作用下的响应特征变得更加复杂[4]。

随着远距离超高压及特高压输电技术的发展，在实际工程中，塔身越来越高，档距也越来越大，塔线体系的抗风性能更显得尤为重要[5]，对此，本文通过研究和分析导线对塔线体系受到最不利风向的影响，为输电塔线体系风致响应提供一定的理论参考。

2 有限元方法简介

在解决复杂的结构工程时，通常采用有限元的方法，有限元方法顾名思义是将连续区域的计算对象有限的划分成大量微小单元进行逼近计算的方法，在进行实际计算时，计算对象并非实际工程中的机械结构，而是由同类材料构成的多个微小单元[6]。然后依据每个单元的结构特性近似求解，进一步获得由每个单元组成的整体特征，最后加以边界条件，逐个得到各单元的响应值。

相对于其他分析方法，有限元分析法适应性比较好，特别适用于分析多物理场与几何条件耦合的复杂问题，在复杂的几何模型下求解结构力学问题优势明显，以至于如今普遍使用的结构力学分析应用软件均建立在有限元分析方法的基础上[7]。

3 导线对塔体响应最不利风向的影响

3.1 导线档距对最不利风向分析的影响

建立无导线和有导线且档距分别为300m、600m及800m的塔体模型，利用有限元分析方法计算模型最大主材轴力和最大位移响应，结果如图1和图2所示。

图1 最大主材轴力

图2 最大位移响应

根据上图的结果，对比有导线和无导线的风致响应情况，塔线体系的主材轴力和最大位移响应明显比无导线的塔体模型大，由此说明，导线增加了塔体的风致响应。在塔线体系中，导线档距越大，塔体主材轴力和塔体结构位移的最值会进一步增大，但当风向沿着导线的方向时，即90°时，导线对塔体风致响应的影响达到最小化。

此外，在档距较大的塔线体系中，塔线体系的最不利风向大致出现在与导线垂直的横向风。在大档距输电线路的实际工程中，应重点关注横向风对塔线体系的影响。

3.2 导线转角对最不利风向分析的影响

建立固定档距不同转角的塔线体系模型，设置档距为300m，转角分别为 0°、10°、20°和 30°。 利用有限元分析方法计算模型最大主材轴力和最大位移响应，结果如图3和图4所示。

图3 最大主材轴力

图4 最大位移响应

由上图可知，对比有转角和无转角的塔线模型，无转角模型下，塔体的风致响应曲线以90°为中心线对称；有转角的模型中，其主材轴力和最大位移响应随不同风向的变化出现不同的特征，且不对称。对比不同转角的塔线模型，当风向处于30°至180°间时，转角越大，塔线体系的风致响应越大。

当风向处于0°至30°间时，导线转角与系统风致响应关系曲线呈现不同的变化规律。对比风向角为0°时塔体迎风侧和背风侧的主材轴力，其结果如图5所示。

图5 主材轴力

根据图5可知，转角逐渐增大的过程中，导线与风荷载的抵消作用先慢慢增大，塔体主材轴力开始减小，当转角增加至30°后，导线对塔体的影响明显大于风荷载的影响，之后转角越大的系统，塔体主材轴力响应越大。

基于上述分析，塔体风致响应受到塔线转角的影响比较大，在有导线转角系统的最不利风向分析中，需考虑转角外侧角平分线附近风荷载作用下的风致响应特性。

4 结论

本文重点关注在不同风向下塔线体系的风致响应特性，通过有限元分析方法，分别建立无导线的塔体模型、不同档距的塔线体系以及不同转角的塔线模型，仿真计算不同风向影响下塔线体系的响应特性。结果说明，转角对塔线体系的风致响应的影响较大，转角偏大的模型下，导线对系统的影响要明显大于风荷载的作用。另外，由于导线与风荷载作用的叠加，有转角的塔线体系的最不利风向出现在靠近导线外侧角角平分线的位置，工程实际中，需考虑有转角的塔线体系外侧角平分线附近风向的作用影响。