高烈度地区特高压输电铁塔罕遇地震作用下的损伤分析

郭旭坤，杨青顺

(青海大学土木工程学院，青海 西宁 810016)

青海至河南“西电东送”工程的实施是特高压电网解决远距离输电中电能损耗的最佳方案，也是实现西部资源优势转变为经济优势的主要举措，输电铁塔是电路输送的关键，对地震作用十分敏感，高烈度地区地震作用下输电铁塔的倒塌会影响整个“西电东送”项目的正常运行甚至产生二次危害[1-3]。

近年来，逐渐完善的有限元模拟软件对结构进行力学模拟分析时，能够得到尽可能符合真实情况下的结构受力情况，因此，基于有限元模拟对输电铁塔结构进行地震作用下的影响分析十分重要。赵滇生[4]利用有限元软件对一座500 kV输电铁塔的5种计算模型进行了研究，通过高阶模态分析给出不同模型动力特性下的特点和适用范围。Ghobarah等[5]通过桁架单元及节点单元建立输电铁塔的力学模型和缆索，研究了地震波的传播速度对输电线路的非线性几何分析，得到地震波的传播速度对输电铁塔地震作用下的动态响应分析具有很大影响。岳茂光等[6]在塔—线体系有限元模型上对输入行波与一致地震动进行非线性时程分析，得到行波对结构的地震反应情况。李泽[7]对大跨越的输电铁塔体系进行地震响应分析时充分考虑了体系地震动输入的非一致性，并结合实际工程研究地震输入、不同方向地震工况的研究、导线及地线等对地震响应的影响。

青海省有很多横跨高烈度地区的特高压输电铁塔,本文以一座1 000 kV特高压双回路SZT2直线型输电铁塔为研究对象，对输电铁塔在8度罕遇地震作用下的稳定性和强度进行有限元模拟分析，根据Mises屈服准则对数据采集点应力百分比最大薄弱部位进行损伤评价，为高烈度地区特高压输电铁塔的抗震设计提供参考依据。

1 工程背景

本文以一座1 000 kV特高压双回路SZT2直线型输电铁塔为研究对象，该塔属空间桁架钢管塔结构，具有相对技术和经济优势，在超高压输电塔中应用较为广泛[8]。SZT2输电铁塔根开16.67 m，单塔呼高48 m，全塔总高93.4 m，塔腿斜材、横担受拉材采用Q235B钢材，其余塔身采用Q345B钢材，塔身均为无缝钢管连接，且仅在横担的斜材以及辅材处采用等边角钢构件。其中Q235B及Q345B钢材属性为弹性模量216×1011Pa，密度7.857 kg/m3，泊松比ν=0.3。

2 SZT2输电铁塔有限元模拟

2.1 有限元模型建立

运用非线性有限元软件Marc建立SZT2输电铁塔模型，其中杆件单元采用四节点四边形75号壳单元建立，圆钢构件和角钢构件分别采用矩形和相互垂直的矩形单元等效代换，节点全部采用刚接，全塔共记14 435个网格数，其中有7 899个节点，6 536个单元。由于结构的破坏是从非线性阶段开始的[9]，在考虑非线性的基础上本文采用的材料模型本构关系为双线性随动强化模型(BKIN)，该材料模型假定材料为均匀分布、各项同性，服从 Mises 屈服准则。在考虑地面和塔体接触位置的绝对约束下，对输电铁塔四个腿部接地节点施加x、y、z三个方向的约束，其余部位不施加任何约束，有限元模型见图1。

图1 SZT2输电铁塔模型图Fig.1 Model diagram of SZT2 transmission tower

2.2 模型模态分析验证

模态分析是研究结构动力特性的一种方法，每一阶模态具有特定的固有频率、阻尼和模态振型。在Marc有限元软件与Sap 2000计算软件中对SZT2输电铁塔分别建立有限元模型，选取模型前20阶振动模态的频率和周期以对比验证模型建立是否正确，结果见表1。

由表1可知，SZT2输电铁塔前20阶模态中Marc有限元软件与Sap 2000计算软件模态分析结果相对误差在15%以内，这说明有限元模型在动力特性上符合要求。该塔在模态分析1～17阶均呈现整体平动和塔身的扭转。

表1 SZT2输电铁塔前20阶模态对比

SZT2输电铁塔第18～20阶振型如图2所示。

图2 SZT2输电铁塔第18～第20阶振型Fig.2 18th-20th vibration modes of SZT2 transmission tower

如图2所示，SZT2输电铁塔从第18阶开始由于塔身下部至塔腿部位缺乏必要的几何支撑出现局部振动，使得局部振型出现过早，由此表明该塔塔身下部至塔腿范围为薄弱部位，存在一定安全隐患，在实际工程中可能因为地震作用引起倒塌破坏。

2.3 数据点采集及地震波选择

2.3.1 模型数据点采集 根据模型模态分析的变形情况设置20个数据采集点(图3)。数据采集点1设置在SZT2输电铁塔的塔腿位置，能够检测到塔腿的变形及受力情况；数据采集点2，3，6，8，11，13，16，20设置在SZT2输电铁塔主材与横担连接的位置上，采集该塔的主要受力构件数据；数据采集点4，5，7，9，10，12，14，15，17，18设置在SZT2输电铁塔的横担部位，能够对该塔上中下部位横担的受力情况进行数据采集；数据采集点19设在塔头横材，采集塔头的受力情况。

2.3.2 基本荷载施加及地震波选取 根据规范[10-11]，风荷载通过计算以面积力的形式施加在SZT2输电铁塔的弱侧；重力荷载通过体积力沿z轴负向施加在整个SZT2输电铁塔上；导线及地线荷载如图4所示。由于本文中SZT2输电铁塔有限元模型是一个无导线的单塔模型，依据文献[12]中提出的附加质量法添加导线荷载时，只考虑输电线的自重而不考虑其他作用如斜拉力等，每个横担的一侧有2个挂线点，图中所有挂线点均分为前后两个。

根据地震波的选取原则[13]与青海省高烈度地区所处的场地类型，最终选择中硬场地下地震，设防烈度为8度。设计地震分组为第一组，建筑场地类别为II类，特征周期为0.4 s，场地指数为0.5，水平地震影响系数最大值为0.45，设计基本地震加速度为0.20 g。根据目标反应谱选取7条罕遇地震波进行调幅计算，目标反应谱及设计反应谱如图5所示。

图3数据采集点位置图Fig.3Location of data collection points图4导线及地线荷载图Fig.4Loading diagram of conductor and ground wire图5目标反应谱及设计反应谱Fig.5Target response spectrum and design response spectrum

3 数值模拟结果分析

将符合条件的地震波导入Marc有限元软件进行调幅计算，分别对7条地震波进行有限元动态模拟，得到不同地震工况下SZT2输电铁塔的Mises应力云图及应力百分比折线图(图6)。从图6可以看出，不同地震工况下Mises应力云图受力较大的构件相对集中在塔身下部，因此对塔身下部主材的加固是保证输电铁塔整体稳定性的关键。从Mises应力百分比折线图可知，7个地震工况下20个数据采集点的变化趋势基本一致，但在数据采集点1，2，3三个构件上的Mises应力百分比出现了超出材料允许应力的工况，这可能会成为该塔的薄弱构件，从而造成输电铁塔在地震作用下的失稳倒塌。

图6 7个地震工况下SZT2输电铁塔Mises应力云图及应力百分比折线图Fig.6 Mises stress nephogram and stress percentage line chart of SZT2 transmission tower under 7 earthquakes

为避免个别地震波的偶然性，根据规范[1]采取7组时程波计算时，可取7组计算结果的平均值为最终计算结果来验证SZT2输电铁塔在地震作用后是否能够维持正常安全运行。因此，在Marc有限元软件计算结果的后处理文件中得到20个数据采集点的平均Mises应力、稳定系数、强度折减系数、材料强度、允许应力及应力百分比如表2所示。

表2 地震作用下各采集点数据

由表2可知，平均Mises应力最大的构件位于数据采集点2，为315.57 MPa。在8度罕遇地震工况下，SZT2输电铁塔的数据采集点1，2，3最终成为该塔的薄弱构件，均超出了强度折减系数及稳定系数的应力百分比，超过了材料允许的极限承载力。数据采集点1位于SZT2输电铁塔的塔腿，由于塔腿四周缺乏必要的几何支撑，在地震作用下发生严重的压弯变形；数据采集点2，3是SZT2输电铁塔在变坡度相邻两横隔断的主材，地震作用下重量相对较大的塔身变坡度上部与塔身变坡度下部产生了相对偏心的受力，导致两个主材段发生了严重的压弯变形。为保证SZT2输电铁塔能够不因强烈地震发生倒塌破坏，对塔身下部及薄弱构件实行加固措施十分重要。

4 讨论与结论

本文通过Marc有限元软件建立SZT2输电铁塔有限元模型，在7条8度罕遇地震时程工况以及SZT2输电铁塔自重和风载的共同作用下，设置数据采集点，找出该塔Mises应力百分比最大薄弱部位。对薄弱部位进行损伤研究，得到结论如下：

(1)SZT2输电铁塔由于塔身下部缺乏必要支撑与约束导致该塔局部振型出现过早，存在一定安全隐患。

(2)SZT2输电铁塔塔身变截面的相邻主材及塔腿主材构件为薄弱构件，均出现超出材料允许应力的情况，是罕遇地震工况下该塔倒塌破坏的主要原因。

与王金龙[14]用单质点体系的地震响应理论来模拟输电铁塔的整体稳定性相比，本研究考虑了输电铁塔自重、导线荷载、风载等对结构构件带来的综合影响。但由于地震作用下高烈度地区特高压输电铁塔稳定性分析与加固方法的缺乏，该模拟试验还有待进一步的研究。