110 kV弹弓型景观输电铁塔风振系数计算研究★

刘荣见，余文永，展 语

(1.云南电网有限责任公司，云南 昆明 650011;2.云南恒安电力工程有限公司，云南 昆明 650011;3.昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650011)

0 引言

传统输电铁塔造型单一，美观性与环境协调性较差，对城镇、风景区等环境美观会造成一定影响。随着经济和社会的发展，输电线路结构造型也在不断改进和发展。为使输电塔能融入环境之中，逐渐提出了景观输电塔的概念。张子富等[1]提出现代架空输电铁塔设计准则在满足安全与经济的要求之外，尚应尽量减少铁塔外观造型对环境造成的不良影响。在输电塔结构设计中，风荷载是主要考虑的外部荷载。Davenport[2]通过在不同地点、不同高度测出的强风记录进行分析后，提出了脉动风速功率谱的概念；邓洪洲等[3]对塔身高耸和导地线大跨越距离的输电塔在随机风荷载作用下的风振响应做了研究；楼文娟等[4]对沿海地区台风风场下输电塔的风荷载取值进行了研究。目前对景观输电塔的研究较少，本文对110 kV弹弓型景观输电塔使用SAP2000有限元软件分析了该输电塔的自振频率、振型等动力特性及风荷载时程作用下的动力响应，结合理论公式计算了该结构的顺风向风振系数，并与《架空输电线路荷载规范》[5]计算值进行了比较。

1 风振系数计算方法

1.1 现行规范风振系数计算方法

风振系数又称风荷载调整系数。根据《架空输电线路荷载规范》规定，杆塔的风振系数βz宜根据高度分段按下式进行计算：

(1)

其中，g为峰值因子，取2.5；I10为10 m高度处湍流密度，对应A，B，C和D类地面粗糙程度，可分别取0.12，0.14，0.23，0.39；Bzi为背景因子；R为脉动风荷载的共振分量因子。

1.2 风振系数理论计算方法

自然风对结构的荷载作用包括静力风荷载和动力风荷载两部分，在设计过程中一般使用风振系数将不同高度处的动力风荷载转换成静力荷载，再施加在节点上模拟动风荷载。风振系数的表达式为[6]：

(2)

某高度z处等效静力荷载：

其中，μs(z),μz(z)分别为z高度处体型系数和风压高度变化系数；w0为基本风压，此工况取0.3 kN/m2；A(z)为z高度处迎风面积;mi为各质点质量；wi为第i阶振型的圆频率；qi为第i阶模态的广义坐标。

上述公式作为简化计算方法，适用于质量、外形及刚度在高度范围内规则变化的结构。本110 kV高压输电塔跟传统输电铁塔的质量分布及结构具有明显差异，为保证结构的安全性，使用有限元建模进行时程分析，并根据分析结果计算风振系数。

2 输电塔风振时程分析

2.1 弹弓输电塔模型

110 kV弹弓型景观输电塔，塔身总高度41 m，采用Q345空心圆钢管，塔杆底部到分叉处(0 m～25 m段)钢管外径为2.0 m，壁厚均为30 mm；25 m高度处分叉，与竖向夹角角度32°，分叉后截面为半圆形空心圆钢管，直径从分叉处到塔杆顶部由1.8 m减小到1 m，壁厚均为22 mm。在SAP2000建立的塔杆采用梁单元，结构尺寸如图1所示。

2.2 风速时程及风速谱

本文依据AR理论模型[7-8]，运用MATLAB仿真软件模拟出10 m高度处脉动风速时程曲线，如图2所示。脉动风主要参数：基本风速为20 m/s，回归阶数为4，模拟时程为200 s。图3为模拟谱-目标谱拟合曲线，从图中可看出模拟风速的功率谱密度曲线与目标风速功率谱密度吻合度较高。

2.3 输电塔动力特性

由SAP2000分析得到输电塔的前3阶振型如图4所示，自振周期见表1。第1振型为x向平动，第2振型为y向平动，第3振型为绕z轴转动。

表1 弹弓型输电塔各振型频率和周期

3 风振系数计算与对比

基于弹弓型输电塔的风振时程分析结果，由式(1)及《架空输电线路荷载规范》计算出各高度处的0°风向角风振系数，并与有限元的理论计算值对比了误差，如表2所示。

表2 弹弓型输电塔各高度风振系数

从表2可看出，0 m～25 m高度范围内，风振系数随着高度的增加而增大；25 m在分叉处，由于质量和刚度发生减小突变，导致该点处风振系数发生较大的减小突变。输电塔上端分叉部分随着高度的不断增加，其在风荷载作用下的广义位移继续呈现随高度增加而增大的趋势，其风振系数也继续随高度增加而增大。除了高度为5 m处理论计算风振系数与规范计算结果较为接近外，其他高度处相差较大，相差范围为29%～85%(见图5)。

从图5中可以看出，架空输电线路荷载规范的风振系数计算值与理论计算值变化趋势相同，自下而上逐渐增大；除5 m高度处风振系数规范计算值和理论计算值相近外，其他高度处风振系数规范计算值均小于理论计算值，故在实际的设计过程用规范设计值不太安全；在25 m处，分叉后输电塔的刚度和质量突然减小，风振系数在此处达到最大值，理论值和规范计算值在计算结果上均体现了这个特征[9]。

4 结语

该输电塔结构振型及动力响应较为合理。由于输电塔分叉后迎风面积突然减小，质量和刚度发生突变，使用规范进行计算时不能充分考虑这一影响，导致按照规范计算所得风振系数出现突变减小，并且理论计算值均远大于规范计算值，使用规范计算值所计算出的风荷载偏小，导致结构设计偏于不安全。建议在设计中采用理论计算值而不采用规范计算值。