基于SAP2000有限元的景观输电塔风振响应研究★

刘荣见，余文永，梁一荣

(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

输电塔作为传送电能特殊结构及经济社会发展的重要生命线工程，在我国由风载所引起倒塌的事故后果相当严重。输电塔作为风敏感较高的复杂空间耦联高耸结构，自振频率与脉动风频率较接近，易发生共振，产生较大位移，结构容易损坏，因而常在结构设计中把风荷载作为重点考虑因素，必须进行动力效应，合理设计输电塔结构，以增强结构的抗风能力。近些年来国内外学者也对输电塔风振系数进行研究:DAVENPORT[1]通过在不同地点、不同高度测出的强风记录，提出了脉动风速功率谱的概念；姚剑锋[2]对大跨越钢管塔的风荷载和风致响应等方面进行了详细研究；邓洪洲[3]对大跨越输电塔结构风振系数进行了深入研究；张爽[4]对±1 100 kV高压输电塔风振响应及风振系数开展了研究。

传统输电塔结构一般采用空间桁架结构，杆件主要由角钢、钢板、钢管制作，且造型单一以及占地面积较多等缺点。本文是一种对塔身杆件采用钢管且与环境协调较好的新型景观输电塔。通过matlab模拟地区风荷载，对单塔结构进行了时程分析，得到输电塔在风荷载作用下的风振响应，计算该输电塔的风振系数，并将计算值与DL/T 5551—2018架空输电线路荷载规范[5]风振系数取值进行对比以及分析造成两者差异的原因。

1 《架空输电线路荷载规范》风振系数计算方法

《架空输电线路荷载规范》采用团集质量法计算风振系数公式如下：

(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。

2 风振系数理论计算方法

根据风振系数的概念，结构高度z处的风振系数表示为[6]：

(2)

3 计算实例

输电塔为110 kV景观输电塔，塔高42 m，均采用Q345钢材，塔杆采用空心方钢管。竖向塔杆采用变截面，截面尺寸随着高度增加逐渐变小，竖向塔杆底部截面尺寸为1.8 m×1.8 m，塔杆顶部截面尺寸为0.8 m×0.8 m，塔杆厚度为24 mm；每水平横档分为两段，第一段截面尺寸从300 mm×300 mm逐渐减小到200 mm×200 mm，第二段截面尺寸再从200 mm×200 mm逐渐减小到150 mm×150 mm，壁厚均为10 mm。在有限元软件SAP2000中建立了详细的模型，塔杆采用梁单元。输电铁塔结构方案尺寸如图1所示。采用AR模型[7]模拟出20 km/h的风速时程及风压时程曲线，如图2，图3所示。

利用SAP2000分析得到输电塔的动力特性，前3阶模态：第1振型为y向平动；第2振型为x向平动；第3振型为z轴扭转。输电塔各振型自振周期见表1。

表1 输电塔各振型自振周期

输电塔第一阶自振周期T= 0.814 s，ω0=0.3 kN/m2,该塔总高42 m小于《杆塔技术规定》规定限值60 m，但其高度与根开之比大于6，故设计时采用由下到上逐段增大的风振系数值。

4 风振系数计算与对比

《架空规范》计算值与时程分析理论计算值统计于表2。两种计算值误差较大，由于本模型是单塔模型，将导、地线等效成荷载施加到输电塔上，这种模式忽略导、地线对输电塔的作用，包括刚度和阻尼，使输电塔在时程分析风响应增大，导致输电塔风振系数增大。

表2 风振系数βz计算

由图4可知，风振系数随着高度逐渐增加，《架空规范》与时程分析理论计算值的差异也随着高度逐渐增大。由于本铁塔结构跟规范规定的传统铁塔结构在外形结构上差异较大，且传统结构基底尺寸较大，致使两种方法计算结果偏差较大。故《架空规范》简化计算法适合于传统输电塔桁架结构中差异较小，并不适用于本铁塔结构。此外，《架空规范》计算铁塔风振系数时没有考虑导线、地线等作用荷载，尤其是塔顶只考虑风荷载的作用，低估了铁塔的位移响应，也会使风振系数计算值较小[8]。

5 结语

以新型景观协调的110 kV输电塔为背景，使用SAP2000软件建立有限元模型，在脉动风压作用下，根据有限元软件分析结合理论公式计算了该塔的风振系数，并与规范计算结果进行比较，得到如下结论：

1)利用SAP2000模拟0°风向角与90°风向角输电塔得到不同位移响应，其中模型y轴方向的刚度较低，导致模型对0°风向角的风荷载位移响应比较大。

2)由于本铁塔结构跟规范规定的传统铁塔结构在外形结构上差异较大，且传统结构基底尺寸较大，致使两种方法计算结果偏差较大。故《架空规范》简化计算法适合于传统输电塔桁架结构中差异较小，并不适用于本铁塔结构。

3)传统输电塔柱脚较宽大，而本新型景观输电塔柱脚较小，这将增大输电塔在风荷载作用下的位移响应。