近场罕遇地震作用下干字型输电塔的动力响应分析

李 健

（厦门绿发投资有限公司，福建 厦门 361001）

0 引言

随着“双碳”减排目标的提出，国家对输电线路工程的投资力度越来越大，输电线路项目的施工质量和安全管理迫在眉睫[1]。

我国地震断层分布复杂、数量繁多，是世界上地震多发国家之一，许多城市不可避免地位于地震带或断层附近。输电塔是输电线路中极其重要的部件，投资约占整个线路的30%～50%，一旦在地震作用下发生损坏或者倒塌，将对所在地的电力供应造成严重影响。相对于远场地震，近场地震具有明显的加速度、速度、位移冲击，对输电塔结构的破坏性更强[2-5]，因此研究地震断层附近输电塔在罕遇地震作用下的抗震性能愈发重要。武钢等[6]对比了大跨越输电塔-线体系的近-远场地震反应，证明近场脉冲型地震动作用下，大跨越输电塔-线体系的动力反应更加显著。刘启方等[7]通过实测近场强震地震动数据发现，近场地震动与远场地震动显著不同。周继磊[8]深入分析了近场震动加速度时程的功率谱，结果表明近断层脉冲型地震动的功率谱峰值较大，且在低频处能量集中。郭旭坤等[9]在罕遇地震工况下对输电铁塔进行了损伤模拟分析，发现塔身下部为输电塔的薄弱部位。王来等[10]发现罕遇地震作用下地震波的频谱特性直接影响到输电塔的振动反应。拾峰等[11]研究了高烈度震区输电塔在水平向和竖向地震作用下基底反力及杆材轴应力的变化规律。

本文以干字型输电塔为研究对象，选取了与罕遇地震规范反应谱在统计意义上相符的10 条近场地震波，采用动力时程分析方法计算输电塔结构的水平地震响应，获得顶点位移、基底反力、关键部位轴应力等结果，分析输电塔结构在罕遇地震作用下的受力特征。

1 输电塔有限元模型及近场地震波选取

本文所研究的干字型输电塔高度为28 m，ANˉ SYS 有限元模型如图1 所示。杆材和主斜材用BEAM188 梁单元模拟，辅助连接杆材用LINK8 杆单元模拟，有限元模型一共有912 个节点和998 个单元。BEAM188 单元采用Q420 钢材和Q345 钢材，LINK8 杆单元采用Q235 钢材，单元截面形状均为L形。钢材弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7850 kg/m3，采用典型的双线性随动强化本构关系。

图1 干字型输电塔有限元模型

干字型输电塔所在地区地震设防烈度为Ⅷ度，场地类别为Ⅲ类场地，地震分组为第二组，特征周期为0.60 s，结构阻尼比为0.05，地震影响系数最大值为0.9[12]。将确定的罕遇地震规范反应谱导入太平洋地震工程研究中心，选取了与罕遇地震规范反应谱在统计意义上相符的10 条近场地震波，如表1所示。缩放后的近场地震波加速度反应谱和规范反应谱如图2 所示，可以看出所选近场地震波的平均反应谱与罕遇地震规范反应谱在统计意义上是相符的。

表1 近场地震波记录

图2 缩放后的近场地震波加速度反应谱和规范反应谱

2 罕遇地震下的动力时程分析

振动模态分析是结构动力分析前的必要步骤，可以确定结构的固有频率和模态振型。本文采用ANSYS 子空间法进行模态分析，图3 为干字型输电塔前6 阶振型，第1 阶振型表现为沿横担方向的塔身整体弯曲，第2 阶振型表现为垂直横担方向的塔身整体弯曲，第3 阶振型表现为输电塔结构的扭转振动，第4～6 阶振型表现为输电塔结构的局部振动模态。

图3 干字型输电塔前6 阶振型

本文从太平洋地震工程研究中心选取了与罕遇地震规范反应谱在统计意义上相符的10 条近场地震波进行动力时程分析，由于不同地震波的频谱特征具有差异性，RSN159 地震波得到的位移响应最小，X 向和 Y 向位移峰值分别为 7.71 mm 和 7.27 mm。RSN802 地震波得到的位移响应最大，X 向和Y 向位移峰值分别为18.55 mm 和18.64 mm。RSN1086 地震波在X 向和Y 向的位移峰值相差较大，X 向和Y向位移峰值分别为12.39 mm 和7.94 mm。由于考虑了输电塔的自重效应，近场罕遇地震波沿输电塔X向和Y 向作用时，Z 向基底反力平均值为2.67E5 N，X 向和Y 向的基底反力平均值变化范围为4.44E4 N～4.48E4 N，表明输电塔结构的空间效应较强，任意激励方向都可在X 向和Y 向产生大小相当的基底反力。

为研究近场罕遇地震作用下输电塔杆材轴应力分布规律，选取了上横担杆材（截面A）、塔身上部杆材（截面B）、下横担杆材（截面C）、塔身中部杆材（截面 D）、塔腿杆材（截面 E）5 个典型截面，如图 1 所示。由图4、图5 可知，上、下横担（截面A 和截面C）轴应力峰值总体较小，仅当在输电塔X 向施加地震波 RSN159、RSN178、RSN179 时，截面 C 的轴应力峰值分别为 2.82 MPa、6.12 MPa 和 5.14 MPa，其余激励工况下截面A 和截面C 的轴应力峰值均小于1 MPa，所以上、下横担在地震作用下不易受损。当近场罕遇地震波作用于输电塔X 向时，杆材截面应力峰值的变化规律为：塔身中部杆材（截面D）＞塔腿杆材（截面E）＞塔身上部杆材（截面 B）＞下横担杆材（截面 C）＞上横担杆材（截面A）。当近场罕遇地震波作用于输电塔Y 向时，杆材截面应力峰值的变化规律为：塔身中部杆材（截面D）＞塔腿杆材（截面E）＞塔身上部杆材（截面B）＞上横担杆材（截面A）≈下横担杆材（截面C）。

图4 近场罕遇地震X 向作用下的截面应力峰值

图5 近场罕遇地震Y 向作用下的截面应力峰值

综上所述，在近场罕遇地震作用下，输电塔塔身中部杆材和塔腿杆材受力较大，当杆材存在初始缺陷或疲劳损伤时极易发生破坏，故在输电塔设计、施工和维护时需要重点关注。

3 结语

通过干字型输电塔在近场罕遇地震作用下的动力时程分析，可以发现在X 向和Y 向地震波激励下，干字型输电塔顶点位移在水平方向上相差不大；由于考虑了自重效应，水平基底反力远小于竖向基底反力，输电塔结构的空间效应较强，任意激励方向都可在X 向和Y 向产生大小相当的基底反力；塔身中部杆材和塔腿杆材处的轴应力峰值最大，在干字型输电塔结构设计、施工和运营维护时应注意这些关键截面的安全性和稳定性。