近场罕遇地震作用下干字型输电塔减震控制研究

李 健

（厦门绿发投资有限公司，福建 厦门 361001）

输电塔作为重要的电力输送设备被广泛应用于社会生产和生活中，其运行状态直接关系到电网安全与能源稳定，地震、台风和滑坡等自然灾害会对输电塔的安全运行造成巨大影响，减震控制已成为目前输电塔结构的研究热点。输电塔减震控制一般分为主动控制、被动控制和半主动控制[1]：主动控制是基于某种控制算法由输入/输出信息来确定控制力大小，并由驱动器借助外界能源将控制力施加于结构上以达到减震的目的[2]；被动控制是采用隔震、吸能和阻尼耗能等措施来减小结构的动力响应[3]；半主动控制的原理与结构主动控制基本相同，只是作动器需要利用结构的往复相对变形或相对速度实现控制力输出[4]。被动控制是输电塔减震控制的主要研究方向，目前结构被动控制技术主要包括隔震技术、吸震技术和耗能技术等[5]。耗能技术主要通过各种阻尼器进行结构减震，主要包括摩擦阻尼器、形状记忆合金（SMA）阻尼器和粘滞阻尼器等。陈波等[6]采用被动摩擦阻尼器研究了输电塔在强烈地震作用下的减震控制问题，结果表明，摩擦阻尼器是一种形式简单、具有较好耗能能力的控制装置，可以有效地减小高压输电塔的地震反应。Tian 等[7]提出了一种新型形状记忆合金调谐质量阻尼器，结果表明其阻尼有利于减轻振动响应。Chen 等[8]开展了强震作用下设置摩擦阻尼器的输电塔-线体系的减震和性能评估研究，表明在输电塔-线体系中应用摩擦阻尼器可以在最优阻尼器参数下大幅抑制地震响应。李闯[9]提出了一种新型自复位SMA 阻尼器，通过分析不同地震波作用下有控结构的动力响应和结构评价指标，验证了阻尼器对结构位移和位移角的控制效果。牛健[10]提出一种SMASMP 减震装置，研究了该减震装置在不同地震频谱、幅值下的减震效果，结果表明该装置对单自由度结构具有良好的耗能能力，位移和加速度响应显著降低。张春蕊等[11]提出应用SMA 阻尼器对输电塔风致振动进行控制，对不同方案进行结构风致振动瞬态响应仿真，提取各方案控制点位移和加速度时间历程进行比较分析，结果表明SMA 阻尼器对输电塔具有较好的风振控制效果。

本文以干字型输电塔为研究对象，选取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，分析安装SMA 阻尼器后干字型输电塔的塔顶位移、塔顶加速度、关键截面轴应力和基底反力等动力响应，研究SMA 阻尼器的减震控制效果，以期为干字型输电塔的减震控制研究提供借鉴。

1 输电塔有限元模型及SMA 阻尼器

本文所研究的干字型输电塔高度为28 m，其有限元模型如图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，有限元模型一共包含912 个节点和996 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7 850 kg/m3，采用典型的双线性随动强化本构关系。

形状记忆合金（Shape Memory Alloys，SMA）是一种由2 种以上金属元素构成、能够在温度和应力作用下发生相变的新型功能材料，通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有独特的形状记忆效应、相变伪弹性等特性。SMA 的原理本质上源于合金内部存在奥氏体（母相）和马氏体2 种不同的晶体结构，以及2 种不同类型的转变：引起形状记忆效应的温度诱导转变与导致超弹性的应力诱导转变。低温和高温状态下，形状记忆合金晶体分别以马氏体和奥氏体结构存在，当合金在低温下发生马氏体形变后，温度升高导致马氏体逐渐向奥氏体转变，同时SMA 在低温下的变形得以消除，材料恢复至形变前固有形状。在随后的冷却过程中，SMA 内部弹性能释放恢复马氏体，材料形状会发生不同的变化，根据其后续低温状态的形变可将形状记忆效应划分为单程、双程和全方位形状记忆效应[12]。

SMA 阻尼器一般是指利用SMA 超弹性的位移型阻尼器，可以用ANSYS 弹簧-阻尼器（spring-damper）单元COMBINE14 模拟。阻尼器单元通过2 个节点、刚度（力/长度）和阻尼系数（力·时间/长度）进行描述，本文设置SMA 阻尼器的等效刚度为5×106N·m-1，等效阻尼为12×106N·s·m-1。在输电塔塔头和塔身沿第一振型方向共安装8 个SMA 阻尼器，具体安装位置如图1中加粗黑线所示。

图1 干字型输电塔有限元模型

2 近场地震波选取

假设干字型输电塔所在地区地震设防烈度为8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[13]。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（Pacific Earthquake Engineering Research Center），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，见表1。缩放后的近场地震波加速度反应谱如图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。

图2 近场地震波加速度反应谱

表1 近场地震波记录

3 SMA 阻尼器减震效果分析

本文首先采用ANSYS 子空间法对干字型输电塔进行模态分析，得到输电塔结构的固有频率和模态振型。图3 为干字型输电塔的前3 阶整体模态：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。由模态分析结果可以发现，输电塔以Y 向和X 向的弯曲振型为主，且2 个水平方向上的同阶自振频率相差较小。

图3 干字型输电塔前3 阶振型

由于干字型输电塔的第一主振型为Y 向，在输电塔塔头和塔身沿Y 向共安装8 个SMA 阻尼器用于减震控制，并在输电塔Y 向施加近场地震波作用进行动力时程分析，安装SMA 阻尼器后的减震率η 为

式中：S 为未安装SMA 阻尼器的输电塔动力响应，S” 为安装SMA 阻尼器后的输电塔动力响应。

输电塔塔顶位移和加速度的减震率见表2，不同近场罕遇地震作用下输电塔的减震效果有所不同，在RSN1161 地震波作用下输电塔的减震效果最好，塔顶位移的减震率为43.88%，加速度的减震率为31.41%。综合考虑，在近场罕遇地震作用下，干字型输电塔安装SMA 阻尼器后，塔顶位移平均降低29.05%，塔顶加速度平均降低17.78%。

表2 塔顶位移和加速度减震率

为了研究近场罕遇地震作用下输电塔杆材轴应力的减震规律，选取了干字型输电塔上横担杆材（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）等5 个典型截面（图1）。输电塔安装SMA 阻尼器后的截面轴应力减震率如图4 所示，可以发现除RSN802 地震波外，在其余近场地震波作用下，关键截面轴应力总体呈降低趋势，即截面轴应力减震率大于零。相对于其他截面位置，塔身中部（截面D）的轴应力减震效果最好，塔腿杆材（截面E）的减震效果次之。综合考虑，在近场罕遇地震作用下，干字型输电塔安装SMA 阻尼器后，5 个典型截面的平均轴应力减震率依次为17.02%、14.15%、5.98%、28.26%、19.94%。

图4 截面轴应力减震率

输电塔安装SMA 阻尼器后的基底反力减震率如图5 所示，可以发现X 向平均基底反力显著增加，Y 向平均基底反力基本没变，Z 向平均基底反力稍微降低，X 向、Y 向和Z 向的平均基底反力减震率分别为-34.2%、0.52%和6.92%。由于近场地震波作用方向为输电塔的Y 向，设置SMA 阻尼器后Y 向位移受到抑制，导致与之垂直的X 向位移不断增大，X 向基底反力随之增加。

图5 基底反力减震率

4 结论

本文分析了近场罕遇地震作用下干字型输电塔安装SMA 阻尼器前后的动力时程响应，研究了SMA 阻尼器对塔顶位移、塔顶加速度、关键截面轴应力和基底反力的减震效果，得到以下结论。

（1）在干字型输电塔安装SMA 阻尼器后，塔顶位移和塔顶加速度都有不同程度的降低，塔顶位移的平均减震率为29.05%，塔顶加速度的平均减震率为17.78%。

（2）由于近场地震波存在频谱特性差异，在特定地震波作用下，安装SMA 阻尼器后的截面轴应力反而增加。综合考虑所有近场罕遇地震波作用，干字型输电塔典型截面的平均轴应力减震率依次为17.02%、14.15%、5.98%、28.26%、19.94%，其中塔身中部（截面D）的轴应力减震效果最好，塔腿杆材（截面E）的减震效果次之。

（3）在干字型输电塔安装SMA 阻尼器后，由于近场地震波作用方向为输电塔的Y 向，SMA 阻尼器抑制了输电塔的Y 向位移，导致输电塔X 向基底反力平均增加了34.2%。