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1、第28卷第3期土木工程與管理學(xué)報(bào)VoI.28No.32011年9月JournalofCivilEngineeringandManagementSep.2011高壓輸電塔線體系的地震響應(yīng)研究汪江,陳站,周臻,朱虹(1.安徽省電力科學(xué)研究院,安徽合肥230601;2東南大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇南京210096)摘要:高壓輸電塔的塔線耦合作用顯著,抗震分析時(shí)需采用三維有限元方法。本文以2E2-SZ2型220kV輸電塔為例建立ANSYS三維有限元模型。通過模態(tài)分析,得到單塔和塔線體系的振動特征。在橫向地震荷載作用下,對輸電塔位移、基底反力及主材內(nèi)力計(jì)算分析,討論了地震作用對輸電塔線體系的影響,提出一些有
2、益結(jié)論。關(guān)鍵詞:輸電塔;塔線體系;模態(tài)分析;時(shí)程分析中圖分類號:TU311.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:2095-0985(2011)03-0282-03輸電塔結(jié)構(gòu)是重要的生命線工程,對地震作在輸電塔模型建立過程中,采用了如下簡化用十分敏感。高壓輸電塔的破壞將給人們的生命假定:(1)輸電塔模型全部由桿件構(gòu)成,忽略爬梯財(cái)產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)帶來不可估量的損失。1999年等輔助設(shè)施;(2)忽略桿件之間的實(shí)際連接方式,臺灣地震中因高壓輸電塔、線路破壞造成直接和包括法蘭連接、焊接和螺栓連接,桿件的計(jì)算長度間接經(jīng)濟(jì)損失難以估計(jì)。因此,對高壓輸電塔假設(shè)為結(jié)點(diǎn)間距;(3)忽略地基與基礎(chǔ)與塔體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度計(jì)算分析勢
3、在必行。對于采用有相互作用,不考慮地基和基礎(chǔ)對塔的影響;(4)限元分析高壓輸電塔線體系,學(xué)者進(jìn)行了一定的對于導(dǎo)線和地線,采用拋物線近似懸鏈線。探索。文獻(xiàn)[2]用有限元獲得輸電塔的動力特建模時(shí),使用梁單元模擬塔體弦桿、橫隔桿、性;文獻(xiàn)[3]利用梁桿混合體系分析輸電塔,采用主腹桿等,以保證其整體剛度和穩(wěn)定性。使用桿導(dǎo)線等效剛度來考慮導(dǎo)線影響;文獻(xiàn)[4]采用梁單元模擬次腹桿,以降低模型局部剛度。導(dǎo)線采桿單元模擬桿塔,采用桿單元模擬導(dǎo)線進(jìn)行風(fēng)致用預(yù)應(yīng)力索單元模擬。振動研究?;谝陨蠗l件,采用BEAM188單元和LINK建筑物抗震分析通常采用振型分解反應(yīng)譜8單元建立輸電塔有限元模型,采用LINK10建立
4、法,但考慮到高壓輸電塔塔線耦合的特殊性,簡化導(dǎo)線模型。2E2-SZ2型220kV輸電塔架總高模型存在一些不足,需進(jìn)行時(shí)程分析對比計(jì)58.7ITI,擋距取480m,每相導(dǎo)線為四分裂形式,算J。本文采用ANSYS對輸電塔及塔線體系建導(dǎo)線地線跨中垂度為10m,兩端懸掛點(diǎn)等高。每模,通過對輸電塔結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和橫向地震時(shí)程個(gè)輸電塔底部四節(jié)點(diǎn)采用固定約束。最終在AN—分析,比較單塔與塔線體系的振動特征和地震作SYS中建立的三塔兩線有限元模型如圖1所示。用下的響應(yīng),討論塔線耦合振動對結(jié)構(gòu)的影響。1輸電塔ANSYS有限元建模我國現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程’在計(jì)算模型方面僅考慮單塔,不考慮導(dǎo)線、避雷針等作用。在1999年臺
5、灣集集地震震災(zāi)報(bào)告中輸電塔災(zāi)害的主要原因在于“鐵塔設(shè)計(jì)通常由風(fēng)荷載控制,地圖12E2一SZ2型220kV輸電塔線三維模型震荷載常被忽略”的設(shè)計(jì)思想,我國在輸電塔抗震設(shè)計(jì)方面有待完善。收稿日期:201145-30作者簡介:汪江(1975一),男,安徽安慶人,高級工程師,博士,研究方向?yàn)檩旊娝踩O(jiān)測技術(shù)(jiangw75@163.con1)第3期汪江等:高壓輸電塔線體系的地震響應(yīng)研究·283·2模態(tài)分析替模態(tài)分析是用于確定結(jié)構(gòu)或部件的振動特性,即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,是承受動態(tài)荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)J。在ANSYS中提取模態(tài)有l(wèi)+鼴鼴多種方法_l,本文采用BlockLanczos迭代法分析輸電塔
6、有限元模型的固有頻率和振型。表1給出(a)(b)蘑鼴(C鼴)單塔和塔線體系的前三階主要振型和頻率,表1圖3塔線體系振型中沒有計(jì)入桿件或?qū)Ь€的局部頻率??梢园l(fā)現(xiàn)單塔以縱向(沿導(dǎo)線方向)和橫向(垂直導(dǎo)線方向)百鼠具,平動振動為主,兩方向上的振動頻率非常接近,塔3時(shí)程分析線體系中縱向第一階彎曲振型頻率比單塔模型低,主要是由于縱向?qū)Ь€在平面內(nèi)的質(zhì)量作用;橫選取E1Centro波作用于單塔和塔線體系,其向?qū)Ь€對平面外振動約束較小,因此橫向第一階中塔線體系取中間塔為研究對象。由于單塔和塔彎曲振型頻率與單塔相差較小。如圖2、3分別為線體系橫向一階彎曲振型頻率接近,而縱向一階單塔和塔線體系振型。彎曲之問相差比
7、較大,為比較二者在橫向振動時(shí)表1單塔和塔線體系前三階主要振型和頻率的差異,地震波橫向輸入。同時(shí)為避免塔線體系因?qū)Ь€質(zhì)量增加引起的重力改變對結(jié)果產(chǎn)生的影響,時(shí)程分析時(shí)重力加速度不計(jì)入內(nèi)。輸入地震波持續(xù)時(shí)間為20S,加速度峰值為0.15g。3.1輸電塔位移反應(yīng)圖4給出單塔和塔線體系在橫向地震荷載作用下頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線??梢园l(fā)現(xiàn)單塔塔頂位移經(jīng)過峰值后位移迅速衰減,而塔線體系則會在經(jīng)歷峰值點(diǎn)位移后維持一段