输电塔塔线体系风振响应分析

输电塔塔线体系风振响应分析

王倚恒戴劲松马潇宋明阳包可王喆

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摘要：输电塔线体系是国家重要的电力工程设施，也是保障人们生产生活有序进行的重要设备，输电塔线体系的稳定性和安全性直接关系到电网运行的可靠性，而风荷载是影响它们安全性的主要因素之一。本文首先，简要介绍了我国超高压、特高压输电线路的发展前景。接着，从输电塔线体系的分析模型、风振分析、风振控制三大块，对输电塔线体系抗风设计理论的发展进行了综述。

关键词：输电塔线体系；动力特性；风致动力响应；风致振动控制

前言

随着社会经济的发展以及人民物质生活水平的提高，人们在生产生活中对电力的需求大大增加，电力行业得到了迅速发展，作为电力能源输送的重要设备的输电塔如雨后春笋般建立起来，数量多而且重要性越来越高高。输电塔线体系日趋呈现杆塔架构高、导线截面大、间隔长、负荷大、柔性强等特点。由于铁塔柔性强、导地线和绝缘子串的几何非线性以及塔线之间、塔与基础之间的耦合作用，再加上而输电塔线体系对风与地震、恶劣天气变化和温度湿度等环境因素较为敏感，容易发生动力疲劳和失稳等现象[1]。尤其是在强风作用下，容易发生塔架倒塌、损毁等事故。因此，对输电塔风荷载进行研究具有重要的现实意义。

输电塔线体系是一种复杂的空间耦联体系，对其风振动力响应的分析具有一定的难度。目前，在输电塔结构的设计中塔架和输电线是分开设计的，导线的荷载当作外力加在输电塔上，并不考虑塔线之间的耦合作用。所以导线在脉动风作用下振动时，会产生变化的动张力。同一输电塔两侧的动张力是不平衡的，该张力差使输电塔发生位移；而输电塔本身在风荷载的作用会移动，得导线内的张力进一步变化[2]。如此一来，导线与输电塔形成复杂的动力耦合体系是相互影响，共同作用的。

1输电塔线体系的动力分析的模型

输电塔线体系是由柔性强铁塔、导地线和绝缘子串的几何非线性以及塔线之间、塔与基础之间的一种复杂空间耦合体系。其承受的动力作用主要是风荷载与地震作用。输电塔线体系对风力作用极其敏感，易产生大的风致动力响应，导致动力疲劳和失稳破坏等现象。因此，风荷载是一种重要的设计荷载，对输电塔线的稳定性起着决定性作用。在计算模型上，如何确立模型边界条件，需要选取合理的计算模型，对于保证分析精度，减少计算量具有非常重要作用。目前，国内外有关学者对输电塔线体系的风振响应计算模型和计算方法进行了探讨，主要是通过动力分析模型、风洞试验、现场实测与有限元数值模拟等方法对输电塔线体系进行动力特性、风振响应和风振控制的研究。根据Hamilton原理，考虑输电线几何非线性，塔对于高柔输电塔线体系，在脉动风与地震等动力作用下的动力响应分析往往成为结构设计的控制因素[3]。要对输电塔线体系进行风振响应分析及风振控制,首先要建立输电塔线体系的分析模型，以分析其动力特性。

在早期的输电塔设计中，因技术的限制导致设计较为简单，一般采用的是平面桁架法、简化空间桁架法和分层空间桁架法等。之后，随着信息技术的快速发展，输电塔可以作为整体空间桁架来进行设计，从而大大提高了计算精准度。现在，因为人们对电力的需求量越来越大，对电力输送的要求也越来越高，即使是在地形地貌险恶的地区，都可能设置输电塔，所以为了满足这些输电要求，在技术水平的支持下，输电塔的高度和跨度越来越大，其柔性也在增强。在风荷载作用下，塔线体系具有极强的非线性，因此,需要对高柔输电塔线体系进行更加精确合理的模型建立研究。

纵观国内外学者研究的历程，从Irvine的缆索静动力分析方法到李宏男等提出的输电塔线体系的多质点分析模型，瞿伟廉等根据输电线路振动的基本特点，基于多质点模型研究了塔线体系的耦合振动，重点分析了多质点模型中几个模型参数对动力特性的影响，再到梁峰等建立了输电塔线体系的多质点模型……我们对塔线体系分析模型的研究主要是理论模型和基于商业有限元软件(ANSYS、SAP2000、NASTRAN等)所建立的模型。值得一提的是，目前基于有限元软件建立的模型还存在着局限性，因为商业有限软件的技术含量还没有达到完全能体现真实环境的效果，在具体实验时还是需要综合考虑现场实测数据和风洞试验的结果，才能得到更为合理的分析模型[4]。而且，考虑土与结构相互作用(SSI)来建立输电塔线体系的分析模型也将是其未来抗风研究的一个重要发展方向。

2输电塔线体系的风振分析

2.1输电塔线体系的动力特性

在对塔线体系模型研究的基础上，为了验证其模型的合理性以及研究结构在风荷载等动力作用下的性能时，都必须先研究结构的动力特性，就是研究结构的震动的频率和振型。由于输电塔线体系自身结构的复杂性和形式的多样性，导致结构的动力特性计算较为复杂。国内也有学者专门对输电塔线体系的动力特性进行了研究。从胡松等针对输电塔线体系采用的桁架杆单元、索单元和预应力杆单元模型，之后李宏男等提出了高柔输电塔线体系纵向和横向耦合振动力学模型及相应的动力特性计算方法，苏速等针对输电塔线体系，研究了塔线之间的耦合作用，直至刘树堂等分析了输电塔的自振特性。当前，对输电塔线体系的动力特性研究主要是基于商业有限元软件来对其进行模态分析。但是对于频率和振型的具体情况，就要通过大量的输电塔线体系的试验和现场实测结果来验证了。

2.2输电塔线体系的风致动力响应

由于输电塔线体系自振频率紧凑，模态阶数很多，所以如果采用应用频域法，就会比较困难。邓洪洲等利用有限元方法，在时域范围分析了输电塔线体系的风振响应。但需要注意的是，不少研究都只考虑了顺风向的风荷载，没有考虑到输电塔的横风向脉动风荷载，当前对输电塔线体系风振响应的研究，大都是建立在顺风向响应分析的基础上的。而对于格构式塔架结构，在强风下的横风向响应是不可忽视的，且与顺风向响应有相同的量级；同时扭转响应也很严重。所以，对输电塔线体系开展横风向和扭转响应的研究是未来抗风研究的方向和任务，同时对输电塔线体系进行非平稳随机风荷载作用下的动力响应抗风设计，是保证输电塔线体系能够抵御强风的恶劣天气的重要保证，也是增强输电塔安全性的重要研究。

3输电塔线体系的风振控制

结构振动控制技术为结构抗风设计提供了一种有效的方法。结构振动控制一般分为被动控制、主动控制、半主动控制和综合控制。振动控制装置在建筑行业已得到了广泛的应用，但是在输电塔线体系上的应用，还处于初步发展阶段，还有待开发出更加稳定的应用技术和效果。当前，国内外对输电塔线体系的减振研究主要集中在选择和开发合适的控制装置和控制算法和控制装置在输电塔上的参数优化。

结语

综上所述，目前国内外对输电塔线体系的振动特性已进行了大量的研究，并取得了一定的研究成果，得到了一系列有意义的结论，但目前的研究工作仍然处于开创性阶段，需要电力行业人员不断刻苦钻研，发扬“四公”精神，研究出更多有实践性的理论和方法，为输电塔线体系的风致振动控制设计与实现提供重要的参考.

参考文献：

[1]帅群,邓洪洲,朱海维.输电塔线体系动力特性及其风振响应的分析[J].特种结构,2010(06):15-17.

[2]谢华平,何敏娟.输电塔塔线体系风振响应分析[J].振动与冲击,2011(07):45.

[3]李春祥李锦华于志强.输电塔线体系抗风设计理论与发展[J].振动与冲击,2009(10):15-25.

[4]谢华平,何敏娟.输电塔塔线体系风振响应分析[J].振动与冲击,2011(07):45.