某羊角型输电塔的风振响应分析

引言

随着我国经济不断发展,人们对电力的需求量日益增加,为满足人们的用电需求,电力企业兴建了大量输电线路。输电塔是电力系统的动脉,也是成功输送电能的基本保障。因此,如何保障电力输电系统安全、稳定的运行至关重要。输电塔形式种类繁多,主要分为羊角型、干字形、F型等。其中,羊角型输电塔因塔顶端为V字形,导线采用水平布置的方式,能有效降低塔结构施工的繁琐程度,建造输电塔时采用的钢材量较小而得到了广泛应用。

因输电塔外形细长、高度高,决定了输电塔身自振周期较长,而地面方向振动对塔身造成的响应相对于截面风振响应来说微不足道,在自然风力影响下,输电塔各部位产生的风振响应较大。为保障输电塔顶端不被风力破坏,及时预防强风导致输电塔故障,本文采用ANsYs软件模拟小风力与大风力两种状态,对羊角型输电塔的风振响应情况展开研究,详细分析了输电塔不同部位的加速度值,并将其与最大容许限值对比,判断羊角型输电塔在风力作用下是否处于危险状态,为保障输电塔的安全提供参考依据。

1输电塔风振响应与动力理论

输电塔结构所受来自风力的作用是风压而非风速,根据输电塔迎风面大小决定输电塔风荷载大小这一原理,得到输电塔风荷载大小计算方法如下:

式中,B表示输电塔风荷载:A表示输电塔结构体形系数:D和0分别表示结构迎风面积与风速。

结构振动随机理论是分析输电塔这种高耸结构顺风风向响应的基本理论,结构振动随机理论和结构动力学理论存在相似之处,密不可分。根据结构振动随机理论采用公式（2）描述多自由度结构阻尼振动表达式,即风荷载计算方法:

式中,c（1）表示风荷载:[H]、[C]、[K]分别表示阻尼矩阵、质量矩阵、刚度矩阵:a（1）、8（1）、s（1）分别表示质点的位移、速度和加速度。

在实例分析中,基于以上公式可计算输电塔测量点的位移与加速度值。

羊角型输电塔受风力作用下,可采用振型向量描述输电塔结构位移向量,如公式（3）所示:

其中,输电塔结构的无阻尼振型矩阵与振型幅值广义变化坐标分别用7={71,72,…,7n]、R={r1,r2,…,rn]表示。公式（3）表明,风力作用于输电塔的不同时刻,R值存在差异。因此,不同时间点上同一风力振型对输电塔总体结构产生的干扰不同,在实例分析中基于该原理分析不同时刻输电塔对同一风力振型的风振响应。

2输电塔实例分析

在上述理论支持下,本文以贵州省某地区的羊角型输电塔为例,分析其风振响应状态,为预防同类型输电塔在较大风力作用下,使输电线路受损或出现故障提供参考依据。本文所研究的羊角型输电塔建造于Ⅱ类场地,是高48m、钢结构的角钢型塔。高耸结构存在高柔特性,感知风力的能力较强。羊角型输电塔基本风压假定为0.38kN/m2,抗震防烈度设置为8级,两种参数均基于当地百年之内的最大风等级确定。该地区羊角型输电塔的加速度最大容许限值绝对值为0.674m/s2,据此判断输电塔是否面临故障威胁,当输电塔监测点加速度绝对值接近或者超过最大容许限值绝对值时,则输电塔面临危险:反之,输电塔则处于安全状态。实例分析中的羊角型输电塔的有限元模型如图1所示。

在ANsYs软件中求取输电塔5阶模态的自振周期,如表1所示。

表1输电塔5阶模态的自振周期

首先,利用ANsYs软件对羊角型输电塔施加小风力（风力4级）风荷载作用,由于大部分情况下,输电塔的加速度与位移上限出现在顶端A点位置,所以计算输电塔A点的位移与加速度。

表2描述了输电塔顶端位移变化情况,由表2可知,在小风力作用下,输电塔顶端位移区间为[0.015m,0.278m],所以输电塔顶端位移最大值为0.278m。

图2为输电塔顶端加速度-时间曲线,该图显示羊角型输电塔顶端加速度最大绝对值为0.419m/s2,而羊角型输电塔的加速度最大容许限值的绝对值为0.674m/s2,在小风力作用下,羊角型输电塔加速度值低于其最大容许限值,不会造成输电塔故障。

其次,利用ANsYs软件对羊角型输电塔施加大风力（风力10级）风荷载作用,测得输电塔A、B两点的加速度如表3所示。

表3显示,在大风力作用下,羊角型输电塔顶端A点水平方向的加速度最大绝对值可达0.61m/s2,B点垂直方向加速度最大绝对值可达0.63m/s2,因此B点垂直方向加速度较A点水平方向的加速度绝对值大:由于羊角型输电塔的加速度最大容许限值绝对值为0.674m/s2,在大风力作用下,虽然羊角型输电塔A点与B点的加速度上限均低于最大容许限值绝对值,但是与最大容许限绝对值差距较小,该输电塔正处于濒临破坏的边缘。因此,输电塔在大风力作用下,电力系统巡检人员应做好故障预防工作,保障输电塔安全、稳定运行。

3结语

本文采用ANSYS软件建立羊角型输电塔的有限元模型,对输电塔施加小风力与大风力,得到以下实验结果,在小风力作用下:输电塔顶端位移最大值为0.278m,顶端加速度最大绝对值为0.419m/s2,远低于最大容许限值绝对值0.674m/s2,输电塔不会面临毁坏风险:在大风力作用下:羊角型输电塔顶端A点水平方向的加速度最大绝对值可达0.61m/s2,B点垂直方向加速度最大绝对值可达0.63m/s2,接近于最大容许限值绝对值0.674m/s2,输电塔顶端处于濒临损坏的边缘。

由上述分析结果可知,在10级大风作用下,羊角型输电塔的顶端处于濒临破坏的状态,在实际应用中,输电塔监测与巡检人员可根据风力大小判断羊角型输电塔输电的稳定性,当风力达到10级时,相关人员需做好输电塔故障预防准备工作。