輸電塔自振特性分析

廈門城市職業學院工程技術學部 楊振仲

輸電塔自振特性分析

廈門城市職業學院工程技術學部 楊振仲

本文以王家灘漢江大跨越輸電塔為工程背景，對它的自振特性進行了研究，得到了一些對實際工程抗風設計計算具有參考意義的結論。

輸電塔 風荷載 自振特性 模態分析

一、引言

輸電塔作為電力輸送的支柱，約占線路總投資的40%，占有的比重很大[1]，它的安全性和可靠性日益受到關注。研究輸電塔的自振特性，確保風荷載作用下輸電塔的正常工作，已成為電力工程與土木工程界一個重要的研究課題，引起了國內外研究者的極大關注。

本文結合王家灘漢江大跨越輸電塔的實例，對其自振特性進行了分析研究，得到了一些對實際工程抗風設計計算具有參考意義的結論。

二、結構上的風荷載

輸電塔屬于高聳結構，高寬比大，結構抗彎剛度相對較小，在橫向荷載的作用下，容易產生較大的振動和變形。同時，輸電塔高度高、重量輕、剛度較小、外形細長等特點，決定了風荷載是輸電塔大多數情況下的控制荷載。

1. 風對結構的作用。

根據大量風的實測資料可以看出，在風的順風向時程曲線中包含兩種成分：一種是長周期部分，其值常在10分鐘以上；另一種是短周期部分，常只有幾秒左右[2]。根據這兩種成分，通常把風分為平均風和脈動風來加以分析,與此相對應，結構上的（順風向）風荷載分為平均風荷載和脈動風荷載。

大多數情況下，順風向風振響應占據主要地位。本文主要討論順風向風振。

2. 平均風荷載計算。

考慮結構體型、高度的變化和重現期對風壓的影響后，在不同的地貌條件下，結構的平均風壓可由下式進行計算：

上兩式中：μz——風壓高度變化系數；μs——風荷載體型系數；風荷載重現期調整系數——μr；w0——基本風壓；Az為建筑物迎風面投影面積。

三、輸電塔有限元模型與靜力計算

同一結構，計算模型不同，進行靜力計算、自振特性分析和風振響應計算，計算結果可能相差很大。本章根據輸電塔節點構造和桿件特點，選取了合適的單元類型，建立了輸電塔有限元模型，并以此模型，進行了平均風荷載作用下的靜力計算。

1. 輸電塔有限元模型。

（1）單元選取。

該輸電塔由中南電力設計院設計，全高122米，總重157.1857噸。水平截面為正四邊形，塔底邊長20.24米。該輸電塔系鋼管塔，主體結構由塔柱、斜桿、橫桿和橫膈構成，主要構件采用鋼管，其它材料有角鋼、槽鋼和鍍鋅鋼絞線等。

該塔塔柱采用無縫鋼管，管徑大，截面慣性矩大，抗彎剛度大，在節點處是連續的。在結構受力時，除了能承受軸力外，還能承受彎矩、剪力，具備梁的特點，選用梁單元BEAM188。

腹桿包括橫桿和斜桿，該輸電塔塔身采用再分式和“米”字形腹桿，塔頸采用“十”字交叉形腹桿。塔身立面的斜桿與塔柱、斜桿之間為相貫線焊縫連接，管徑大，截面慣性矩大，抗彎剛度大，能承受彎矩、剪力，選用梁單元BEAM188。橫桿與塔柱是插板單剪連接，剛度不大，采用桿單元LINK8。再分式腹桿和次橫膈桿件自身剛度和連接剛度都較小，也采用LINK8。

主橫膈和塔頭拉線采用鍍鋅鋼絞線，只能承受拉力，選用單拉桿單元LINK10，單元受壓時，單元松弛，剛度矩陣將自動移除。橫擔和地線支架外輪廓線處的桿件在節點處連續，轉角處為相貫線焊接，桿件選用BEAM188。對于建模時節點處打斷，會出現幾何可變的其它桿件，也采用BEAM188。而交叉角鋼桿件在兩桿交點處只用一個螺栓對穿連接，約束弱，所以建模時交點處不斷開，交叉桿件還是用桿單元LINK8。

只考慮塔的振動，不考慮導線、地線和輸電塔的耦合振動，導線、地線以集中質量的形式，分別加到與橫擔、地線支架相連的節點上。附屬設施（如爬梯、走道等）自重11440.8kg，占輸電塔總重的7.28%，不可忽略。附屬設施對結構剛度沒有影響，故在建模中只需考慮其質量，用等效質量單元MASS21模擬，附加到輸電塔相應位置上。

（2）輸電塔有限元模型的建立。

根據輸電塔施工圖實體建模，輸入各桿件材料、截面特性。

1）以右前塔腳為原點，根據各桿件尺寸，輸入各關鍵點坐標，建立輸電塔幾何模型。

2）將組合桿件簡化為單根桿件，并對桿件的截面做了適當歸并。選用恰當的單元類型，建立輸電塔有限元模型。

塔腳與基礎用地腳螺栓連接，做法可參見文獻[3]，塔腳視作固定鉸支座。

整個模型共有972個單元，318個節點（不包括Beam188中的方向節點），其中LINK8單元412個，LINK10單元8個，BEAM188單元476個，MASS21單元76個。

2. 平均風荷載作用下的靜力計算實例。

（1）基本風速與風向。

按規范計算可得，本工程基本風速＝26.85m/s，基本風壓取為0.45kN/m2。

根據規范，對于大跨越直線型輸電塔，應計算與線路方向成0°、45°（或60°）及90°的三種最大風速的風向。本文計算了與輸電線路方向成0°、45°和90°的三種最大風速的風向。

（2）靜力計算實例。

考慮不同風向角的三種荷載工況：1）自重標準值+平均風荷載標準值（0°風向角或-Y向）；2）自重標準值+平均風荷載標準值（45°風向角）；3）自重標準值+平均風荷載標準值（90°風向角或＋X向）。

將塔分為10段，如圖1.2所示。選取每段頂端節點作為風荷載作用點，迎風面積取節點上、下半段的桿件、節點板和輔助設施的迎風面積?？紤]風壓高度變化系數，計算每段在平均風作用下的風荷載，分別以集中力形式作用于每段頂端的節點上。對輸電塔施加平均風荷載和重力后，進行靜力分析。

（3）靜力計算結果。

用ANSYS軟件計算平均風荷載作用下各節點位移，見表1。

表 1 平均風荷載作用下各節點位移（mm）

從上表可見，平均風荷載作用下45°風向的位移最大。這是由于輸電塔在該風向迎風面大，總迎風面積大，風荷載體型系數也較大，作用在節點上的平均風荷載比其它兩個風向大，故該風向各節點位移最大。

四、輸電塔自振特性分析

分析和認識結構的自振特性是進行結構動力響應研究的基礎。輸電塔的自振特性主要有結構的自振周期、各階振型及其阻尼系數等，它們取決于結構組成形式、結構剛度、質量分布、材料性質等。

對輸電塔自振特性分析，有不少簡化計算模型。為了提高計算精度，本章采用靜力分析的整體模型，通過ANSYS的模態分析，求得輸電塔的固有頻率和振型，分析了輸電塔的自振特性。

1. 模態分析。

（1）模態分析定義。

模態分析用于確定結構的振動特性，即結構的固有頻率和振型，它們是承受動態荷載結構設計中的重要參數。同時，也可以作為其它動力學分析問題的起點。為了保證計算結果的精度，同時計算速度又不至于太慢，本文模態分析采用分塊蘭索斯法（BlockLanczos）。

（2）模態分析過程。

ANSYS的模態分析過程包括建模、加載及求解、擴展模態和觀察結果四個部分。其建模過程與靜力分析中的相同，但應該注意的是模態分析中只有線性行為是有效的。

2. 輸電塔自振特性算例。

輸電塔的頻率和振型計算前，應先進行靜力分析，把預應力加到結構上。自振特性分析時，可取此靜力終態的內力和幾何坐標作為初始態，即假定體系在靜力平衡位置做微幅振動。

采用與靜力分析相同的模型，對三個風向的平均風荷載作用下的輸電塔進行模態分析，提取前50階模態。根據各階模態的參與系數和有效質量的大小，確定結構的主振型，如圖1所示。圖中的前十階振型，模態參與系數大，有效質量也大，為主振型，參與計算的有效質量之和與總質量的比值，在橫向（X方向）達到92.9%，在縱向（Y方向）達到94.8%，而在扭轉方向（繞Z軸）達到92.5%。同時這十階主振型頻率為0.8Hz～7.5Hz，頻域較寬，能覆蓋結構的有效參與振動頻率范圍，計算結果可滿足工程上的精度要求。

圖1 前十階振型圖

五、結論

根據對輸電塔的模態分析的計算結果，進行對比分析，可以得到輸電塔結構自振特性的下列一些結論:

1. 三個風向輸電塔的主振型及其頻率幾乎一致，說明少數的預應力構件對結構的自振特性影響很小。

2. 本文模型出現了許多局部振型或者局部振動與整體振動相耦合的振型。這些局部振型主要是由連接弦桿兩側主腹桿的次腹桿出平面或由橫膈出平面振動引起的。由于這些次腹桿和橫膈桿件都僅起將各塔面約束成幾何不變體的作用，其截面都比較小，相應剛度也就比較小，所以很容易產生局部振動。

3. 在得到的主振型中，除了前面十階低頻振型外，較高頻率的振型中一般都耦合了局部振型。由于局部振型對主振型的激勵影響，同一主振型因耦合不同的局部振型，出現兩個甚至多個固有頻率。

[1] 曾憲凡.高壓架空線路設計基礎.北京:水利電力出版社，1995：1-105

[2] 張相庭.結構風壓和風振計算.上海：同濟大學出版社，1985

[3] 王肇民.高聳結構設計手冊.北京：中國建筑工業出版社，1995