輸電鐵塔強震抗災能力分析

陳大斌，李東亮，朱瑞民，田雷

（國網北京經濟技術研究院，北京市 100052）

0 引 言

相對于鋼筋混凝土建（構）筑物而言，輸電鐵塔屬于輕型、高柔結構，具有較好的抗震性能，在歷次地震中輸電鐵塔震害相對較輕［1－2］。近年來，由于土地資源日益緊張，電網建設外部環境日益惡化，輸電線路路徑難免要經過一些對地震作用有放大效應的地段。地處抗震不利地段的鐵塔，在強震作用下的抗震能力較普通地段差，是工程抗震設計的薄弱環節。同時，隨著西藏、新疆等西部地區與內地聯網工程的建設，輸電線路不可避免會經過一些高烈度地震地區。為實現“小震不壞、中震可修、強震不倒”的抗震設防目標［3］，對輸電鐵塔進行強震作用下抗災能力分析，并提出相應抗震措施對提高電網抗災能力具有重要意義。本文以1基典型500kV輸電鐵塔為研究對象，以我國2008年汶川地震記錄和美國1940年California EL Centro地震記錄作為地震輸入，采用時程分析法，分析其強震作用效應與非地震作用效應的差異，評價典型輸電塔的強震抗災能力。

1 分析模型

1.1 模型簡化

本文在計算桿塔的動力特性時暫不計入導線和地線的質量［4］，主要基于以下考慮：（1）導線通過周期較鐵塔長得多的絕緣子串與鐵塔相連，掛有導線的鐵塔動力響應比單獨鐵塔小；（2）導、地線的支撐作用增加了鐵塔的剛度，會使周期減小，導、地線的質量又會使鐵塔周期變長，總體上導、地線使鐵塔的第1周期減小，對2階以上的周期影響不大。

1.2 單元選擇

鐵塔是由許多構件組成的立體空間結構，本文進行的有限元分析中將每個構件視為1個梁單元（BEAM4）［5－6］，鐵塔原形選擇500kV雙回路鐵塔SZ4進行分析。

1.3 模型的自振頻率

SZ4塔的自振頻率計算結果如表1所示。

表1 SZ4塔自振頻率Tab.1 Natural frequency of SZ4tower

2 鐵塔抗震分析

2.1 分析方法

結構抗震動力分析一般采用反應譜分析法和時程分析法［7－8］。盡管反應譜法在抗震設計計算中得到廣泛應用，但在分析多質點體系時，反應譜僅能給出結構各振型反應的最大值，而丟失了與最大值和振型組合有關的重要信息，難以正確進行各振型最大值的組合。時程分析法，也稱直接動力法，可直接獲得地震過程中結構節點各時刻的位移、速度和加速度，從而計算各時刻構件的地震內力。本文采用時程分析法進行鐵塔的強震抗震能力分析。

2.2 地震波的選取

2008年“5.12”汶川大地震是國內近年來較為典型的高烈度地震，本文收集了汶川大地震中綿竹市清平、什邡八角等地的地震數據，選取較為典型的綿竹清平地震記錄作為地震輸入。該地震加速度時程的最大值相當于罕遇地震9度以上，低于10度。地震記錄時長為160 s，時間間隔為0.005 s，NS向峰值為824.128 cm／s2、EW 向為802.713 cm／s2、UD 向為622.911 cm／s2，出現時間分別為46.86、48.52、47.24 s，EW、NS、UD方向加速度峰值比例為1∶0.97∶0.76。圖1為EW、NS、UD方向的波形圖。同時選用美國1940年California EL Centro地震記錄作為對照計算，該記錄是1個典型的Ⅰ、Ⅱ類場地地震記錄，中長周期頻譜豐富。

圖1 汶川地震綿竹清平地震加速度圖Fig.1 Seismic acceleration of the Wenchuan Earthquake in Qingping County of Mianzhu City

2.3 時間步長的選擇

時程分析法的精度與時間步長的取值有關，一般，時間步長等于或小于結構自振周期的1／10，就可得到滿意的結果。文獻［8］指出時域中數值計算的精度不僅取決于方法的穩定性，還與時間步長有關。為保證計算的精度，避免出現發散現象，時間步長Δt應滿足：Δt≤Tp／20（T為過程中出現的最大頻率；p為對應的周期）。本次采用的地震記錄時長為0.005s，足以滿足計算精度的要求。根據豎向地震作用對結構影響的分析結果，本課題均需考慮豎向地震作用的影響，一般來講豎向地震作用表現為高頻振動，周期較短，在采取時程分析時，也有必要縮小步長，以防止計算結果分散，減少誤差。

2.4 時長的選擇

GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》指出：輸入的地震加速度時程曲線的持續時間，不論實際的強震記錄還是人工模擬波形，一般為結構基本周期的510倍［3］。根據鐵塔動力特性分析，本結構的基本周期為0.76s，若按照上述規定，則分析時長達到7.6s即可滿足要求。但從實際計算結果來看，7.6s不滿足鐵塔計算精度要求。為了便于比較，分別計算了160、3656、4656、3650s這4個時長的峰值，從計算結果看出3656s的峰值和160s的峰值極為接近。本次分析選取3656s的時長進行分析。

3 鐵塔地震響應分析結果

地震作用下鐵塔各構件的反應如表2所示。

由表2可知，SZ4塔在地震作用下的結構內力反應存在如下規律：

（1）主材內力自上而下逐漸加大。桿件210—220、690—800、800—860、6000—6100的內力（以壓力說明）分別為－486.993、－1563.092、－1760.226、－2402.644kN，與非地震荷載作用下的內力分布趨勢一致。

（2）橫擔主材受力自上而下逐漸減小。桿件170—210、250—260、520—530最大拉力分別為203.319、102.299、37.726kN；桿件180—220、420—430、680—690最大壓力分別為－226.428、－132.755、－44.974kN。這顯示了地震作用下，上部懸臂結構的放大作用非常明顯，與非地震荷載作用有明顯區別。

（3）在多遇地震下，即使9度以上地震，鐵塔的地震效應也沒有超出非地震荷載效應。

（4）在罕遇地震下，8度地震作用時，主要構件的鐵塔地震效應與非地震荷載控制工況的效應相當。

（5）塔腿斜材內力與靜力荷載分析結果對比，增加較多。

表2 SZ4鐵塔主要構件內力Tab.2 Internal forces of main members of SZ4tower

4 豎向地震作用對結構的影響

由于輸電鐵塔橫擔屬于較長的懸臂結構，計算了SZ4塔分別在有、無豎向地震作用參與時鐵塔構件的內力反應（見表3），從表3可看出，豎向地震作用對塔身主材內力影響較小，最小值為2.22%，最大值約為17.41%；對橫擔內力影響較大，最小值為41.08%，最大值達215.87%。因此，對于橫擔較長的鐵塔，進行抗震驗算時應考慮豎向地震作用的影響。

表3 豎向地震作用影響分析Tab.3 Impact of vertical earthquake action

5 結 語

基于現階段我國社會經濟發展水平和輸電桿塔的承載力水平，我國輸電桿塔抗震設計以滿足第2水準烈度——基本地震烈度基本要求，未提出強震烈度（第3水準烈度）設計要求。本文分析表明，典型桿塔在基本設防烈度下的地震作用效應一般低于非地震作用的荷載效應，具有較好的抗震能力，但在強震情況下，尤其是8度及以上設防烈度地區，罕遇地震作用超出了桿塔的承載能力，不一定滿足“強震不倒”。因此，建議對于大跨越等抗災能力要求很高的輸電線路桿塔，應提出更高的抗震設防目標，考慮罕遇地震作用下承載能力驗算。同時，對于橫擔懸臂較長（20 m以上）的桿塔，抗震驗算時應考慮豎向地震作用的影響。

［1］尹榮華，李東亮，劉戈林，等.高壓輸電塔震害及抗震研究［J］.世界地震工程，2005，21（1）：51－54.

［2］張子引，趙彪，曹煒偉.四川汶川8.0級地震電網受災情況調研與初步分析［J］.電力技術經濟，2008，20（4）：1－4.

［3］GB50011—2010建筑抗震設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［4］GB50260—1996電力設施抗震設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，1996.

［5］徐鶴山.ANSYS在建筑工程中的應用［M］.北京：機械工業出版社，2005：206－216.

［6］傅鵬程，鄧洪洲，吳靜.輸電塔結構動力特性研究［J］.特種結構，2005，22（1）：47－49.

［7］陳大斌，李東亮，張軍，等.輸電桿塔結構抗震設計［J］.電力建設，2012，32（5）：58－60.

［8］裴星洙，張立，任正權.高層建筑結構地震響應的時程分析方法［M］.北京：中國水利水電出版社，2006：111－139.

［9］GB50545—2010110750 kV架空輸電線路設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2010.