±500kV直流輸電線路小根開鐵塔振型及周期分析研究

陳國棟

摘 要：針對±500kV直流小根開鐵塔ZA102Z進行建模計算及優化設計，采用SAP2000軟件建立了小根開鐵塔的三維數值模型，研究了其典型呼高的動力響應特征；比較了規范的近似計算周期和有限元計算的周期。

關鍵詞：小根開鐵塔；SAP2000；動力特征；周期

普通自立式鐵塔的高度與根開之比（H/B）為4～6，而城市供配電常用到的“窄基塔”其高度與根開之比（H/B）可達到10或更高；但對于±500kV直流輸電線路工程，采用“窄基塔”將難于滿足大荷載的要求，作者提出“小根開鐵塔”的概念，即在普通自立式鐵塔的基礎上縮小根開，使其高寬比H/B介于普通塔和“窄基塔”之間，既能滿足荷載要求，又能符合山區局部地形陡峭的立塔需要。可見，采用“小根開鐵塔”可有效解決如下問題：

（1）拓寬陡峭、狹窄地形的立塔范圍和條件，以避免改線而造成較大的費用變更。

（2）減小征地、土石開挖方量，達到環保設計。

文章采用SAP2000有限元程序建立小根開直線ZA102Z的數值模型，對高寬比H/B進行優化分析，分析了鐵塔的受力特征及動力響應特征，對比了規范方法的近似計算周期和有限元計算的精確周期。

1 有限元計算小根開鐵塔的振型及周期分析

經過SAP2000有限元軟件對塔型實例（ZA102Z）進行模態計算，鑒于輸電鐵塔頻譜較為稀疏，因此重點考慮前4階振型，如表1，得到前4階振型及周期如下：

表1 前4階周期計算比較表

桿塔的一階、二階及三階振型分別為X向的彎曲、Y向的彎曲及繞Z向的扭轉。X向一階與Y向一階的振型頻率非常接近，頻率相差2%，說明鐵塔的X向及Y向剛度非常接近，扭轉振型出現在X向與Y向一階振型之后，說明桿塔不易發生扭轉變形。整體來說，鐵塔的體系形式及布置是合理的，動力特性優良。

2 “規范法”和“數值模擬法”的鐵塔自振周期對比

根據《建筑結構荷載規范》附錄F結構基本自振周期的經驗公式以及按《輸電塔結構動力特性研究》（中國電機工程學會輸電結構四屆二次學術年會論文集）分別計算鐵塔的自振周期與SAP2000有限元軟件的計算結果對比分析。

2.1 依據《建筑結構荷載規范》的自振周期計算

《建筑結構荷載規范》F.1.1條一般高聳結構的基本自振周期，鋼結構可取下式計算的較大值，鋼筋混凝土結構可取下式計算的較小值：

T1=（0.007～0.013）H （1）

該公式的范圍太寬，而且它適用于具有連續變化外形和質量的塔式結構，而輸電塔結構并不符合這一特點，這是因為輸電塔結構在高度方向具有幾個較大質量和幾何尺寸的橫擔，使得結構的動力特性發生變化，故而該近似公式的誤差較大。鐵塔實例全高59.1米，計算得自振周期為0.7683秒。

2.2 按《輸電塔結構動力特性研究》的自振周期計算

根據我國電力部門所做的輸電塔實測研究，得到的輸電塔結構自振周期近似計算公式為：

T■=0.034H/■ （2）

式中：H為全塔高度：b為塔頭寬度：B為根開寬度。

由于輸電塔結構的形式多樣、高度不一，如干字塔，酒杯塔、貓頭塔等等，而不同類型、不同高度的輸電塔自振周期具有不同的特點，所以這一公式不能適用于所有類型的輸電塔結構，在進行輸電塔設計時需要更加精確的自振周期計算公式。

以電力系統輸電塔實測得到的結構自振周期近似公式為思路，以實際輸電鐵塔的空間模型計算為依據，對其自振周期近似公式進修正，修正后的計算公式為：

（1）干字塔：塔高50～70m時

T■=0.039H/■ （3）

塔高70～80m時

T■=0.038H/■ （4）

塔高80～100m時

T■=0.036H/■ （5）

（2）對酒杯型塔：

T■=0.036H/■ （6）

注：以上節選自《輸電塔結構動力特性研究》（中國電機工程學會輸電結構四屆二次學術年會論文集）

根據以上經驗公式，塔型實例（ZA102Z）直線塔塔高59.1m，介于50～70m之間，上口寬度2.0m，根開6.740m，由此算得T1為0.7709s。

2.3 依據有限元軟件SAP2000的自振周期計算

而通過SAP2000有限元程序的分析結果T1為0.8030s。分析原因，認為采用負保護角的±500直流桿塔與傳統的干字塔在結構形式上是有區別的，首先導線橫擔長度較傳統干字塔大了很多，因此塔頭質量增加很多，因此自振周期較經驗公式有所增加。

3 結束語

3.1 采用SAP2000有限元軟件研究ZA102Z的動力響應特征如下：（1）扭轉振型對酒杯型小根開鐵塔影響較大，設計時不可忽略；（2）低呼高酒杯型小根開鐵塔動力特征與高呼高略有不同，前者以第1階模態為一階扭轉，后者為一階彎曲。

3.2 SAP2000有限元軟件計算的周期較規范近似計算方法計算的周期略有增加，認為直流桿塔導線橫擔長度較傳統干字塔大了很多，因此塔頭質量增加很多，因此自振周期較經驗公式有所增加。

參考文獻

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