高烈度震區輸電塔的地震響應研究

拾 峰，周安清

(江蘇省宏源電力建設監理有限公司，江蘇 南京 210036)

0 引言

我國大部分輸電線路都要穿過高烈度地震區，地震會導致輸電塔破壞，產生極其嚴重的后果。據統計，2008年汶川地震造成110 kV線路倒塌20多基，500 kV線路8基和220 kV線路2基鐵塔損毀。理論研究與震害經驗表明：地震時，地面運動是復雜的空間振動，實際地震不僅有水平振動分量，還有豎向振動分量。豎向振動不僅會造成豎向結構破壞，還會使水平方向的大跨和懸臂結構產生破壞。因此，研究高烈度震區輸電塔結構在地震作用下的時程響應，具有很大意義。

1 理論分析模型

輸電塔在地震作用下，在水平與豎向地震同時輸入，結構豎向運動獨立時，其運動方程為：

式中：[M]為輸電塔的質量矩陣；[C]V為輸電塔豎向振動的阻尼矩陣；[K]V為輸電塔的剛度矩陣；｛Y｝為輸電塔結構節點相對地面的位移向量；為地面運動加速度；｛I｝為地震作用向量。

輸電塔在地震作用下，水平與豎向地震同時輸入，結構水平運動與豎向運動耦聯，其運動方程為：

式中：[M]為輸電塔的質量矩陣；[C]H為結構水平振動阻尼矩陣；[K]H為輸電塔的水平剛度矩陣；[KG]為幾何剛度矩陣，其中軸向力包含豎向地震的影響；｛X｝為輸電塔結構節點相對地面的位移向量。

2 數值模擬分析

某高壓線路位于二類場地，抗震設防烈度9度，電壓等級500 kV，輸電塔2C-ZB22酒杯型，呼高36 m，根開6 m，桿材Q345，輔助桿材為Q235，導線LGJ-300/40，地線JLB40-150，檔距500 m。采用ANSYS軟件建立輸電線路有限元模型，輸電線體系中，鐵塔桿材和主斜材采用BEAM 188梁單元模擬，輔助桿材采用LINK 180桿單元模擬，絕緣子采用BEAM 188梁單元模擬，導(地)線采用LINK 10桿(索)單元來模擬，導(地)線兩端鉸接。

根據《電力設施抗震設計規范》(GB50260—2013)規定：驗算電力設施抗震性能時，應至少在2個水平軸方向分別計算水平地震作用；抗震設防烈度為8度或9度時，大跨度設施和長懸臂結構應驗算豎向地震作用。當采用動力時程分析法進行抗震設計時，時程響應的總持續時間不應小于30 s，其中強震動部分不應小于6 s；當進行豎向地震作用的時程分析時，地面運動最大豎向加速度α,可取最大水平加速度的65 %。

本模型采用EI Centro.site，270 Deg地震波(如圖1)，加速度峰值取1.4 m/s2，計算時距為0.02 s。本輸電塔線體系抗震設防烈度為9度，且屬于長懸臂結構，在進行抗震分析時，利用ANSYS軟件對輸電塔進行不同方向地震作用下有限元力學模擬，分別進行X向(橫線方向)，Y向(縱線方向)及Z向(豎直方向)的時程響應分析。為了便于對比研究分析，分別用工況1(X向)、工況2(Y向)及工況3(Z向)來表示。

圖1 EL Centro地震波

3 計算結果分析

3.1 基底反力分析

利用ANSYS建立有限元模型，分別對輸電塔進行不同方向地震作用下的有限元力學模擬分析，其基底反力峰值絕對值如表1所示，工況1基底X向反力時程曲線、工況2基底Y向反力時程曲線及工況3基底Z向反力時程曲線如圖2所示。

表1 不同工況下的基底反力峰值絕對值 N

由表1數據可知：

(1) 在工況1的條件下(地震波X向激勵)，基底X向反力最大，Z向反力次之，Y向反力最小；

(2) 在工況2的條件下(地震波Y向激勵時)，基底Y向反力最大，Z向反力次之，X向反力最小，其輸電塔Z向反力增大為工況1時的1.194倍；在水平向地震作用下，Y向激勵時，輸電塔基底反力響應更為顯著；

(3) 在工況3的條件下(地震波Z向激勵時)，基底Z向反力最大，X向反力與Y向反力接近，在豎向地震作用下，輸電塔豎向反力也不容忽視。

圖2 基底反力時程響應

3.2 構件軸應力分析

高聳塔架結構的構件效應主要由軸應力產生。為研究地震作用下輸電塔桿件軸應力分布規律，現取輸電塔塔腳桿材A、塔腿桿材B、塔身中部桿材C、下曲臂桿材D、上曲臂桿材E、橫擔桿材F、支架桿材G等重要部位典型桿件進行地震工況下的構件軸應力分析。

典型桿件位置如圖3所示。

利用ANSYS軟件對輸電塔進行不同方向地震作用下的有限元力學模擬分析，其典型部位桿材軸應力曲線見圖4～6，應力峰值絕對值如表2所示。

圖3 輸電塔桿材編號

工況1下的C，D，F軸應力曲線如圖4所示。

圖4 工況1下的桿材軸應力曲線

工況2下的C，D，F軸應力曲線如圖5所示。

圖5 工況2下的桿材軸應力曲線

工況3下的C，D，F軸應力曲線如圖6所示。

由圖4～6可知：在地震作用下，桿材軸應力劇烈變化，動力效應非常明顯；地震持續30 s后，由于地震加速度衰減，其軸應力響應也隨之衰減，動力效應主要集中在前30 s。

由表2可知：

(1) 在工況1下(地震波X向激勵時)，塔腿桿材B，C軸應力峰值絕對值最大，超過15 MPa；支架桿材G軸應力峰值絕對值最小，為0.023 MPa；輸電塔塔身桿材軸應力峰值絕對值要大于曲臂、橫擔處桿材軸應力峰值絕對值，橫擔處屬于懸臂構件，其軸應力峰值絕對值為5.984 MPa，也不容忽視；

圖6 工況3下的桿材軸應力曲線

表2 桿材軸應力峰值絕對值 MPa

(2) 在工況2下(地震波Y向激勵時)，塔腿桿材B軸應力峰值絕對值最大，為17.179 MPa；支架桿材G軸應力峰值絕對值最小，為0.352 MPa；桿材軸應力峰值絕對值變化規律和工況1一致。地震波Y向激勵時，各部位桿材軸應力峰值絕對值都要大于地震波X向激勵桿材軸應力響應；

(3) 在工況3的條件下(地震波Z向激勵時)，橫擔桿材F軸應力峰值絕對值最大，為1.514 MPa；支架桿材G軸應力峰值絕對值最小，為0.019 MPa。地震豎向作用時，對于懸臂構件非常不利。

4 結論

本文通過ANSYS軟件建立輸電塔有限元模型，分別對輸電塔進行水平向和豎向地震進行時程響應分析，得到如下結論：

(1) 地震波X向激勵時，X向基底反力最大；地震波Y向激勵時，Y向基底反力最大；地震波Z向激勵時，Z向基底反力最大；

(2) 在水平向地震作用下，輸電塔基底反力要明顯大于豎向地震作用；但在豎向地震作用下，輸電塔豎向反力也不容忽視；

(3) 在水平向地震作用下，塔腿桿材B，C軸應力峰值絕對值最大，在輸電塔設計和施工時，此部位桿材應注意加強；

(4) 在豎向地震作用下，輸電塔橫擔桿材F軸應力峰值絕對值最大，豎向地震作用對懸臂構件非常不利；

(5) 在高烈度區進行高壓輸電塔設計時，由于豎向地震作用不容忽視，應當適當加強懸臂構件。

1 李宏男，王前信．大跨越輸電塔體系的動力特性[J]．土木工程學報，1997，30(5)：28-36.