采空區(qū)基礎(chǔ)變形過程中輸電鐵塔結(jié)構(gòu)動力沖擊效應(yīng)分析

楊風(fēng)利

(中國電力科學(xué)研究院，北京 100055)

由于地域特點(diǎn)和走廊條件的限制，輸電線路往往要經(jīng)過煤礦采空區(qū)地段，我國已有1 000 kV特高壓、500 kV及以下電壓等級的多條輸電線路經(jīng)過煤礦采空區(qū)。受煤礦采空區(qū)地表沉陷的影響，輸電鐵塔基礎(chǔ)將發(fā)生沉降、傾斜、不均勻沉降、水平滑移等變形，進(jìn)而使鐵塔的根開和塔腿高差發(fā)生變化，塔體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，造成塔體局部破壞或整體發(fā)生倒塌，直接威脅鐵塔安全及輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行[1-4]。

我國DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[5]和DL/T 741—2010《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》[6]中對不同塔高的地基沉降變形限值做出了規(guī)定，而對基礎(chǔ)不均勻沉降和發(fā)生水平滑移等情況的限值還沒有明確規(guī)定。目前，對采空區(qū)基礎(chǔ)變形輸電鐵塔的研究大都集中在變形后輸電鐵塔承載力評估或加固技術(shù)上面。楊風(fēng)利等[7]通過建立1 000 kV特高壓輸電鐵塔有限元模型，對采空區(qū)鐵塔在基礎(chǔ)發(fā)生沉降、傾斜或滑移后，與正常設(shè)計(jì)工況進(jìn)行組合時桿件的內(nèi)力及其變化趨勢進(jìn)行了計(jì)算分析，確定了不同工況下的基礎(chǔ)變形限值。Yang等[8]依據(jù)沈陽500 kV沈沙1、2號線同塔雙回線路53號塔扶正后基礎(chǔ)不均勻沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了53號塔在大風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)承載力，并對鐵塔的承載性能進(jìn)行了評估。孫冬明[9]通過建立塔線體系三維有限元模型，針對工作面推進(jìn)方向與線路方向的三種關(guān)系，對塔線體系進(jìn)行了安全評價，同時給出了相應(yīng)的評價指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上提出了已建線路工作面布置原則及糾偏加固改造技術(shù)。

近年來，螺栓連接對基礎(chǔ)變形時輸電鐵塔承載力的影響成為研究熱點(diǎn)。高康等[10]利用有限元軟件ANSYS探討了螺栓連接滑移非均勻沉降輸電鐵塔的承載能力影響，發(fā)現(xiàn)不考慮滑移的模型塔承載能力隨塔腳沉降量的增加而大幅下降，而考慮滑移模型塔的承載能力下降相對較緩慢。舒前進(jìn)等[11]認(rèn)為不考慮節(jié)點(diǎn)滑移影響時，計(jì)算得到的采空區(qū)輸電鐵塔基礎(chǔ)位移限值過于保守。Ahmed等[12]通過進(jìn)行某一塔腿發(fā)生100 mm沉降時的鐵塔結(jié)構(gòu)受力分析，發(fā)現(xiàn)不考慮連接滑移時桿件內(nèi)力會超過極限承載力；考慮螺栓連接滑移后，桿件內(nèi)力雖比基礎(chǔ)沉降前最大增加27%，但均不會發(fā)生破壞。

采空區(qū)地表沉降有突然沉降和緩慢沉降兩種形式。對于輸電線路經(jīng)過采厚比(煤礦開采深度H與開采厚度M的比值)小于40的淺層采空區(qū)或采空區(qū)引起地表塌陷在初期變化較為強(qiáng)烈的情況，突然大幅沉降會造成輸電鐵塔基礎(chǔ)在較短時間內(nèi)發(fā)生劇烈變形，對輸電鐵塔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動力沖擊效應(yīng)；對于緩慢沉降情況，沖擊效應(yīng)不明顯，基礎(chǔ)變形可以采用擬靜力荷載步的方式在輸電鐵塔塔腳上施加。

綜上所述，國內(nèi)外已開展了采空區(qū)基礎(chǔ)變形鐵塔承載力分析的相關(guān)研究，這些研究為進(jìn)行煤礦采空區(qū)鐵塔基礎(chǔ)沉降災(zāi)害防治技術(shù)研究打下了良好的基礎(chǔ)，但研究中均未考慮采空區(qū)地表變形沖擊效應(yīng)對鐵塔結(jié)構(gòu)承載性能的影響，需要結(jié)合基于風(fēng)環(huán)境激勵實(shí)測的鐵塔阻尼比識別結(jié)果，分析鐵塔受力狀態(tài)并建立相應(yīng)的健康狀態(tài)評估方法。本文以山西省某220 kV貓頭塔為例，通過建立基礎(chǔ)變形輸電鐵塔有限元模型，分析設(shè)計(jì)風(fēng)荷載作用下，鐵塔基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降、傾斜和水平滑移時，基礎(chǔ)突然變形對輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的動力沖擊效應(yīng)，為采空影響區(qū)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考和依據(jù)。

1 基礎(chǔ)變形鐵塔分析模型

1.1 設(shè)計(jì)條件及有限元模型

分析對象為山西省采空區(qū)某220 kV貓頭塔，該塔呼高30 m，10 m高、10 min設(shè)計(jì)風(fēng)速為27 m/s(基本風(fēng)壓為0.46 kN/m2)，分析時考慮基礎(chǔ)變形與90°大風(fēng)和60°大風(fēng)組合。該塔全部由角鋼組成，塔重約為7.6 t。采用梁桿混合單元建立220 kV貓頭塔有限元模型(如圖1(a)所示)，主材采用BEAM4單元模擬，斜材采用LINK8單元模擬。受基礎(chǔ)變形影響較為明顯的輸電鐵塔典型桿件編號如圖1(b)所示，編號為①～④的桿件規(guī)格依次為∟100×8、∟100×8、∟63×5和∟63×5。假定鐵塔結(jié)構(gòu)在外荷載(大風(fēng)、基礎(chǔ)變形等)作用下，桿件只發(fā)生彈性變形。當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生傾斜變形時，由于鐵塔整體位移較大，產(chǎn)生附加力矩，此時應(yīng)當(dāng)在程序中打開大變形選項(xiàng)，考慮結(jié)構(gòu)大變形(幾何非線性)的影響。采空區(qū)輸電鐵塔承載力分析采用有限元計(jì)算與規(guī)程結(jié)合的方法，參照DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[13]的相關(guān)要求，對有限元計(jì)算得到的鐵塔桿件受力狀態(tài)進(jìn)行評價。

(a)三維模型(b)典型桿件編號

圖1 鐵塔有限元模型

Fig.1 FEA model of the transmission tower

1.2 基礎(chǔ)變形模擬方法

通過對輸電鐵塔塔腳處的合理約束，模擬基礎(chǔ)發(fā)生沉降、傾斜和水平滑移等情況。對于采用插入式基礎(chǔ)的貓頭塔，基礎(chǔ)未變形時塔腳的約束型式為固接。三類典型工況下塔腳的約束條件，如表1所示。表中UZ和UX為鐵塔垂直方向和橫線路方向平動自由度，ROTY為繞鐵塔順線路方向的轉(zhuǎn)動自由度。其中，基礎(chǔ)不均勻沉降指3個塔腳不發(fā)生變形、1個塔腳發(fā)生豎向位移；基礎(chǔ)沿橫線路和順線路發(fā)生變傾斜，鐵塔一側(cè)塔腳固定，另外一側(cè)沉降或傾斜。

表1 塔腳約束條件

1.3 阻尼比及動力沖擊仿真方法

220 kV貓頭塔前2階振型如圖2所示，前2階自振頻率分別為f1=2.638 5 Hz、f2=2.640 0 Hz。瞬態(tài)動力分析時鐵塔結(jié)構(gòu)阻尼比按照Rayleigh阻尼的形式施加。采用通用有限元軟件ANSYS的瞬態(tài)分析模塊，第1荷載步施加大風(fēng)工況下包含自重的結(jié)構(gòu)荷載，通過TIMINT/OFF命令關(guān)閉動力影響；第2荷載步施加基礎(chǔ)不均勻沉降、傾斜或水平滑移荷載，通過TIMINT/ON命令打開動力影響，分析基礎(chǔ)突然變形對鐵塔結(jié)構(gòu)的動力沖擊效應(yīng)。

(a)一階(b)二階

圖2 前2階振型

Fig.2 The first two order vibration shapes

2 靜力計(jì)算及結(jié)果分析

通過進(jìn)行基礎(chǔ)不均勻沉降、傾斜和水平滑移與90°大風(fēng)和60°大風(fēng)組合工況下的靜力分析，計(jì)算得到圖1(b)所示典型桿件的軸力和應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見表2，表中應(yīng)力比為桿件實(shí)際計(jì)算應(yīng)力與設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比值。桿件①、②的鋼材強(qiáng)度級別為Q345，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為300 MPa；桿件③、④的鋼材強(qiáng)度級別為Q235，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為215 MPa。基礎(chǔ)不均勻沉降與90°大風(fēng)組合工況下，鐵塔桿件軸力及整體位移云圖見圖3。

輸電鐵塔單腿發(fā)生沉降時，塔腿斜材應(yīng)力變化幅度最大，沉降過程中最先發(fā)生破壞。塔腿斜材應(yīng)力變化曲線如圖4所示，90°大風(fēng)和60°大風(fēng)作用下塔腿斜材發(fā)生破壞的沉降量臨界值分別為1.6 mm和2.4 mm。

輸電鐵塔單腿發(fā)生水平滑移時，同樣是塔腿斜材應(yīng)力變化幅度最大，滑移過程中最先發(fā)生破壞。塔腿斜材應(yīng)力變化曲線如圖5所示，90°大風(fēng)和60°大風(fēng)作用下塔腿斜材發(fā)生破壞的水平滑移量臨界值分別為6.4 mm和9.6 mm。

3 動力計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 阻尼比影響

目前我國規(guī)范計(jì)算輸電線路大風(fēng)、覆冰等工況下的設(shè)計(jì)荷載時，鐵塔結(jié)構(gòu)阻尼比一般按照鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范取0.01，大都未考慮塔線耦合對阻尼比的影響。美國ASCE《輸電線路荷載導(dǎo)則》[14]規(guī)定格構(gòu)式鐵塔阻尼比取0.04。基于風(fēng)環(huán)境激勵的輸電鐵塔阻尼識別實(shí)測結(jié)果表明，考慮塔線耦合影響的輸電鐵塔結(jié)構(gòu)阻尼比一般在0.015～0.045之間。本次分析中以基礎(chǔ)沉降與60°大風(fēng)組合工況為例，考慮阻尼比取0.01、0.02、0.03、0.05四種情況，分別計(jì)算輸電鐵塔典型桿件的軸力時程曲線(如圖6所示)，阻尼比取不同值時的桿件軸力、應(yīng)力及應(yīng)力比峰值見表3。可以看出，軸力峰值一般發(fā)生在沉降的初始時刻附近，阻尼比對峰值影響不大；阻尼比主要影響峰值的衰減速度，阻尼比越大，峰值衰減越快。阻尼比分別為0.01和0.05時，塔腿主材軸力峰值僅相差約3.5%。

表2 桿件軸力及應(yīng)力的靜力分析值

(a)軸力(N)

(b)位移(m)

(a)90°大風(fēng)

(b)60°大風(fēng)

(a)90°大風(fēng)

(b)60°大風(fēng)

阻尼比桿件編號軸力/kN壓應(yīng)力/MPa應(yīng)力比0.010.020.030.05①塔腿主材-461.5-402.61.30②塔身主材-433.1-377.91.22③塔腿斜材-91.7-560.52.60④塔身斜材-39.9-285.41.33①塔腿主材-455.3-397.21.28②塔身主材-427.9-373.31.21③塔腿斜材-91.4-558.72.59④塔身斜材-39.8-284.71.33①塔腿主材-450.8-393.31.27②塔身主材-424.1-370.01.20③塔腿斜材-91.1-556.92.58④塔身斜材-39.7-284.01.33①塔腿主材-446.1-389.21.25②塔身主材-419.1-365.61.18③塔腿斜材-90.5-553.22.56④塔身斜材-39.6-283.21.32

(a)塔腿主材軸力

(b)塔身主材軸力

(c)塔腿斜材軸力

(d)塔身斜材軸力

3.2 沖擊效應(yīng)分析

進(jìn)行基礎(chǔ)沉降與90°大風(fēng)和60°大風(fēng)組合工況下的動力分析，偏于安全考慮阻尼比取0.01，鐵塔典型桿件軸力、應(yīng)力及應(yīng)力比峰值計(jì)算結(jié)果分別見表4。定義考慮動態(tài)沖擊效應(yīng)后的桿件軸力與靜力計(jì)算得到的桿件軸力之比為“動力沖擊系數(shù)”，以此來反映地表變形沖擊效應(yīng)對輸電鐵塔受力的影響。由表4和表3可得到90°大風(fēng)、60°大風(fēng)與三類基礎(chǔ)變形組合工況的桿件軸力動力沖擊系數(shù)，桿件軸力動力沖擊系數(shù)計(jì)算值見表5。

表4 考慮動力沖擊效應(yīng)的桿件軸力及應(yīng)力

由表5可以看出，基礎(chǔ)沉降、基礎(chǔ)傾斜和基礎(chǔ)水平滑移工況主材軸力的沖擊效應(yīng)均小于斜材。基礎(chǔ)沉降工況考慮沖擊效應(yīng)后主材軸力增大約10%；斜材軸力增加約40%～50%，其中塔腿斜材受地表變形沖擊的影響最大，60°大風(fēng)工況下軸力增大52%。基礎(chǔ)傾斜工況考慮沖擊效應(yīng)后主材軸力增大約33%～48%；斜材軸力增加約33%～143%，其中塔腿斜材受地表變形沖擊的影響最大，60°大風(fēng)工況下軸力增大143%。基礎(chǔ)水平滑移工況考慮沖擊效應(yīng)后主材軸力增大約10%；斜材軸力增加約60%～110%，其中塔腿斜材受地表變形沖擊的影響最大，60°大風(fēng)工況下軸力增大110%。

表5 動力沖擊系數(shù)

4 結(jié) 論

本文以山西省采空區(qū)某220 kV貓頭塔為例，通過建立模擬基礎(chǔ)變形輸電鐵塔有限元模型，分別采用靜力和動力方法分析了基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降、傾斜和水平滑移時的鐵塔桿件內(nèi)力，計(jì)算了基礎(chǔ)突然變形時輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的動力沖擊系數(shù)。主要得到如下結(jié)論：

(1)基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降、傾斜和水平滑移時，輸電鐵塔塔腿斜材應(yīng)力變化幅度最大，基礎(chǔ)變形過程中最先發(fā)生破壞。

(2)鐵塔桿件軸力峰值一般發(fā)生在基礎(chǔ)沉降的初始時刻附近，阻尼比對峰值影響不大；阻尼比主要影響峰值的衰減速度，阻尼比越大，峰值衰減越快。阻尼比分別為0.01和0.05時，塔腿主材軸力峰值僅相差約3.5%。

(3)考慮基礎(chǔ)變形動力沖擊效應(yīng)時，不均勻沉降工況下塔腿斜材應(yīng)力比增大50%以上，單側(cè)傾斜和水平滑移工況的塔腿斜材應(yīng)力比增大幅度超過100%。對于此類情況，僅通過提高鐵塔結(jié)構(gòu)承載力、采用大板基礎(chǔ)或加固改造一般不能滿足輸電線路安全性要求。新建輸電線路須避開淺層采空區(qū)或處于采空區(qū)地表塌陷初期的區(qū)域；已建線路則應(yīng)加強(qiáng)地表變形和塔腿基礎(chǔ)變形監(jiān)測，提前做好停電和線路改造處理預(yù)案。

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