輸電線路在地震動作用下動力響應分析★

馬芳靜 　 付 興 　 鄭 帥

(1.遼寧工業大學管理學院，遼寧 錦州　121001；　2.大連理工大學建設工程學部，遼寧 大連　116024；　3.中國建筑第八工程局有限公司大連分公司，遼寧 大連　116023)

0　引言

現如今，電力是支撐整個社會正常運行的基本要素，輸電線路擔負著傳輸電能的重要任務。一旦輸電線路發生破壞，將會造成巨大的經濟損失，嚴重影響人民生產生活。在各種威脅輸電線路結構安全性的外部荷載中，地震顯得尤為重要，在歷次震害中均發生了輸電塔倒塌事故。因此，非常有必要研究輸電線路在地震動作用下的響應，分析各參數的影響，為輸電線路抗震設計提供支撐。

在國內李宏男率先開展了輸電塔線體系抗震方面的研究[1-3]，提出了塔線體系的簡化運動方程，并通過震動臺試驗進行了驗證。隨著科技進步，計算機的計算速度越來越快，且出現了很多商業有限元軟件，在此基礎上，輸電線路在地震動作用下的大規模精確模擬成為可能[4]。由于輸電線路的跨越距離非常大，因此行波效應對輸電線路的震動反應可能會有影響，有很多專家學者在這方面進行了研究[5]。由于地震會造成鐵塔震動反應過大，從而引起整個輸電線路發生倒塌，為了減小地震反應，提出了很多類型的阻尼器應用于輸電塔線體系[6,7]。

本文以某500 kV輸電線路為例，研究了地震動對整個結構動力反應的影響，得到了一些有工程參考價值的結果。

1　模型簡介

本文模擬以某實際500 kV輸電線路為例，塔高99.9 m，呼高69 m，相鄰兩塔跨越距離為500 m，是典型的羊角塔。鐵塔桿件均采用角鋼，所用鋼材為Q235，Q345及Q420，彈性模量為206 GPa。輸電導線為四分裂，導線型號采用LGJ630/45，單位長度質量為2.06 kg/m，導線平均運行張力為35.3 kN。地線型號采用JLB20A-150，單位長度質量為0.99 kg/m，地線平均運行張力為30.5 kN。絕緣子串的高度為6.654 m，總質量為285.6 kg。

本文數值模擬采用ANSYS建立整個塔線體系的有限元模型，為了更好的模擬邊界條件，本文建立三塔四線模型來計算地震響應[8]，建立的有限元模型如圖1所示。本文以中間塔為研究對象，導、地線及兩側鐵塔是為了提供合理的邊界條件。

2　地震波選取

本文采用的輸電線路所在地區設防烈度為7度，場地類別為Ⅳ類場地，地震分組為第三組，特征周期為0.90 s。地震波的選取要滿足《建筑抗震設計規范》[9]中5.1.2條的要求，經反復對比選取三條地震波(兩條天然波，一條人工波)，其中天然波1為天津波(1976/11/25)，天然波2為Cape Mendocino波(1992/4/25，簡寫為Cape波)，人工波根據該工程場地特性合成，經歸一化的加速度時程曲線如圖2所示。三條地震波加速度反應譜平均值與規范反應譜對比如圖3所示，可以看出所選地震波的平均反應譜和規范譜在統計意義上相符，滿足規范要求。

根據《建筑抗震設計規范》表5.1.2-2，多遇地震峰值加速度取35 cm/s2，罕遇地震峰值加速度取220 cm/s2。在本文分析中，地震波的峰值加速度均取35 cm/s2，地震波施加方向垂直導線走向。從圖2中可明顯看出，地震波加速度較大區域都集中在前面，后面的加速度相對較小。因此，為了節省ANSYS計算時間，三條地震波時程均計算到20 s結束。

3　輸電塔線體系地震作用下動力反應分析

將上節中提到的三條地震波依次施加到有限元模型中，計算整個塔線體系的動力反應。以中間塔為研究對象，應力最大時刻的云圖如圖4所示，從圖4中可明顯看出在三條地震波作用下，輸電塔各個桿件的最大應力均沒有超過屈服強度，桿件保持彈性狀態，同時這三條地震波的計算結果相近，說明了所選地震波的合理性。

塔頂在兩個水平方向的加速度時程曲線如圖5水平方向頂點加速度對比所示，從圖5中可明顯看出兩個方向的加速度相差很大。輸電塔線體系在風荷載作用下，塔頂的橫風向振動非常嚴重，兩個方向震動通常在一個量級[10,11]。通過圖5水平方向頂點加速度對比可知，風荷載與地震荷載的作用機理相差很大，輸電線路在這兩種荷載作用下的反應可比性很小。

為進一步說明建模時考慮導、地線的必要性，建立了一個單塔模型，同樣施加上述三條地震波，計算得到的鐵塔基底剪力、頂點加速度及位移最大值如表1所示，通過對比可明顯看出，塔線體系與單塔模型計算的最大基底剪力非常接近，但人工波計算結果誤差較大，達到了27.7%；頂點加速度及位移最大值相差非常大，單塔計算結果明顯高于塔線體系計算結果，天津波作用下頂點加速度的相對誤差最大達到了72.1%，說明單塔模型高估了結構響應，模擬輸電塔在地震作用下的反應時，非常有必要考慮導、地線的影響。

表1　塔線體系模型與單塔模型計算結果最大值對比

4　結語

本文對某500 kV輸電線路進行了抗震分析，為了準確的模擬輸電塔線體系在地震作用下的動力反應，文中建立了三塔四線模型，以準確模擬輸電塔的邊界條件。通過模擬分析，得到了以下一些結論：

1)不同于風振響應，在地震作用下，輸電塔橫向震動情況非常小，可以忽略；

2)單塔模型高估了結構響應，模擬輸電塔在地震作用下的反應時，非常有必要考慮導、地線的影響。

參考文獻:

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[11]付興，林友新，李宏男.風雨共同作用下高壓輸電塔的風洞試驗及反應分析[J].工程力學,2014,34(1):72-78.