EF2級龍卷風作用下輸電鐵塔力學響應研究

張維倫 黃日星 晏孝強

(東南大學土木工程學院，江蘇 南京 210096)

隨著經濟的發展和負荷的增長，我國電網規模不斷擴大[1]，社會用電需求也日益增加[2]，各類氣象災害也在不斷威脅著電力企業的正常運行。輸電線路和輸電鐵塔的安全隱患不容小覷，易對電力系統的安全運轉造成影響[3]。

龍卷風是輸電塔結構的重要災害因素。位于華東沿海經濟和負荷中心的江蘇電網近年來發展迅速[4]，但也發生過龍卷風引起的輸電線路損壞等情況。例如，2016年6月23日，江蘇省鹽城市阜寧縣、射陽縣遭遇EF4級龍卷風侵襲，風力超過17級，風速最高達到73 m/s，輸電線路遭到重創。輸電線路在運行階段經常遭遇外部惡劣氣象環境，如覆冰、雷電、大風等[5]。因此，輸電線路的安全問題事關民生，應受到高度重視。

美國輸電塔設計規范已將龍卷風荷載納入其中[6]，而我國輸電線路設計規范尚未涉及。本文以某110 kV線路直線型鐵塔為研究對象，利用ANSYS軟件建立輸電塔有限元數值模型，進行EF2級龍卷風作用下輸電塔的響應研究。

1 EF2級龍卷風風場結構分析

龍卷風分為EF0～EF5共6個等級，隨著等級的增加，其發生概率依次減小，破壞程度依次增大。EF2級龍卷風的發生概率約為10.7%，其破壞程度較大。本文以EF2級標準龍卷風為研究對象。

龍卷風的風場結構十分復雜[7]。目前，學界對龍卷風的研究尚未完善[8]。國外學者對龍卷風進行了大量研究[9,10]，開發了多種龍卷風實驗和數值模型。

Wen模型中，龍卷風邊界層厚度δ僅與模擬點所處xy平面的坐標值相關，而與所在的高度z無關：

(1)

(2)

其中，r′為模擬點距龍卷風中心的距離；rmax為龍卷風最大切向風速半徑r0所對應的坐標；δ0為模擬點位置相對于最大風速點無窮遠時，龍卷風的邊界層厚度。

根據氣流所處的位置(坐標值z)不同，將龍卷風的風場結構分為邊界層以上部分和邊界層以下部分。邊界層以上(z>δ)風速分量表示為：

(3)

邊界層以下，風速分量表示為：

(4)

其中,T(η,r),R(η,r)和W(η,r)分別為切向、徑向和豎向風速；Vmax為最大切向風速；b=1.2e-0.8r4；η=z/δ(r′)；z為模擬點距離地面的高度。

本研究采用Wen風場結構模型。給出EF2級龍卷風切向風速在半徑上的分布如圖1所示。可見，在不同高度上，最大切向風速總是在半徑1/2左右的位置。

圖2為EF2級龍卷風(最大半徑Rmax=50 m)半徑為35 m處，切向風速和徑向風速沿高度的分布。可以看出，徑向風速只在靠近地面時較大，而在離地較高位置很小，且在各高度位置，徑向風速相對于切向風速都很小。因此，本文主要考慮龍卷風切向風速對輸電塔結構的作用。

2 輸電鐵塔有限元模型

以某110 kV線路直線型鐵塔為研究對象。鐵塔塔高為38.7 m，呼高為28 m，如圖3a)所示；輸電塔各桿件采用Q235鋼，其許用強度和穩定應力值為215 MPa。根據橫隔位置將結構分為14段，如圖3b)所示。用ANSYS有限元軟件建立輸電鐵塔有限元數值模型，包括212個關鍵點，2 075個節點和1 242個單元。其塔身輔材、斜材、主材、橫隔層等形式均為等邊角鋼，且角鋼截面尺寸隨著高度增加逐漸減小。采用Beam188三維梁單元進行桿件的模擬。

3 輸電鐵塔在EF2級龍卷風作用下的響應研究

根據DL/T 5154—2012架空輸電線路鐵塔結構設計技術規定[11]的要求計算輸電鐵塔各桿件和輸電線所受風荷載，并平分到兩端節點上。其中，由于所提取的龍卷風風場已考慮高度變化對風速和基本風壓的影響，故將風壓高度變化系數取為1。

3.1 最不利位置的確定

由圖1可知，在不同的半徑下，龍卷風會具有不同的風速譜，以輸電塔響應(塔頂位移和支座彎矩)最大時所對應的龍卷風半徑為其最不利位置。取在龍卷風60°風向角下的最不利位置對應的風速譜進行計算，如表1所示。

表1 EF2級龍卷風下輸電塔最不利位置的確定

由表1可見，隨著龍卷風半徑的增加，輸電塔塔頂位移與塔腳支座彎矩呈先增大后減小的趨勢。當龍卷風半徑為30 m時輸電塔的響應達到最大值，故其最不利作用半徑為30 m。

3.2 輸電塔塔頂位移分析

繪制輸電塔在龍卷風最不利半徑下，各角度風時的塔頂位移圖，匯總如表2所示。

表2 EF2級龍卷風各風向角時輸電鐵塔塔頂位移

根據GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范[12]規定，該110 kV鐵塔屬于懸垂直線自立式桿塔，高度為38.7 m，撓度限值為116.1 mm。該鐵塔在EF2級龍卷風作用下塔頂位移超過規范要求，不滿足剛度條件；而在60°風向角時塔頂位移最大，此時鐵塔的破壞最為嚴重。

3.3 輸電塔強度應力分析

繪制輸電塔在龍卷風最不利半徑下各角度風時正面塔腿的強度應力云圖，如圖4～圖7所示。

由強度應力云圖可以看出，左側塔腿大部分主材受拉力，而右側塔腿大部分主材受壓力，且壓應力峰值高于拉應力峰值。輸電塔中下段塔腿的強度應力值相對較大，強度破壞易在中下塔段產生。

將各角度龍卷風下各塔段的最大強度應力進行對比，如圖8所示。

在龍卷風四種風向角作用下，輸電鐵塔主材桿件強度應力隨高度的變化規律基本相同，隨高度增加整體呈先增大后減小的趨勢，應力均在第2塔段處達到最大值。45°和60°風向角時的強度應力差別不大，而其最大值已達到或超過許用應力值215 MPa；在60°風向角時各塔段強度應力最大，此時輸電鐵塔處于最危險狀態。主材桿件可能會遭到強度破壞；0°和90°風向角時的強度應力相對較小，較為安全。

3.4 輸電塔穩定性分析

根據現行設計規范GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范[12]、GB 50017—2017鋼結構設計規范[13]，輸電塔結構受外荷載作用時，主材桿件主要承受軸向壓力和彎矩的共同作用，這些桿件可能存在局部失穩情況，進而導致結構的破壞，需要進行結構穩定性分析。

針對不同角度風下主材的承載力情況，取各塔段壓力最大的主材進行比較。分別驗算14個塔段各主材在EF2級龍卷風作用下的穩定應力。以結果最大值為代表數據，并將各角度風下輸電塔各塔段主材的最大穩定應力進行對比，如圖9所示。

輸電鐵塔在各角度EF2級龍卷風作用下的穩定應力變化規律基本相同。應力值隨高度增加整體呈先增大后減小的趨勢，而中下塔段失穩破壞較為嚴重。主材的穩定應力高出強度應力值75%左右，應更為關注輸電鐵塔的穩定性。在45°和60°風向角時第二塔段穩定應力值超出許用值75%以上。因60°風向角時輸電鐵塔的失穩破壞最為嚴重，故宜按60°風向角作用的情況進行輸電塔設計和穩定性校核。

4 結語

1)由于在不同的半徑下，龍卷風具有不同的風速譜，故應選擇使得輸電鐵塔響應最大的龍卷風半徑進行加載和計算；2)輸電鐵塔中下段的強度應力和穩定應力較大，強度和失穩的破壞易在中下塔段產生，應對第1～5塔段進行一定程度的加固；3)輸電鐵塔在EF2級龍卷風四種風向角時的塔頂位移均超出限值要求，應關注剛度破壞對輸電鐵塔結構的影響；4)相對于0°和90°角度風而言，斜向風對結構更為不利。以現有的標準和校驗要求來看，塔身的部分主材在斜向風下易發生應力超標現象；5)輸電鐵塔的穩定應力高于強度應力。應更為關注結構的穩定性，可通過調整鋼材型號，提高所用鋼材的屈服強度等方式提高其穩定性，避免遭受失穩破壞。