近場罕遇地震作用下干字型輸電塔的動力響應分析

李 健

（廈門綠發投資有限公司，福建 廈門 361001）

0 引言

隨著“雙碳”減排目標的提出，國家對輸電線路工程的投資力度越來越大，輸電線路項目的施工質量和安全管理迫在眉睫[1]。

我國地震斷層分布復雜、數量繁多，是世界上地震多發國家之一，許多城市不可避免地位于地震帶或斷層附近。輸電塔是輸電線路中極其重要的部件，投資約占整個線路的30%～50%，一旦在地震作用下發生損壞或者倒塌，將對所在地的電力供應造成嚴重影響。相對于遠場地震，近場地震具有明顯的加速度、速度、位移沖擊，對輸電塔結構的破壞性更強[2-5]，因此研究地震斷層附近輸電塔在罕遇地震作用下的抗震性能愈發重要。武鋼等[6]對比了大跨越輸電塔-線體系的近-遠場地震反應，證明近場脈沖型地震動作用下，大跨越輸電塔-線體系的動力反應更加顯著。劉啟方等[7]通過實測近場強震地震動數據發現，近場地震動與遠場地震動顯著不同。周繼磊[8]深入分析了近場震動加速度時程的功率譜，結果表明近斷層脈沖型地震動的功率譜峰值較大，且在低頻處能量集中。郭旭坤等[9]在罕遇地震工況下對輸電鐵塔進行了損傷模擬分析，發現塔身下部為輸電塔的薄弱部位。王來等[10]發現罕遇地震作用下地震波的頻譜特性直接影響到輸電塔的振動反應。拾峰等[11]研究了高烈度震區輸電塔在水平向和豎向地震作用下基底反力及桿材軸應力的變化規律。

本文以干字型輸電塔為研究對象，選取了與罕遇地震規范反應譜在統計意義上相符的10 條近場地震波，采用動力時程分析方法計算輸電塔結構的水平地震響應，獲得頂點位移、基底反力、關鍵部位軸應力等結果，分析輸電塔結構在罕遇地震作用下的受力特征。

1 輸電塔有限元模型及近場地震波選取

本文所研究的干字型輸電塔高度為28 m，ANˉ SYS 有限元模型如圖1 所示。桿材和主斜材用BEAM188 梁單元模擬，輔助連接桿材用LINK8 桿單元模擬，有限元模型一共有912 個節點和998 個單元。BEAM188 單元采用Q420 鋼材和Q345 鋼材，LINK8 桿單元采用Q235 鋼材，單元截面形狀均為L形。鋼材彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3，采用典型的雙線性隨動強化本構關系。

圖1 干字型輸電塔有限元模型

干字型輸電塔所在地區地震設防烈度為Ⅷ度，場地類別為Ⅲ類場地，地震分組為第二組，特征周期為0.60 s，結構阻尼比為0.05，地震影響系數最大值為0.9[12]。將確定的罕遇地震規范反應譜導入太平洋地震工程研究中心，選取了與罕遇地震規范反應譜在統計意義上相符的10 條近場地震波，如表1所示?？s放后的近場地震波加速度反應譜和規范反應譜如圖2 所示，可以看出所選近場地震波的平均反應譜與罕遇地震規范反應譜在統計意義上是相符的。

表1 近場地震波記錄

圖2 縮放后的近場地震波加速度反應譜和規范反應譜

2 罕遇地震下的動力時程分析

振動模態分析是結構動力分析前的必要步驟，可以確定結構的固有頻率和模態振型。本文采用ANSYS 子空間法進行模態分析，圖3 為干字型輸電塔前6 階振型，第1 階振型表現為沿橫擔方向的塔身整體彎曲，第2 階振型表現為垂直橫擔方向的塔身整體彎曲，第3 階振型表現為輸電塔結構的扭轉振動，第4～6 階振型表現為輸電塔結構的局部振動模態。

圖3 干字型輸電塔前6 階振型

本文從太平洋地震工程研究中心選取了與罕遇地震規范反應譜在統計意義上相符的10 條近場地震波進行動力時程分析，由于不同地震波的頻譜特征具有差異性，RSN159 地震波得到的位移響應最小，X 向和 Y 向位移峰值分別為 7.71 mm 和 7.27 mm。RSN802 地震波得到的位移響應最大，X 向和Y 向位移峰值分別為18.55 mm 和18.64 mm。RSN1086 地震波在X 向和Y 向的位移峰值相差較大，X 向和Y向位移峰值分別為12.39 mm 和7.94 mm。由于考慮了輸電塔的自重效應，近場罕遇地震波沿輸電塔X向和Y 向作用時，Z 向基底反力平均值為2.67E5 N，X 向和Y 向的基底反力平均值變化范圍為4.44E4 N～4.48E4 N，表明輸電塔結構的空間效應較強，任意激勵方向都可在X 向和Y 向產生大小相當的基底反力。

為研究近場罕遇地震作用下輸電塔桿材軸應力分布規律，選取了上橫擔桿材（截面A）、塔身上部桿材（截面B）、下橫擔桿材（截面C）、塔身中部桿材（截面 D）、塔腿桿材（截面 E）5 個典型截面，如圖 1 所示。由圖4、圖5 可知，上、下橫擔（截面A 和截面C）軸應力峰值總體較小，僅當在輸電塔X 向施加地震波 RSN159、RSN178、RSN179 時，截面 C 的軸應力峰值分別為 2.82 MPa、6.12 MPa 和 5.14 MPa，其余激勵工況下截面A 和截面C 的軸應力峰值均小于1 MPa，所以上、下橫擔在地震作用下不易受損。當近場罕遇地震波作用于輸電塔X 向時，桿材截面應力峰值的變化規律為：塔身中部桿材（截面D）＞塔腿桿材（截面E）＞塔身上部桿材（截面 B）＞下橫擔桿材（截面 C）＞上橫擔桿材（截面A）。當近場罕遇地震波作用于輸電塔Y 向時，桿材截面應力峰值的變化規律為：塔身中部桿材（截面D）＞塔腿桿材（截面E）＞塔身上部桿材（截面B）＞上橫擔桿材（截面A）≈下橫擔桿材（截面C）。

圖4 近場罕遇地震X 向作用下的截面應力峰值

圖5 近場罕遇地震Y 向作用下的截面應力峰值

綜上所述，在近場罕遇地震作用下，輸電塔塔身中部桿材和塔腿桿材受力較大，當桿材存在初始缺陷或疲勞損傷時極易發生破壞，故在輸電塔設計、施工和維護時需要重點關注。

3 結語

通過干字型輸電塔在近場罕遇地震作用下的動力時程分析，可以發現在X 向和Y 向地震波激勵下，干字型輸電塔頂點位移在水平方向上相差不大；由于考慮了自重效應，水平基底反力遠小于豎向基底反力，輸電塔結構的空間效應較強，任意激勵方向都可在X 向和Y 向產生大小相當的基底反力；塔身中部桿材和塔腿桿材處的軸應力峰值最大，在干字型輸電塔結構設計、施工和運營維護時應注意這些關鍵截面的安全性和穩定性。