近場罕遇地震作用下干字型輸電塔減震控制研究

李 健

（廈門綠發投資有限公司，福建 廈門 361001）

輸電塔作為重要的電力輸送設備被廣泛應用于社會生產和生活中，其運行狀態直接關系到電網安全與能源穩定，地震、臺風和滑坡等自然災害會對輸電塔的安全運行造成巨大影響，減震控制已成為目前輸電塔結構的研究熱點。輸電塔減震控制一般分為主動控制、被動控制和半主動控制[1]：主動控制是基于某種控制算法由輸入/輸出信息來確定控制力大小，并由驅動器借助外界能源將控制力施加于結構上以達到減震的目的[2]；被動控制是采用隔震、吸能和阻尼耗能等措施來減小結構的動力響應[3]；半主動控制的原理與結構主動控制基本相同，只是作動器需要利用結構的往復相對變形或相對速度實現控制力輸出[4]。被動控制是輸電塔減震控制的主要研究方向，目前結構被動控制技術主要包括隔震技術、吸震技術和耗能技術等[5]。耗能技術主要通過各種阻尼器進行結構減震，主要包括摩擦阻尼器、形狀記憶合金（SMA）阻尼器和粘滯阻尼器等。陳波等[6]采用被動摩擦阻尼器研究了輸電塔在強烈地震作用下的減震控制問題，結果表明，摩擦阻尼器是一種形式簡單、具有較好耗能能力的控制裝置，可以有效地減小高壓輸電塔的地震反應。Tian 等[7]提出了一種新型形狀記憶合金調諧質量阻尼器，結果表明其阻尼有利于減輕振動響應。Chen 等[8]開展了強震作用下設置摩擦阻尼器的輸電塔-線體系的減震和性能評估研究，表明在輸電塔-線體系中應用摩擦阻尼器可以在最優阻尼器參數下大幅抑制地震響應。李闖[9]提出了一種新型自復位SMA 阻尼器，通過分析不同地震波作用下有控結構的動力響應和結構評價指標，驗證了阻尼器對結構位移和位移角的控制效果。牛健[10]提出一種SMASMP 減震裝置，研究了該減震裝置在不同地震頻譜、幅值下的減震效果，結果表明該裝置對單自由度結構具有良好的耗能能力，位移和加速度響應顯著降低。張春蕊等[11]提出應用SMA 阻尼器對輸電塔風致振動進行控制，對不同方案進行結構風致振動瞬態響應仿真，提取各方案控制點位移和加速度時間歷程進行比較分析，結果表明SMA 阻尼器對輸電塔具有較好的風振控制效果。

本文以干字型輸電塔為研究對象，選取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，分析安裝SMA 阻尼器后干字型輸電塔的塔頂位移、塔頂加速度、關鍵截面軸應力和基底反力等動力響應，研究SMA 阻尼器的減震控制效果，以期為干字型輸電塔的減震控制研究提供借鑒。

1 輸電塔有限元模型及SMA 阻尼器

本文所研究的干字型輸電塔高度為28 m，其有限元模型如圖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，有限元模型一共包含912 個節點和996 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7 850 kg/m3，采用典型的雙線性隨動強化本構關系。

形狀記憶合金（Shape Memory Alloys，SMA）是一種由2 種以上金屬元素構成、能夠在溫度和應力作用下發生相變的新型功能材料，通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有獨特的形狀記憶效應、相變偽彈性等特性。SMA 的原理本質上源于合金內部存在奧氏體（母相）和馬氏體2 種不同的晶體結構，以及2 種不同類型的轉變：引起形狀記憶效應的溫度誘導轉變與導致超彈性的應力誘導轉變。低溫和高溫狀態下，形狀記憶合金晶體分別以馬氏體和奧氏體結構存在，當合金在低溫下發生馬氏體形變后，溫度升高導致馬氏體逐漸向奧氏體轉變，同時SMA 在低溫下的變形得以消除，材料恢復至形變前固有形狀。在隨后的冷卻過程中，SMA 內部彈性能釋放恢復馬氏體，材料形狀會發生不同的變化，根據其后續低溫狀態的形變可將形狀記憶效應劃分為單程、雙程和全方位形狀記憶效應[12]。

SMA 阻尼器一般是指利用SMA 超彈性的位移型阻尼器，可以用ANSYS 彈簧-阻尼器（spring-damper）單元COMBINE14 模擬。阻尼器單元通過2 個節點、剛度（力/長度）和阻尼系數（力·時間/長度）進行描述，本文設置SMA 阻尼器的等效剛度為5×106N·m-1，等效阻尼為12×106N·s·m-1。在輸電塔塔頭和塔身沿第一振型方向共安裝8 個SMA 阻尼器，具體安裝位置如圖1中加粗黑線所示。

圖1 干字型輸電塔有限元模型

2 近場地震波選取

假設干字型輸電塔所在地區地震設防烈度為8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[13]。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（Pacific Earthquake Engineering Research Center），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，見表1。縮放后的近場地震波加速度反應譜如圖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。

圖2 近場地震波加速度反應譜

表1 近場地震波記錄

3 SMA 阻尼器減震效果分析

本文首先采用ANSYS 子空間法對干字型輸電塔進行模態分析，得到輸電塔結構的固有頻率和模態振型。圖3 為干字型輸電塔的前3 階整體模態：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。由模態分析結果可以發現，輸電塔以Y 向和X 向的彎曲振型為主，且2 個水平方向上的同階自振頻率相差較小。

圖3 干字型輸電塔前3 階振型

由于干字型輸電塔的第一主振型為Y 向，在輸電塔塔頭和塔身沿Y 向共安裝8 個SMA 阻尼器用于減震控制，并在輸電塔Y 向施加近場地震波作用進行動力時程分析，安裝SMA 阻尼器后的減震率η 為

式中：S 為未安裝SMA 阻尼器的輸電塔動力響應，S” 為安裝SMA 阻尼器后的輸電塔動力響應。

輸電塔塔頂位移和加速度的減震率見表2，不同近場罕遇地震作用下輸電塔的減震效果有所不同，在RSN1161 地震波作用下輸電塔的減震效果最好，塔頂位移的減震率為43.88%，加速度的減震率為31.41%。綜合考慮，在近場罕遇地震作用下，干字型輸電塔安裝SMA 阻尼器后，塔頂位移平均降低29.05%，塔頂加速度平均降低17.78%。

表2 塔頂位移和加速度減震率

為了研究近場罕遇地震作用下輸電塔桿材軸應力的減震規律，選取了干字型輸電塔上橫擔桿材（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）等5 個典型截面（圖1）。輸電塔安裝SMA 阻尼器后的截面軸應力減震率如圖4 所示，可以發現除RSN802 地震波外，在其余近場地震波作用下，關鍵截面軸應力總體呈降低趨勢，即截面軸應力減震率大于零。相對于其他截面位置，塔身中部（截面D）的軸應力減震效果最好，塔腿桿材（截面E）的減震效果次之。綜合考慮，在近場罕遇地震作用下，干字型輸電塔安裝SMA 阻尼器后，5 個典型截面的平均軸應力減震率依次為17.02%、14.15%、5.98%、28.26%、19.94%。

圖4 截面軸應力減震率

輸電塔安裝SMA 阻尼器后的基底反力減震率如圖5 所示，可以發現X 向平均基底反力顯著增加，Y 向平均基底反力基本沒變，Z 向平均基底反力稍微降低，X 向、Y 向和Z 向的平均基底反力減震率分別為-34.2%、0.52%和6.92%。由于近場地震波作用方向為輸電塔的Y 向，設置SMA 阻尼器后Y 向位移受到抑制，導致與之垂直的X 向位移不斷增大，X 向基底反力隨之增加。

圖5 基底反力減震率

4 結論

本文分析了近場罕遇地震作用下干字型輸電塔安裝SMA 阻尼器前后的動力時程響應，研究了SMA 阻尼器對塔頂位移、塔頂加速度、關鍵截面軸應力和基底反力的減震效果，得到以下結論。

（1）在干字型輸電塔安裝SMA 阻尼器后，塔頂位移和塔頂加速度都有不同程度的降低，塔頂位移的平均減震率為29.05%，塔頂加速度的平均減震率為17.78%。

（2）由于近場地震波存在頻譜特性差異，在特定地震波作用下，安裝SMA 阻尼器后的截面軸應力反而增加。綜合考慮所有近場罕遇地震波作用，干字型輸電塔典型截面的平均軸應力減震率依次為17.02%、14.15%、5.98%、28.26%、19.94%，其中塔身中部（截面D）的軸應力減震效果最好，塔腿桿材（截面E）的減震效果次之。

（3）在干字型輸電塔安裝SMA 阻尼器后，由于近場地震波作用方向為輸電塔的Y 向，SMA 阻尼器抑制了輸電塔的Y 向位移，導致輸電塔X 向基底反力平均增加了34.2%。