鋼管輸電鐵塔風致振動疲勞損傷機理及其防治措施研究現狀與展望

黨 睿，賈 秩，舒前進

（1.國網新疆電力有限公司，烏魯木齊 830000；2.國網山西省電力公司，太原 030021；3.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116）

隨著我國經濟社會的快速發展以及人們對電力供應需求量的增高，特高壓輸電鐵塔的建設變得極為重要，其安全性與耐久性也越來越受到人們的重視與關注。而鋼管體型良好、迎風系數小、截面回轉半徑大且輕質高強，具有較好的各向同性；在結構計算時受力簡單、路徑明確，能夠有效減小塔身風荷載，提高結構穩定性，因而被廣泛應用于大部分輸電線路鐵塔中。目前，隨著我國同塔多回路工程、大截面導線工程、大跨越鐵塔及特高壓輸電鐵塔的不斷建設，塔身所承受的荷載越來越大；而鐵塔又屬于高聳風敏感結構，其風荷載效應非常突出。近年來，因風荷載造成的輸電鐵塔倒塌事故頻出。因此，如何準確計算鐵塔風荷載對于鐵塔的振動變形與疲勞損傷就顯得尤為重要。基于以上背景，本文分別闡述了國內外鋼管輸電鐵塔的風致振動和疲勞損傷研究現狀，總結當前研究所得出的桿塔風致響應影響規律以及防治措施，指出目前存在的不足和后續可能的研究方向，從而達到減少鐵塔在風荷載下的振動與疲勞破壞、提高鐵塔結構穩定性、延長鐵塔壽命的目的。

1 輸電鐵塔的風致疲勞性能研究

風荷載是輸電鐵塔的主要設計荷載。風荷載會導致桿塔的整體振動以及局部鋼管桿件的渦激振動，在節點板和鋼管相交或鄰近的范圍內產生局部破壞，久而久之出現疲勞破壞，影響鐵塔主體結構安全。因此，對輸電鐵塔結構進行風振疲勞分析有著重要的現實意義。國內外學者對輸電塔的風致疲勞性能進行了研究。

關于輸電塔系風振疲勞的研究，是從1966 年Davenport 在研究風致疲勞問題引入了高斯假定開始的。

在鐵塔節點疲勞試驗研究上，龍翔等[1]對輸電塔架的K 型節點進行了疲勞試驗：從靜載應變的分析結果來看，測點的應力變化大致成線性，在循環荷載的反復加載下，沒有出現應力重分布現象，構件偏于安全。

在鐵塔風致疲勞壽命的預測方法上，Mikitarenko等[2]總結了國外多地的鐵塔倒塌事件，認為風荷載是導致其破壞破壞的主要原因，對鐵塔的疲勞壽命及耐久性作出了評價。汪之松等[3]針對某自立式輸電桿塔的風振疲勞性能進行了塔線耦合體系建模，隨后進行了隨機風荷載的數值模擬并對耦合塔線體系進行了非線性時程分析，得到了鐵塔的疲勞危險桿件，并運用線性累計損傷法對其進行了疲勞壽命評估。饒俊[4]總結了隨機風荷載的模擬方法以及常用的疲勞壽命估算方法，并完整地闡述了風振時域分析的一般性步驟，最后對某雙回路直線塔進行了風振頻域分析，得到了影響桿件和連接件疲勞壽命的可能影響因素，并對鐵塔的疲勞壽命進行了預測。周春良等[5]對隨機風荷載的計算方法以及鋼塔架的結構響應進行了理論分析，采用等效窄帶法進行了鐵塔疲勞壽命的計算并進一步研究了鋼塔架的風振疲勞累計損傷。孫成等[6]模擬了某鐵塔輸電線路的瞬時風荷載并對其進行風振時程分析，而后通過Miner 線性累積損傷理論對其進行疲勞壽命預測，得到了在不同風荷載下鐵塔的疲勞部位，最后通過雨流法和S-N 曲線計算了關鍵部位的疲勞壽命。Toshinaga 等[7]對一個大型輸電塔架進行長期實地觀測，分析了大型輸電塔架在風荷載作用下的響應特征。Wyatt[8]分析了塔架對風致疲勞的敏感性，研究表明：當節點設計良好時，可以有效減少陣風對于鐵塔的疲勞破壞。Dionne 等[9]進行了基于頻域方法的結構風振疲勞壽命計算研究。

總的來說，對于鐵塔的疲勞分析，首先是基于風荷載下的風振時程模擬，得出鐵塔的疲勞損傷關鍵部位，然后根據計算結果運用疲勞累積損傷Miner 準則、雨流法或頻域方法來估算鐵塔的疲勞壽命。在鐵塔的疲勞壽命預測方法的選取上，各方法均有自己的局限性：如目前常用于輸電鐵塔風振疲勞計算的Miner 準則未考慮低于疲勞極限的應力影響，會得出比較偏于危險的結果。而雨流計數法用來估算鐵塔構件的疲勞壽命在計算量上非常巨大，實際應用時并不方便。頻域分析的計算方法，可以由激勵荷載譜和結構的頻響函數方便地得到結構的響應來估算鐵塔的疲勞壽命。此外，在疲勞強度測試中，一般只考慮風荷載的理想狀態，未考慮其他因素的影響，這就導致計算結果不準確。且當前對于鐵塔風振疲勞的研究試驗大多只針對1～2 種特定的塔型并基于特定的工程實例來進行研究[10]，未來應考慮不同塔型以及不同地貌特征下的普遍情況并綜合考慮導線、金具以及其他外力因素的耦合作用，從而得到更普遍的鐵塔風致疲勞規律。

2 輸電鐵塔的風振響應規律研究

對于大跨越鐵塔來說，其桿塔結構高、橫擔長，質量和剛度沿高度的不均勻性更明顯。因此，風荷載對大跨越鐵塔結構的彎曲、扭轉作用都十分顯著。風荷載影響下的輸電鐵塔結構體系，其自振頻率趨近于風的卓越頻率，這就會使得鐵塔的風振響應變得十分敏感。在輸電鐵塔及塔線體系的風振響應研究中更多是通過時域分析方法，得到多種參數的時程曲線，可以較為全面地反應風荷載作用下桿塔及線路的動力特性和幾何非線性。學者們對輸電鐵塔的風振響應規律已有一定的研究。

劉慧群等[11]對輸電鐵塔的順風風振響應計算方法進行了理論分析，并基于現場實測數據，擬合得到了塔架的一階線性廣義荷載譜并對其進行了簡化。夏闖娜[12]對單塔以及塔線體系分別進行了有限元建模，并進行了動態特性與風振時程分析，得到了單塔與塔線體系相比分別在位移均方根和加速度均方根上的變化規律。龔靖等[13]建立了大跨越輸電鐵塔的有限元模型并對其進行了風荷載下的抗風時程分析，研究表明，塔中混凝土灌注量的增加可以增加鐵塔剛度，進而減少風荷載下的塔頂位移。鞠彥忠等[14]以某四回路鋼管角鋼組合塔為對象，利用有限元進行風速時程模擬，比較了不同風速譜下與目標譜的擬合結果，得到了輸電塔的脈動風響應規律。付興等[15]模擬了臺風風場對某鐵塔進行了動力時程分析，并基于慣性力法獲取了鐵塔的風振系數及塔線的耦聯效應，研究表明，臺風相比于良態風，順風向風振系數更大，且導線會放大鐵塔的基頻。屈訟昭等[16]運用隨機振動線性濾波器模擬脈動風荷載，得到了鐵塔的風振系數，得到了在不同風振系數下的主材內力變化規律。竇漢嶺等[17]基于諧波合成法和New Mark 法對輸電塔線體系進行了風振響應時程分析。研究發現，在一定風速范圍內，塔內側位移大于外側，節點位移隨節點高度的增加而變大。

風荷載主要分為靜力風以及脈動風對鐵塔的破壞。目前主要采用控制風振系數以及背風面荷載遮擋系數來確定風荷載的取值，采用風洞試驗法和數值分析法或時域分析方法得到塔線體系在不同類型風荷載下的振動規律。但當前對于鐵塔風振的模擬還存在不足：一方面，對于風致響應機制的研究還略有不足，在輸電線路的設計中，塔與線進行了割裂設計，這就導致無法考慮他們之間所產生的耦合效應，使得風振計算結果偏于保守[18]；另一方面，對于鐵塔體系有限元模型作了較多簡化，沒有全面考慮線路中導線檔距、轉角的影響。因此，未來應重點考慮塔與線之間的耦合效應分析，從而更加真實還原鐵塔在風荷載下的力學行為。

3 輸電鐵塔的風振疲勞控制措施研究

輸電塔線體系由輸電鐵塔和線路共同組成，其體系跨度很大。鐵塔的動力響應會具有顯著的幾何非線性和一定的隨機性。風災是引發輸電鐵塔發生局部損害或者整體倒塌的重要因素。因此，國內外學者對風荷載下的鐵塔結構風振疲勞控制措施進行了研究。

在風致疲勞控制措施研究中，Long 等[19]研究了風荷載對風機葉片的疲勞影響規律，得出導致葉片疲勞損壞的最大誘因是較低的構件剛度以及隨機荷載，并提出了相應的改進措施來改善葉片的疲勞壽命。Ronaldo 等[20]在塔架上安裝鐘擺阻尼器并建立三維有限元模型對阻尼器的安放位置、安放方式等參數進行分析；提出了一種風荷載作用下的穩定性評估方法；揭示了鐵塔在風荷載下的動力特性與坍塌機理。Havard等[21]分析了阻尼器對塔架疲勞破壞的影響，研究表明：在風荷載相近時，有阻尼器的輸電塔架具有更好的疲勞性能。

袁俊等[22]對某大跨越輸電鋼管鐵塔進行了基于Davenport 風譜的隨機風荷載模擬，風振響應結果得出了塔上各點的加速度以及位移變化規律，最后比選了粘彈性阻尼器與調諧阻尼器的減震效果。李黎等[23]對加設橡膠鉛芯阻尼器的輸電鐵塔進行了基于不同風向角風荷載下的風振時程分析，得到了阻尼器的最佳布置位置以及橫、順線的風振變化規律。柳國環[24]考慮了導線幾何剛度時變的特性，對有無調諧質量阻尼器的單塔以及塔線體系的風振響應進行了分析。楊靖波等[25]分別對鋼管塔的順風向振動控制和微風振動控制分別提出采用TMD 粘彈性阻尼器和在結構上增加旋渦干擾裝置來減少鐵塔的風振響應，并驗證了其優異的耗能效果。

總的來說，對于輸電鐵塔的風振響應控制，主要采用不同材料的阻尼器或者從結構本身進行優化。然而，強風具有隨機性，按照傳統的抗風設計的結構不具備自我調節能力，不能及時作出相應調整。目前對于桿塔脈動風致響應的影響規律研究還不夠透徹。因此，需要創新更多輔助措施來減少鐵塔在風荷載下的振動與疲勞破壞，提高鐵塔結構穩定性，延長鐵塔壽命。

4 結論與展望

本文對輸電線路鐵塔的風振響應規律、疲勞性能以及風振響應控制措施的研究進展作了詳細闡述?？倎碚f，現有的研究已取得較多成果，但仍存在諸多不足，有待開展進一步的深入研究，主要包括以下幾個方面。

1）在風致振動控制研究方面，當前對于輸電鐵塔風致響應控制的研究工作都主要集中在各類材料的阻尼器的性能研究上。未來可側重于阻尼器的設計參數選取與布置位置的優化研究。

2）在風致疲勞壽命分析方面，輸電鐵塔導線和金具相關的風振疲勞，也是值得關注的問題。

3）現有的風荷載模擬研究，很多僅考慮豎直方向的風速空間相關性，而忽略了橫向的相關性。未來的研究，可以進一步研究對風載模型的調整以及風載數據庫的收集統計分析，以獲得各類不同風載工況下的風振特性。

4）用于減弱或者消除風振影響的結構措施，是否會影響原結構在其他工況下的安全性，有必要結合線路結構的具體特征開展相應的研究。