高壓輸電線路桿塔結構抗震性能研究

梁楓 崔寒珺

摘要：在輸電線路體系中，高壓輸電線路桿塔結構尤為重要，相較于其他電力設備，其具有諸多方面的特點，主要體現在高度、跨度、柔性、耦合作用等方面，隨著此類裝置的增加，關于其抗震性的研究逐漸深入。因此，本文通過結合實例的方式，對高壓輸電線路桿塔結構的抗震性能展開研究，首先分析了導致線路桿塔受損的地震災害，其次針對桿塔結構建立分析模型，在此基礎上，分析了其動力特性，最后分析了桿塔結構在地震作用下的內力，并輔以數據佐證。希望通過研究，為相關行業提供借鑒。

關鍵詞：高壓輸電；桿塔結構；抗震；性能

DOI：10.12433/zgkjtz.20241251

一、輸電線路地震災害分析

地震發生后線路受損，其主要原因是線路設防烈度低于地震烈度，處于地震斷裂帶處的線路受到的影響最為嚴重。國內外因地震而出現的輸電線路桿塔損壞的現象屢見不鮮。

因地震帶來的次生災害，同樣是導致輸電線路和桿塔受損的重要原因，如泥石流、山體滑坡等。調查結果表明，若輸電桿塔所處位置較為有利，其在遭受嚴重地震時受到的損害更小。為此，應將線路的重要性作為依據，同時兼顧成本，在路徑和塔位的選擇上，以有利位置為標準，以此規避或降低次生災害對輸電線路的影響。

二、分析模型

（一）對象

本次研究以某地區高壓輸電線路工程中使用的桿塔為研究對象，主要分為兩類：單回耐張塔和直線塔。假設桿塔所處的環境，風速為每秒25m、覆冰厚度為10mm、導線截面積為4×JL/G2A-720、地線-OPGW-150、ZVB7102對中相V串加以應用。同時，設置酒杯型桿塔，其導線排列方式以水平排列為主，其中，水平檔之間的距離為450m，垂直檔之間的距離為600m，塔的重量為30t。單回耐張塔屬于干字型鐵塔，其水平檔之間的距離為500m，處置擋距離分別為550m和150m，塔高39m，重量為45t。

（二）參數

本研究在分析桿塔結構抗震性能的過程中，應用的軟件為STAAD，該軟件在國內外均被廣泛應用，考慮到鐵梁桁模型比較符合受力狀態下的鐵塔，故將其作為模型選擇。值得注意的是，在計算動力特性的過程中，不會對地線重量進行計算。簡言之，就是忽視線路導地線對桿塔結構抗震性能提供的有利作用。在計算方法的選擇方面，以振型分解反應譜法為主，其中，桿塔內各項參數指標如下所述：

1.鋼材彈性模量：2.06×105N/mm2。

2.剪變模量：7.9×104N/mm2。

3.密度：7850kg/m?。

4.阻尼比：0.03。

（三）荷載組合

在荷載組合上，考慮地震作用效應組合的過程中，主要依據架空輸電線路桿塔結構設計技術規定完成荷載組合。在考慮地震作用時，將電力設施抗震設計規范作為依據，其中，風荷載、活荷載組合系數的取值分別為0.2和0.35，承載力抗震調整系數的取值0.8，若桿塔處在不利位置，則該取值會增加到1.3。

三、桿塔動力特性分析

在開展振動研究前，需要對結構動力特性進行詳細分析，同時，分析結果還能為地震響應分析提供數據支持。在分析桿塔周期和振型后，可明確桿塔剛度的分布狀態，在此基礎上，即可定位桿塔的薄弱處。該軟件完成模態分析，技術人員可掌握桿塔的自振周期和振型，酒杯型和干字型桿塔的特點如下：

（一）酒杯型桿塔

階數1：頻率為1.446Hz；周期為0.69s；振型描述：縱向彎曲振動。階數2：頻率為1.452Hz；周期為0.68s；振型描述：橫向彎曲振動。階數3：頻率為2.126Hz；周期為0.47s；振型描述：豎向扭轉振動。階數4：頻率為4.713Hz；周期為0.21s；振型描述：縱向彎曲振動。階數5：頻率為4.723Hz；周期為0.215s；振型描述：橫向彎曲振動。階數6：頻率為6.8513Hz；周期為0.146s；振型描述：豎向扭轉振動。

（二）干字型桿塔

階數1：頻率為2.4063Hz；周期為0.413s；振型描述：縱向彎曲振動。階數2：頻率為2.4073Hz；周期為0.415s；振型描述：橫向彎曲振動。階數3：頻率為3.7813Hz；周期為0.264s；振型描述：豎向扭轉振動。階數4：頻率為5.0193Hz；周期為0.196s；振型描述：縱向彎曲振動。階數5：頻率為5.432Hz；周期為0.181s；振型描述：橫向彎曲振動。階數6：頻率為6.132Hz；周期為0.161s；振型描述：豎向扭轉振動。

通過上述參數可知，兩種桿塔在第一階時，在振型上具有相似特征，均以縱向平動為主，由此可見，桿塔縱向剛度偏低，而扭轉在3個階段出現，且扭轉周期與平動周期之間存在顯著差距，說明桿塔抗扭轉度良好。6個階段內，局部振動振型均未出現，表明上述桿塔剛度分布均勻程度較好，整體性能優越，在地震發生后，桿塔不易因薄弱部件受損而受到影響。但是，由于干字型桿塔存在跳線架，結構對稱效果不佳，導致相同振型中對稱桿件的振幅存在明顯差異，具體表現為地線支架側的振幅更大。

四、桿塔結構抗震性能分析

為降低分析難度，更直觀地了解桿塔在地震作用下的狀態，在表示地震作用對桿件影響程度時，應用公式：

β=SE/S0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 式（1）

式（1）中，地震組合下桿件內力由SE表示；未發生地震時，桿件內力由S0表示；若β值較大，則表明桿件受到地震的影響較為嚴重，反之亦然。如果β值超過1，則表示地震作用會完全控制桿塔內力。

（一）酒杯型桿塔

酒杯型桿塔桿件數量為350根，為明確桿塔在不同地震作用下的受力情況，對三類地震水準、地震烈度和四類場地下的內力加以計算，最終得到β值，用于反映桿塔內部桿件的受力情況。β值的大小，與場地類別之間存在密切關系，具體表現為場地類別越高，β值越大。而桿件內力的受影響程度，與抗震烈度息息相關，而場地類別的影響程度最小。具體情況如下：

1.抗震烈度

酒杯型桿塔結構，其主材結構的β值不超過1，在7度時，β值處在0.3281～0.3391之間；8度時處在0.3631～0.3852之間；9度時處在0.4～0.5之間。

塔身斜材在7度時，β值處在0.07～0.25之間；在8度時，β值處在0.09～0.33之間；9度時，β值處在0.12～0.49之間。

上下曲臂桿件：其β值均低于1，其中，在7度時，曲臂主材的β值處在0.06～0.07之間內；在8度時，曲臂主材的β值處在0.1～0.62之間；在9度時，曲臂主材的β值處在0.16～0.66之間。

邊導線主材：其β值均低于1。其中，主材的β值，處在0.4～0.5之間，上下面斜材為0.18～0.28之間。地震組合會對正面部分的斜材內力給予控制，其值處在1.0～1.2的范圍內。

中導線衡梁桿件：其β值均低于1。其中，主材的β值處在0.33～0.42之間，斜材為0.09～0.70之間。

地線支架桿件：β值均低于1。其中，主材的β值處在0.15～0.31之間，斜材為0.02～0.27之間。

瓶口橫隔面桿件：β值處在0.3～0.5之間，斜材為1.25～4.2之間，由于斜材內力較小，選擇桿件材料時需要依據長細比。

2.設防地震水準

在設防地震水準下，地震烈度和場地類別均會對β值產生影響，主要表現為β值會隨著二者的提高而增加，其中，抗震烈度對桿件的影響顯著高于場地，具體情況如下：

主材結構的β值不超過1，在7度時，β值處在0.39～0.46之間；8度時處在0.45～0.57之間；9度時處在0.58～0.75之間。

塔身斜材在7度時，β值處在0.1～0.4之間；8度時，β值處在0.15～0.60之間；9度時，β值約為1.05。在選擇其余桿件材料時，可以不考慮地震情況。

上下曲臂桿件：其β值均低于1，在7度時，曲臂主材的β值處在0.30～0.55之間；8度時，曲臂主材的β值處在0.38～0.59之間；9度時，曲臂主材的β值處在0.52～0.82之間。

邊導線主材：其β值均低于1。其中，主材的β值處在0.49～0.55之間，上下面斜材在0.20～0.38之間。地震組合會對正面部分的斜材內力給予控制，其值處在1.02～1.69范圍內。由于斜材內力較小，選擇桿件材料時需要依據長細比。

中導線衡梁桿件：7～8度時的β值均低于1。其中，主材的β值在0.36～0.76之間，斜材在0.10～0.84之間。但在9度時，上平面部分斜材的β值均會超過1，達到1.4，但選擇桿件材料時，不會受地震組合的影響。

地線支架桿件：β值均低于1。其中，主材的β值在0.5～0.98之間，斜材在1.54～9.9之間。

瓶口橫隔面桿件：β值處在0.4～0.87之間，斜材在1.54～9.9之間。由于斜材內力較小，選擇桿件材料時，需要將長細比控制作為依據。

在罕遇地震水準下，地震烈度對β值的影響最嚴重，具體情況如下：

7～8度時，主材結構的β值不超過1。塔身斜材在7度時，β值處在0.16～0.65之間；8度和9度時，地震工況會對內力選材造成影響。β值超過1。

上下曲臂桿件：其β值在7～8度時均低于1；9度時，曲臂主材的β值約為1.08。

邊導線主材：其β值均低于1。其中，主材的β值處在0.5～0.56之間，上下面斜材為0.25～0.6之間。地震組合會對正面部分的斜材內力給予控制，其值處在1.17～2.06的范圍內。由于斜材內力較小，選擇桿件材料時，需要依據長細比。

中導線衡梁桿件：主材的β值處在1.17～2.05之間，斜材為0.12～0.9之間。但在8或9度時，上平面部分斜材的β值均會超過2，但由于桿件內力較小，故選材時，主要依據長細比。

地線支架桿件：β值均低于1。其中，主材的β值處在0.19～0.46之間，斜材在0.06～0.47之間。

瓶口橫隔面桿件：在7～8度時，β值處在0.47～0.87之間。

計算酒杯型桿塔在地震作用下的內力后得知，該塔與抗震設計要求吻合。其中，桿塔的抗震薄弱部位分別為瓶口、橫隔面和腿部斜材處。因此，在設計上述部位的過程中，需要增加角鋼規格的等級，并通過應用連接構造措施，保證抗震效果。

（二）干字型轉角塔

該塔共有550個桿件，為對其在各種條件下的受力情況進行分析，本文分別計算兩種地震水準下桿塔的桿件內力。

1.多遇地震

在多遇地震條件下，β值的大小與地震烈度和場地類別存在直接關聯，其中，前者的影響程度遠大于后者。具體情況如下：

塔身主材和斜材的β值均小于1，其中，前者處在0.6～0.85之間；后者處在0.2～0.62之間。

地線主材、上下平面斜材：β值均小于1。其中，前者處在0.16～0.65之間，后者處在0.05～0.63之間。在地震組合的影響下，地線內部分斜材內力較大，其β值超過1.3，由于桿件內力偏小，選擇桿件材料時，依然以長細比為主。

導線橫擔主材：β值處在0.4～0.89之間。其中，地震組合會對部分斜材產生影響，故此部分斜材，β值較大，最大值為3.9，最小值超過1。但因桿件內力表達，依然以長細比為標準選擇桿件材料。

2.設防地震

在此條件下，β值的大小同樣與地震烈度和場地類別有密切關系。其中，前者的影響程度更高。具體情況如下：

變坡點和下塔身的主材和斜材β值均小于1；導線地線橫擔和跳線主材的β值均小于1；9度設防地地震下，部分橫隔面的內力與地震工況存在關聯，β值處在1.07～1.11之間。

五、結論

綜上所述，本文研究結果表明，在對高壓輸電線路桿塔進行抗震設計的過程中，要明確桿塔的抗震性能，并依據計算結果選擇合適的桿件材料。通常情況下，桿件內力與地震烈度和場地類別息息相關。其中，前者的影響程度遠大于后者，為此，建議設計人員對此類情況給予高度重視。

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