浅谈输电塔结构的动力稳定性

陈晓祥

陈晓祥

（江西恒泰电力勘测设计有限公司330096）

摘要：随着科技进步和国民经济的迅速发展,高压、超高压输电方式已成为当今电力供应的主要发展模式。据国家电力规划部门预测,2020年前我国将建成超过7000km的高压输电线路。作为高负荷电能输送载体的重要组成部分,高压输电塔的破坏不仅会导致供电系统的瘫痪,造成重大的经济损失,同时还可能会引发火灾等次生灾害,给人民群众的生命财产造成重大威胁[2]。统计资料显示,输电塔的破坏有很大一部分是由于风荷载下杆塔的动态侧倾失稳造成的,而现行规范中并未考虑风荷载的动力效应。针对这种情况,对输电塔的风荷载作用下的动力稳定性的研究就显得十分必要和迫切。

关键词：输电塔结构动力稳定性

1稳定性的判定准则

结构的稳定性问题有多种定义方法,一般来讲,如果结构在微小的荷载增量下产生了较大的响应变化,则认为结构发生了失稳或屈曲。从数学上来说,结构在荷载作用下出现的屈曲可转化为平衡方程的多值性问题,属于定态分叉问题[6]。结构稳定性的判定准则,目前普遍采用的是能量准则,该方法是考察包括结构变形和外荷载在内的力学系统的总势能C,如果C达到最小,则结构就是稳定的。从数学意义上就是考察总势能C二阶变分的符号。若W2C>0,则结构是稳定的;W2C=0时,结构处于临界状态;W2C<0时,结构处于失稳状态。

Budiansky-Roth准则。

B-R准则最早由Bu-diansky和Roth[7]在研究球壳跳跃屈曲问题时提出。该准则可表述为:如果结构在微小荷载增量下引起剧烈响应变化,则认为结构屈曲。这个准则建立在物理直观上,在数值计算中比较容易实现。

位移相等准则。

雅库勃夫[8]在讨论爆炸波作用下的土中圆柱壳的屈曲问题时采用了该准则。该准则利用静动力屈曲位形相同的基本假设,认为结构受动力作用产生的位移与相应的静力屈曲位移相等时,结构就发生屈曲。

动态增量法(IDA)。

该方法通过计算不同强度动力荷载下结构的动力响应,得到相对于荷载参数的结构特征响应,研究荷载参数与结构特征响应之间的关系来判断结构的动力稳定性[9]。

本文基于有限元软件ANSYS的结构分析模块,采用APDL语言,对沈阳某高达75.9m的输电塔进行非线性屈曲分析和不同强度水平脉动风激励下的时程分析,根据得到结果,采用Budiansky-Roth准则和动态增量法(IDA)结合位移相等准则,对该输电塔的动力稳定性进行研究。

2有限元模型的建立

考虑到输电塔结构在实际工作中各杆件均要承担不同大小的剪力和弯矩,而且结构具有较强的几何非线性,故输电塔各杆件均采用可自定义截面形状的BEAM188梁单元模拟。该单元建立在Timo-shenko梁分析理论基础上,考虑了剪切效应和大变形效应。本文利用理想弹塑性模型来模拟钢材的非线性行为。塔体主材和横担主材采用Q345钢材,塔体斜材、横隔面材及其他辅助材均选用Q235钢材。Q345和Q235的屈服强度分别为310MPa和215MPa,两种钢材的弹性模量和泊松比相同,均为206E+11Pa和0.3。

整个输电塔共划分为2082个单元,产生2886个节点,约束底部4个节点的所有自由度,不考虑地基与输电塔结构间的相互作用,有限元模型见图1。

3输电塔结构的动力稳定性研究

IDA法分析的一个比较关键的因素在于特征响应的确定,特征响应要能较好反映结构在整个时间历程中的位形。根据输电塔的结构特点,输电塔顶节点位移响应大,能较好反映各阶模态控制下的结构响应,故本文选用输电塔顶1927号节点(见图1标示)在整个时程中的最大位移响应作为特征响应。为得到结构在各级风荷载的特征响应,用谐波叠加法模拟了平均风速分别为15、20、25、30、35、40、42m/s的输电塔各分段高度处的脉动风速时程,通过ANSYS,对结构在各级模拟风速下前50s的时程响应进行了分析,图4为40m/s脉动风作用下结构50s的位移响应时程曲线。

图240m/s脉动风作用下特征响应点(1927号)的位移时程曲线

根据各风速下的时程分析,即可求出结构的特征响应,图3为结构特征响应点位移与风速的关系曲线。由图3可以明显看出,结构在40m/s的脉动风作用下,曲线已经趋于水平,而且特征响应点(1927号)的最大位移达1.12m,已经非常接近非线性屈曲分析中结构屈曲时相应节点的位移(1.35m)。当对结构进行42m/s脉动风作用下的时程分析时,在程序进行了2s的时程计算后,结构产生了较大位移,程序提示结构约束不足或者已经发生屈服,显然此时结构已经失去承载能力。图中最后一个点是42m/s风速下结构在前2s内的特征响应,其值为2.264m,根据位移相等准则可知,此时结构已经发生动力失稳。

图3特征响应点位移与风速关系的曲线

结语：作为一种重要的生命线工程,输电线路的破坏会造成巨大的经济损失。统计显示,风荷载作用下输电塔结构的动态侧倾失稳是输电线路经常发生的破坏形式之一。因此,对风作用下输电塔结构的失稳破坏进行研究有着十分重要的意义。本文应用谐波叠加法模拟脉动风场,分别采用Budiansky-Roth准则和动态增量法(IDA)结合位移相等准则这两种方法,基于ANSYS的非线性屈曲分析和时程分析模块,某输电塔的抗风动力稳定性进行了研究。结果表明,风的动力特性对结构稳定性影响较大,现行规范中按等效静力风荷载进行计算是偏于不安全的。

参考文献

[1]李宏男,白海峰.高压输电塔—线体系抗灾研究的现状与发展趋势[J].土木工程学报,2007,40(2):39-46.

[2]胡大柱,李宏男.格构式输电塔组成杆件对极限承载力影响的研究[J].世界地震工程,2004,20(3):50-55.0

[3]何艳丽.桅杆结构的动力稳定性分析[D].上海:同济大学,1999.