风载作用下输电塔—线体系结构安全性

丁康

四川电力设计咨询有限责任公司  四川 成都  610041

摘要：输电塔-线体系结构是电力传输和分配的重要组成部分，其安全性对于保障电力系统的稳定运行至关重要。然而，风载作用作为主要的外部荷载之一，对输电塔-线体系结构的安全性产生了显著影响。本文旨在探讨风载作用下输电塔—线体系结构安全性相关要点，以确保输电塔-线体系结构在风载作用下具备足够的安全性能。

关键词：风载作用；输电塔—线体系；结构安全性 

引言

风载作用下的输电塔-线体系结构是指在风力荷载的作用下，输电塔和电力线组成的整体结构。在风载作用下，输电塔-线体系结构需要满足结构稳定性和可靠性的要求。结构稳定性指的是输电塔-线体系结构在风载作用下能够保持平衡和稳定的能力，不发生失稳或倒塌。

1.风载作用对输电塔-线体系结构的影响机理

1.1 风速和风向的影响

风速和风向是影响风载作用的两个主要因素。在风速较大的情况下，风荷载会随之增加，增加的幅度与风速的平方成正比。此外，风向的变化也会导致风荷载的分布发生变化，从而影响输电塔-线体系结构的稳定性。

1.2 风荷载分布的特点

风荷载分布的特点是指在风载作用下，输电塔-线体系结构所受到的风荷载的分布规律。一般来说，风荷载分布呈现出非线性、不均匀和非对称等特点。其中，非线性表现为风荷载与风速的平方成正比；不均匀性表现为风荷载在不同位置上的大小不同；非对称性表现为风荷载在不同方向上的大小不同。

1.3 风-结构相互作用的效应

风-结构相互作用是指在风载作用下，输电塔-线体系结构与风之间发生的相互作用。这种相互作用会导致结构振动、变形和应力集中等现象，从而影响输电塔-线体系结构的稳定性和可靠性。其中，结构振动是风-结构相互作用的最主要效应之一，会导致结构的疲劳损伤和失稳现象[1]。

2.输电塔-线体系结构的结构稳定性分析

2.1 静力学特性的评估

静力学特性的评估是对输电塔-线体系结构在静态荷载作用下的行为进行分析。这包括对输电塔和电力线的受力情况、结构变形和应力分布等进行计算和评估。通过使用结构力学理论和有限元分析等方法，可以确定输电塔和电力线的稳定性，并评估结构的承载能力是否满足设计要求。

2.2 动力学特性的分析

动力学特性的分析是对输电塔-线体系结构在动态荷载作用下的响应进行研究。这包括对输电塔-线体系结构的固有频率、振型和振幅等进行分析和计算。通过考虑风荷载的激励作用，可以评估输电塔-线体系结构的振动特性，判断是否存在共振现象或其他动态稳定性问题。

2.3 结构失稳和破坏的可能性

在结构稳定性分析中，需要考虑输电塔-线体系结构的失稳和破坏可能性。输电塔-线体系结构在受到外部荷载作用时，可能会出现失稳现象，如屈曲、侧扭等，导致结构的破坏或倒塌。通过对结构的强度和稳定性进行评估，可以判断输电塔-线体系结构的安全性，并提出相应的设计改进措施，如增加支撑、加固关键部位等[2]。

3.输电塔-线体系结构的可靠性评估

3.1 长期风载作用下的结构可靠性分析

输电塔-线体系结构在长期运行中面临着多种外部环境的影响，其中风荷载是最主要的因素之一。因此，长期风载作用下的结构可靠性分析是评估输电塔-线体系结构可靠性的重要环节。该分析需要考虑输电塔-线体系结构在不同风速下的稳定性和承载能力，并通过概率模型和统计方法来计算其可靠性指标。

3.2 失效和破坏的概率评估

输电塔-线体系结构在长期运行中可能会出现失效和破坏现象，如杆塔的倾斜、断裂、腐蚀等，电线的断裂、跳线的脱落等。因此，需要对输电塔-线体系结构的失效和破坏概率进行评估。该评估需要考虑输电塔-线体系结构的材料、设计、制造、安装、维护等多方面因素，并通过概率模型和统计方法来计算其失效和破坏概率。

3.3 可靠性指标和要求的确定

可靠性指标和要求是评估输电塔-线体系结构可靠性的重要依据。可靠性指标包括失效概率、可靠度、故障率等，可靠性要求则根据输电塔-线体系结构的应用环境和重要性进行确定。例如，在高风速、海拔较高或地震多发区域，可靠性要求会更高。通过确定可靠性指标和要求，可以为输电塔-线体系结构的设计、制造、安装和维护提供依据，以确保其长期运行的可靠性和安全性。

4.风载作用下输电塔-线体系结构的安全评估方法

4.1 风荷载计算方法

风荷载是输电塔-线体系结构在风速作用下所承受的力量，准确计算风荷载对于安全评估至关重要。常用的风荷载计算方法包括静风法、动风法和概率方法。

静风法是基于静力学原理，将输电塔-线体系结构简化为刚性杆件，根据风速和结构形状计算出单位长度上的风荷载，并根据结构的几何特征和风速分布确定整个结构的风荷载。

动风法考虑了输电塔-线体系结构的动态响应，通过数值模拟或实验测量得到结构在不同风速下的振动特性，并根据振动特性计算出相应的风荷载。

概率方法是基于统计学原理，通过分析历史风速数据和结构的可靠性要求，计算出不同概率水平下的风荷载。

综合使用这些方法，可以得到更准确的风荷载计算结果，为后续的结构分析和安全性评估提供依据。

4.2 结构分析和模拟技术

结构分析和模拟技术是评估输电塔-线体系结构在风荷载作用下的响应和稳定性的重要手段。常用的结构分析方法包括有限元分析、模态分析和动力响应分析。

有限元分析是一种数值计算方法，将输电塔-线体系结构离散为有限个小单元，通过求解结构的位移、应力和变形等参数，得到结构的响应情况。

模态分析是研究结构的固有振动特性，通过求解结构的固有频率和振型，了解结构在不同频率下的响应特性。

动力响应分析考虑了结构的动态响应，通过考虑风荷载和结构的阻尼特性，计算出结构在风荷载作用下的响应。

通过结构分析和模拟技术，可以评估输电塔-线体系结构在风荷载作用下的稳定性、振动响应和变形情况，为安全性评估提供依据。

4.3 安全性评估指标的制定

安全性评估指标是评估输电塔-线体系结构在风荷载作用下的安全性的重要依据。常用的安全性评估指标包括结构的可靠度、失效概率和安全系数等。

可靠度是指结构在一定设计寿命内正常运行的概率，通过考虑结构的风荷载、材料强度、制造工艺和维护状况等因素，计算出结构的可靠度。

失效概率是指结构在一定时间内发生失效的概率，通过考虑结构的风荷载、材料强度和结构的失效模式等因素，计算出结构的失效概率。

安全系数是指结构的承载能力与风荷载之间的比值，通过将结构的承载能力与风荷载进行对比，确定结构的安全系数。

通过制定合理的安全性评估指标，可以对输电塔-线体系结构的安全性进行评估，并采取相应的措施来提高结构的可靠性和安全性。

5.输电塔-线体系结构的安全设计与改进措施

5.1 结构优化和加固方案

在输电塔-线体系结构的设计过程中，可以采用结构优化和加固方案来提高其安全性。结构优化可以通过有限元分析等方法，对输电塔-线体系结构进行优化设计，使其在风荷载、地震荷载等外部作用下具有更好的稳定性和承载能力。加固方案可以针对已经存在的输电塔-线体系结构，通过增加支撑物、加强连接节点等方式，提升其整体强度和稳定性[3]。

5.2 材料选择和施工要求

在输电塔-线体系结构的设计和建设过程中，材料选择和施工要求也是确保其安全性的重要因素。首先，应选择高强度、耐腐蚀、耐候性好的材料，例如优质钢材，以保证输电塔-线体系结构的耐久性和抗风能力。其次，在施工过程中，应严格按照设计要求进行施工，确保连接节点的牢固性和整体结构的稳定性。

5.3 监测与维护策略

为了及时发现输电塔-线体系结构的潜在问题并采取相应的维护措施，需要建立有效的监测与维护策略。监测可以利用传感器、监测设备等技术手段，对输电塔-线体系结构的位移、振动、应力等参数进行实时监测，并通过数据分析判断结构的健康状态。维护策略包括定期巡检、维护保养和紧急修复等措施，以确保输电塔-线体系结构的长期稳定运行。

6.结束语

综上所述，风载作用对输电塔-线体系结构的安全性具有重要影响。为了确保结构的稳定性和可靠性，在设计和评估过程中需要考虑风速、风向等因素对风荷载的影响，以及风-结构相互作用的效应。同时，需要进行静力学和动力学特性的评估，以及长期风载作用下的结构可靠性和失效破坏概率的评估。安全评估方法包括风荷载计算、结构分析和模拟技术，以及确定安全性评估指标。安全设计和改进措施涉及结构优化、材料选择和施工要求，以及监测和维护策略。通过综合考虑这些因素，可以提高风载作用下输电塔-线体系结构的安全性。

参考文献

[1]张成. 风载作用下输电塔—线体系结构安全性研究[D].东南大学,2019.

[2]周丹羽,薛春林,唐现梓等.考虑脉动风荷载作用的大跨越输电塔线体系风致响应分析[J].电工技术,2022(13):48-52+57.

[3]王东东,周超,马御棠等.架空输电塔线体系有限元建模及风载分析[J].电工技术,2022(05):132-137.

作者简介：丁康（1989），男，汉族，四川遂宁人，硕士研究生，高级工程师，主要从事输电结构设计及研究