500kV输电铁塔抗震设计及振动台试验

廖媛媛

摘要：新形势下，电力工程建设对提高我国社会发展质量和促进人民生活水平提高具有重要意义。作为电网的重要组成部分，输电线路的倒塌及毁坏会直接导致电网的瘫痪。其中，地震所导致的输电线路的破坏主要是由于输电铁塔倒塌引起的，而地震所引起的泥石流等次生灾害是导致输电铁塔倒塌的直接原因，如汶川地震等均证实了这一现象。因此，本文以500kV输电线路铁塔为研究对象，采用了时程分析法对高压输电线路铁塔在三种地震波作用下结构构件地震反应。

关键词：高压；输电线路；地震；时程分析

1、引言

伴随着社会经济的发展，社会对于用电需求持续扩大。因此不断提高电压等级，提升系统输送潮流功率，逐步变成重要的电力传输方式。高压输电线路已然成为国家电力系统的重要组成部分，其安全稳定运行与否会对国家电力系统安全产生直接影响。为此，应时刻关注同高压输电线路运行状况，及时检测线路故障，确保高压输电线路稳定、安全运行。

我国现已形成的长距离输电电网网架对最大限度地降低输电铁塔在地震灾害下所造成的破坏和损失提出了更高要求，为实现“小震不坏、中震可修、强震不倒”的抗震设防目标，有必要对输电铁塔进行强震作用下的抗灾能力分析，以便在优化输电铁塔结构设计的同时，提高电网的抗灾能力。

2、高压输电铁塔结构组成部分及设计现状

2.1高压输电铁塔结构组成部分

目前国内绝大部分输电铁塔的设计采用了整体空间桁架法计算模型，所谓整体空间桁架法，就是指把整个塔架当成超静定空间体系，所有节点都当做理想的铰节点，这样做的结果就是所有的主材、斜材、横材及辅助材只承受轴向力作用。主材为输电铁塔的主要受力杆件，其截面和刚度一般要比斜材及辅助材大得多。

常见的输电线路铁塔的结构分为三个部分，塔头、塔身和塔腿，这个分类方式是依据人们在空间上对铁塔的感官认识区分的。如果根据不同的分类方式，输电线路铁塔的结构还可分为其他多种类型，比如按照输电线路铁塔的形状来分的话，可分为上字塔、拉线塔、酒杯塔、门型塔、羊角塔、猫头塔等等；按照输电线路铁塔的用途来分的话，可分为直线塔、转角塔、换位塔、耐张塔和跨越塔等等。虽然名称各不相同，这些输电线路铁塔在结构设计方面却遵循相同的原则，也有着相同的结构特点。

2.2高压输电铁塔结构设计的现状

随着电力能源的广泛使用，电力能源的输送设备也发展迅速，在我国利用架空输电线路进行电力能源的输送已经成为电力能源输送的主要方式。但是随着我国经济的迅速发展和科学技术的不断进步，人们对于电力能源的需求越来越大，电力行业在发展的过程中逐渐趋向于大型化、复杂化的方向。随着电能的需求不断增加，电能的储量也逐渐增加，发电厂与用电单位之间的距离也越来越远，这样一来对于电力的输送建设也要求更高的技术，对于输电线路铁塔的设计要求也越来越严格。在电力能源的输送中，输电线路铁塔可谓是最重要的组成部分，在电力的输送中发挥着重要的作用，其结构及各项设计都关系着输电线路正常运行的安全性和可靠性。但是在实际的生产和设计中，输电线路铁塔的结构设计却面临着许多问题，不仅要考虑输电线路所经区域的气候条件、沿线地形等外界条件，输电线路铁塔的设计还要考虑被输送电力能源的电压等级等等，这些因素都影响着输电线路铁塔的设计、施工以及运行。随着电力行业的不断发展，电力系统越来越庞大，输电线路也越来越复杂，在进行输电线路铁塔结构设计时，设计人员需要考虑更多的因素，做好每一个细节才能保证输电线路铁塔的质量和性能。

3、高压输电铁塔抗震分析

3.1时程分析法

在对输电铁塔的地震反应进行计算分析时，由于地震运动是一个复杂的时程过程，并且在输电铁塔结构上还有恢复力和阻尼力作用，均随铁塔结构刚度的变化而变化，故本文采用时程分析法这一较为精确的分析方法来计算铁塔的地震反应。即通过求解结构物模型的振动微分方程，得出结构物在载荷作用下每个时间点上响应大小的方法。本文主要在结构静/动力非线性分析软件SNAP中进行计算分析，主要采用线性加速度法和Newmark-β法求解结构物的动力方程。

3.2地震波的选取

计算时地震波的选取主要参照国标的相关规定，同时参考了日本建筑学会相关地震波的选取标准。即以罕遇地震加速度时程分析曲线的最大峰值为510cm/s2作为时程分析的地震波标准。

所选取的三条典型地震波均为天然地震波，第一条是ELCENTRO1940NS地震波，最大加速度值为341cm/s2，时间间隔为0.02s，计算时长为54.7s；第二条是HACHINOHE1968NS地震波，最大加速度值为225cm/s2，时间间隔为0.02s，计算时长为53s；第三条是TAFT1952EW地震波，最大加速度值为175.95cm/s2，时间间隔为0.02s，计算时长为35s。

3.3恢复力模型

输电铁塔主要由角钢、螺栓等组成，本文在计算分析其中地震波作用下的反应时，采用弹塑性分析法处理铁塔这类杆系单元非线性恢复力的本构关系和数量庞大的结构单元及变形自由度，以获得准确高效的计算结果。

对于描述杆件单元的单向弯曲、剪切、轴向伸缩等各变形分量的力和变形关系，计算时采用单轴弹簧模型及精细三折线恢复力模型，如图1所示。

图1精细三折线恢复力模型

采用多弹簧模型（Multi-spring，简称MS）来表达柱单元的弯曲和轴向变形特性，模拟双向受弯和轴向荷载之间的相互作用。MS模型或单元由一组表达钢筋材料刚度的轴向弹簧组成，将每一个弹簧定义为轴向力和轴向变形的关系。假定所有的弹簧变形后仍保持平截面，以此来建立MS单元的转动变形和轴向变形同每个弹簧变形之间的关系。

杆单元具有线性弹性弯曲变形，还可以考虑弹塑性剪切变形。精细三析线的恢复力模型如图2所示。

图2精细三折线恢复力模型

4、高压输电铁塔地震反应结果分析

将三条地震波沿输电铁塔的X方向输入进行时程分析，主要对铁塔整体结构的最大层相对位移、最大层相对速度、最大层加速度、最大层间变形、最大层间剪力、最大层剪切系数、最大倾覆弯矩和最大层间变形角等性能指标进行对比分析。

为三条地震波作用下的输电铁塔的最大层剪力和最大层剪切系数。ELCENTRO1940NS波响应的最大值为157.79kN，说明ELCENTRO1940NS波对铁塔结构的底层剪力影响最大。铁塔顶层的最大剪切系数为18.41，说明地震时对铁塔顶层的响应比较大，尤其是柔性结构反应更加明显。

为三条地震波作用下输电铁塔的地震波能量图。Ei为输入地震能量；Ek为动能量；Es为应变能量；Ed为结构阻尼耗散能量。ELCENTRO1940NS波和HACHINOHE1968NS波的输入地震波在40s时能量值为40kN•m，TAFT1952EW波的能量值比较弱。显然，铁塔地震波能量图的计算结果再次证明了ELCENTRO1940NS地震波和HACHINOHE1968NS地震波作用下的地震响应对铁塔结构影响较大。

为铁塔节点36-40斜材的轴力塑性率和累积塑性率。这部分斜材在ELCENTRO1940NS地震波和HACHINOHE1968NS地震波作用下的塑性率均为12，已经超出国标允许值4的三倍以上，属于严重损伤构件。此外，ELCENTRO1940NS地震波作用下的铁塔累积塑性率远远超过HACHINOHE1968NS地震波作用下的铁塔累积塑性率，大小约相差两倍左右。

5、结束语

对于500kV高压输电铁塔结构来说，极易在地震作用下产生较大的结构内力，导致其结构破坏并引发倒杆/塌、断线等事故。为进一步理解和掌握输电铁塔在地震作用下的响应特性，提升输电线路的抗震容灾能力，通过建立典型输电铁塔的仿真模型，采用时程分析法对三种地震波作用输电铁塔构件层面的地震反应进行了精细化分析，对输电铁塔构件层面的地震反应结果能更为清晰地描述其特性，如铁塔最大层间变形的位置及其对不同地震波的反应特征、地震对铁塔顶层的影响最大等，从而为减震措施的合理选取提供重要依据。

参考文献

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作者简介

廖媛媛（1981-）女，汉族，大学本科，工程师，主要从事输电线路结构设计工作。