山区输电塔 -线体系风振响应与控制有限元分析

山区输电塔 -线体系风振响应与控制有限元分析

匡晓龙 钟华兵

中国电建集团江西省电力建设有限公司 江西 南昌 330001

摘要：本文针对山区地线输电线路建立了两塔三线体系有限元模型，对塔-线体系的输电塔模型进行了模态分析，模拟了风荷载时程并将其对塔-线体系进行加载，分析了风荷载作用下输电塔的风振响应以及粘弹性阻尼器对输电塔风振响应的控制效果。结果表明，脉动风的影响使输电塔有明显的风振响应，将阻尼器布置在塔身主材对输电塔风振响应有很好的控制效果， 其减振率最大可达到39%。

Finite element analysis on wind-induced vibration and its control of transmission tower-line system in mountainous area

Kuangxiaolong Zhonghuabing

(Jiangxi Electric Power Construction Corporation Limited, Nanchang 330001)

Abstract：In this paper, a finite element model was established for a real transmission line containing two transmission towers and three spans of lines in mountainous area. The modal analysis of the towers in transmission tower-line system and time-history simulation of the wind were performed. Further, the wind-induced vibration of the towers in transmission tower-line system and the vibration effect of the viscoelastic dampers were analyzed.The results show that the transmission towers have obvious vibration under the action of the fluctuating wind. The viscoelastic dampers fixed on the main members of the towers have a good control effect on the wind-induced vibration for the transmission tower, and the maximum vibration control effect can reach approximately 39%.

Keywords: transmission tower-line system; mountainous area; wind-induced vibration; vibration control

传统输电线路设计中，通常将输电线与塔结构分开，把输电线荷载作为静载施加于输电塔上进行计算。然而，当输电线路在风等荷载作用下，输电线的振动会产生较大的动张力并传递到塔结构上，与作用在塔的荷载叠加使塔结构发生很大幅度振动，而塔的振动又会引起输电线悬挂位置的位移，进而使得输电线动张力发生变化，形成输电塔-线体系的耦合振动。理论与试验结果表明，输电线的存在对塔结构的风振响应影响很大^[1-4]，有必要在输电塔-线体系中全面了解塔结构的风振响应状况。通过振动控制抑制风振响应，是结构抗风设计的一种有效方法^[5,6]。根据振动控制是否需要外部能量，可分为被动控制、主动控制和半主动控制^[7]。现阶段输电塔的振动多采用被动控制的方式，包括粘弹性阻尼器^[8]、磁流变阻尼器^[9]、形状记忆合金阻尼器^[10]、调谐质量阻尼器^[11]等。其中，粘弹性阻尼器通过粘弹性材料的滞回耗能特性，将结构的振动能量转化为热量而耗散能量以实现降低结构振动幅值的目的，具有装置简单、材料经济等特点，比较适合于输电塔结构的应用。

本文利用ANSYS软件，针对南方山区某输电线路段建立塔-线体系有限元模型，通过功率谱密度函数模拟风荷载，考察塔结构的风振响应情况。在此基础上，建立粘弹性阻尼器有限元模型，分析粘弹性阻尼器对输电塔风振响应的控制效果。

1 输电塔-线体系建模与动特性分析

输电线路耐张段位于山区，地面粗糙度B类，其断面图如图1所示。输电塔构件以Q345等边角钢为主材，Q235等边角钢为辅材；输电线为4分裂输电导线，型号LGJ-400/35，地线为GJX-80。

对输电塔-线体系进行有限元建模，其中输电塔采用ANSYS软件的BEAM188模型，考虑其几何非线性；输电导/地线采用LINK10进行模拟，将4分裂导线按参数等效的原则等效为单导线；绝缘子串则采用LINK8单元进行建模。边界上，输电塔底部固接，输电线与绝缘子串间铰接、绝缘子与输电塔结构间铰接，模型两端输电线通过绝缘子串铰接在相应耐张塔的悬挂点位置。建立的两塔三线有限元模型如图2所示，垂直于线路方向为X方向，沿线为Y方向，竖直为Z方向。

图2 输电塔-线体系有限元模型

图3和图4分别为I#塔和II#塔的1阶模态与振型，I#和II#塔的1阶振型均为沿线方向（Y方向）的塔身弯曲振型，频率分别为1.925Hz和1.841Hz。

图3 输电塔-线体系中I#塔1阶模态与振型

图4 输电塔-线体系中II#塔1阶模态与振型

2 风荷载的数值模拟

根据线路所在地区10m高度处的基本风压为0.45kN/m²，海拔高度46.7m，地面粗糙度取为0.16^[12]，可得到10m高度的平均风速为 26.83 m/s。平均风速廓线按指数律，则可由式(计算获得各高度 的平均风速 。

(1)

利用谐波合成法模拟单个脉动风速时程，功率谱密度函数模型采用Davenport脉动风速谱，如式(2)

(2)

式中， 。表示 处的平均风速。 为离地面高度，单位为 ； 为频率，单位为 ； 为剪切波速，单位为 ； 为高度 处的平均风速，单位为 。

图5为I#塔塔顶模拟的脉动风速谱与目标谱的比对，两者几乎完全吻合。图6为I#塔塔顶的风速时程曲线。

图5 I#塔塔顶脉动风速功率谱与目标风谱的比对

3 塔-线体系的风振响应

根据风速时程按式(3)计算得到各节点相应的风荷载

（3）

式中， 为结构体型系数； 为迎风面积，单位m²。输电塔和输电线的体型系数按文献[13]中的相关规定选取。

图7为计算的塔-线体系I#塔和II#塔的风振响应时程曲线。由图可见，I#塔和II#塔塔顶的位移均值分别约为0.42m和0.47m，脉动风的影响使塔顶动态位移在0.3m～0.6m范围内波动，有明显的风振响应。

4 减振控制效果

将粘弹性阻尼器的计算模型简化为弹簧-阻尼单元，用ANSYS的COMBIN14弹簧-阻尼单元进行模拟。计算时粘弹性阻尼器的等效刚度系数取为25×106N/m，阻尼系数0.5×106Ns/m。根据阻尼器的工作原理，将其布置在变形比较大的位置将有较好的减振效果，然而输电塔的横担与曲臂结构较为复杂，阻尼器布置比较困难，故将其布置在塔身主材，I#塔和II#塔分别布置60个和52个粘弹性阻尼器。

图 8(a)和(b)所示分别为计算的粘弹性阻尼器对垂直线路（X）和沿线路（Y）方向不同高度塔结构最大位移的控制效果。由图中可看到，设置粘弹性阻尼器可以有效地控制输电塔结构不同方向的风振响应，I#塔在X向与Y向减振率约为15%和23%，II#塔在X向与Y向的减振率分别约39%和20%。

垂直线路方向

沿线路方向

图8 阻尼器对塔-线体系输电塔最大位移的控制效果

5 结语

本文利用ANSYS建立山区地线输电线路两塔三线体系有限元模型，研究塔-线体系中输电塔的动特性，模拟了风荷载时程，分析了塔-线体系中输电塔的风振响应并计算获得粘弹性阻尼器对输电塔的风振效应控制效果，当粘弹性阻尼器布置于塔身主材，其减振率可达约15%-39%，减振效果与塔结构和方向有关。

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作者简介：

匡晓龙（1976-），男，江西南昌，学士，主要研究方向：电力金属监督、金属材料及制品无损检测技术。中国电建集团江西省电力建设有限公司检测中心，邮箱：leo.kuang@qq.com，电话：18178909777