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输电塔架系统在下击暴流作用下的非线性非弹性响应
摘要
输电塔架系统输送所需的电能。这些系统是空间分布的，并受到极端的自然环境事件，如下击暴流。研究了单个塔架在下击暴流作用下的能力曲线，忽略了湍流风分量和塔架与导线的潜在动力相互作用。本文研究了在考虑风场和塔线相互作用的情况下，塔线系统中塔的能力曲线的评估问题。采用增量动力分析和非线性静力推覆分析的方法进行了能力曲线的估计。并与单塔的能力曲线进行了比较。结果表明，湍流风在能力曲线中引入了可变性，用非线性静力推覆分析得到的承载力曲线与用增量动力分析得到的平均承载力曲线吻合较好。最重要的是，单塔的能力曲线与高塔线系统中塔的能力曲线基本一致，塔线与塔线之间的动力相互作用对能力曲线的影响可以忽略不计。
关键字：能力曲线；突降；输电塔；非弹性系统；非线性动力分析；风力
简介
输电塔线系统是输送电能的关键。塔线系统的设计往往受风荷载的控制，尽管冰风荷载对寒冷地区很重要。作用在输电塔、导线和地线上的风荷载在CSA C22.3 No.60826-10[1]、电气传输线结构风荷载指南[2]、ANSI国家电气安全规范[3]和国际电工委员会（IEC）标准60826:2003[4]中有规定。规范通常基于大气边界层（ABL）风廓线制定。考虑风荷载作用下的弹性响应，忽略输电塔的非弹性特性，进行塔线系统的设计。后者是合理的，因为极端ABL风的持续时间很长，与此类风相关的延性需求很大[5,6]。对于持续时间较短的高强度风事件，如龙卷风和下击暴流，延性需求降低。因此，考虑风荷载作用下塔架和塔线体系的非线性非弹性力-变形关系（或承载力-变形曲线）的非弹性特性是有价值的。
文献[7]在忽略湍流脉动风的情况下，给出了塔架在龙卷风和微脉冲风荷载作用下的响应评估。结果表明，利用高强度风事件下塔架的数值模拟来识别现场观测到的破坏模式是有价值的。他们还指出，需要研究导线风荷载和高强度风对不同类型塔的影响。除了这项研究外，其他研究集中在评估高强度风事件下塔架或塔线系统的响应，包括[8,11]中报告的那些研究。在所有情况下，这些研究都没有考虑非线性非弹性行为。单塔的非弹性响应和承载力曲线的评估见[12,14]。在评估时，通常采用增量动力分析（IDA）和非线性静力推覆分析（NSPA）来评估结构在地震风荷载作用下的性能和能力[15]。NSPA是通过单调地增加横向风荷载来实现的，横向风荷载按预定的高度分布，而IDA程序则要求对一些选定的风荷载时程进行一系列线性/非线性动力分析，这些风荷载时程通过强度测量进行缩放。
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命名法 |
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A |
导线的横截面积 |
r |
下击暴流中心到测试点的距离 |
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A(p,t) |
p点和t点的调幅函数 |
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时程分析得到的塔底剪力（kN） |
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沿X轴的指数衰减系数 |
S(f) |
功率谱密度函数 |
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导线的阻力系数 |
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对应第i面上正常投影的总表面积（） |
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第i面阻力系数 |
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垂跨比 |
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沿Z轴的指数衰减系数 |
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钢丝水平拉力（kN） |
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相干函数 |
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下突模拟中使用的时间步长 |
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模拟下击暴流的射流直径 |
t |
ARMA算法的时间间隔 |
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塔尖位移的时程分析 |
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下击暴流引起的水平风速 |
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d |
钢丝直径（m） |
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模拟下击暴流的射流速度 |
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E |
钢丝弹性模量（kPa） |
p点最大平均风速 |
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电线上的总负载 |
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参考风速 |
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沿风向面板上的总风荷载 |
v(p,t) |
弯曲风速 |
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f |
频率（赫兹） |
z |
高 |
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导线的组合风系数 |
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风向和导线之间的迎角（偏航角） |
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导线的跨距系数 |
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移动平均系数 |
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考虑地形粗糙度和塔板高度的塔板组合风荷载系数 |
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自回归系数 |
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端部弹簧刚度 |
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n元高斯白噪声 |
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(p,t) |
标准化脉动风速 |
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密度修正系数 |
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L |
相邻塔之间的跨度 |
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空气密度 |
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有效导线长度 |
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风向与塔之间的攻角（偏航角） |
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L |
相邻塔之间的跨度 |
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p和q |
hAR MA模型的AR和MA分量阶 |
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单位长度钢丝重力风荷载 |
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这些分析的结果被用来评估力-变形关系，并识别塔在初期屈服和初期倒塌时的能力。文[12]将非线性有限元模型的结果与塔的全尺寸推覆数据进行了比较，结果表明塔的分析结果与试验结果吻合良好。文献[13]中发现，使用NSPA可以充分估计由塔尖位移与塔基剪力定义的承载力曲线，NSPA得到的承载力曲线与IDA得到的承载力曲线吻合得很好。文中[14]的结果主要集中在下击暴流风荷载上，认为文中[16]给出的模型是合适的。结果表明，单塔的承载力曲线受风荷载剖面和风向的影响，在下击暴流作用下，任意给定风向的承载力曲线都近似于ABL和矩形风剖面的承载力曲线，ABL风廓线的能力曲线或表面可作为下击暴流风荷载的保守近似值。如果需要近似的结果，这些观测结果可以作为简化检查新设计的塔和评估下击暴下现有塔的任务的基础。必须强调的是，在这些研究中只考虑一个塔；文献中没有研究导线和地线引起的动力相互作用对塔的能力曲线的影响。文献[17]对塔线系统的动力响应进行了广泛的综述。
研究了塔线系统在下击暴流风荷载作用下的非线性非弹性响应。研究的主要目的是建立塔线系统中塔在下击暴流风荷载作用下的承载力曲线（即考虑塔线动力相互作用），并将该承载力曲线与在不考虑导线和地线动力效应的情况下获得的单塔承载力曲线进行比较。比较的目的是提出一个简单的程序来评估塔-线系统中的塔的能力曲线。
下击暴流风荷载下输电塔线系统的建模
输电塔线系统建模
具有自支撑格构式输电塔的塔线系统如图1所示。塔架结构构件截面特性和几何变量的详细信息与[14,18]中给出的相同。采用双线性模型考虑塔构件的材料非线性，其屈服后刚度与初始刚度之比为0.05。塔架在ANSYS[19]中建模，其中塔架构件采用假定刚性连接（表示多螺栓抗弯连接）的2节点非线性三维框架构件建模。塔的三维数值模型如图1b和1c所示；塔模型由959个单元和405个节点组成，几何非线性通过大变形分析得到。假定塔身为固定基础，土-结构相互作用可以忽略。
图1 输电塔线系统：（a）输电塔线系统，（b）输电塔平面图，（c）输电塔模型的三维等距图
架空电线是预张拉的；预张拉取决于垂跨比[20]。导线和地线的特性如表1所示，两个相邻塔架之间的跨距为488m。对于有限元建模，跨距内的每根导线使用30个双节点连接元件表示，其中每个节点有三个自由度，并且指定该元件仅沿电线的方向。要定义导线轮廓的初始几何图形和节点的坐标，弧垂与跨距比为0.03就足够了[21]，并使用迭代程序计算所需节点的坐标，以定义导线的要素[22]。该过程首先对一根直索进行建模，然后施加重力风荷载，以确定其变形形状和相应的节点坐标。由于变形形状不可能满足目标垂跨比，因此将变形钢丝的节点坐标作为钢丝的初始坐标，而不施加重力风荷载，并对新结构施加重力风荷载进行结构分析。重复此分析过程，直到达到目标垂跨比或在指定公差范围内。上次迭代的导线初始配置用于定义导线轮廓的初始几何图形。
表1电线和绝缘体的特性
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属性 |
导体 |
地线 |
绝缘体 |
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直径（m） |
0.0381 |
0.0184 |
0.3400 |
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密度（单位长度）（kg/m） |
2.354 |
1.046 |
208.822 |
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弹性模量（GPa） |
58.6 |
125.3 |
100.0 |
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设计长度（m） |
488 |
488 |
4.875 |
表1也给出了绝缘体的特性，其基于平均材料特性的NGK300kN悬式绝缘体（NGK绝缘体有限公司，见htt
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