220kV双回路窄基铁塔建模及动力特性分析

2011-06-13王永益

东北电力大学学报 2011年1期

毛雨，龚靖，王永益

(东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012)

众所周知，输电塔是重要的生命线电力工程设施。伴随着我国国内经济的飞速发展，城区内的高压线路越来越多，使得线路走廊愈发紧张。一般来说，我们采用的大多是普通铁塔，但其根开大，占地多，不满足经济性的要求;相对来讲，窄基铁塔根开较小，可有效的压缩线路走廊，从而大大减小占地面积，降低工程造价。

80年代末期我国开始了紧凑型线路技术的研究和工程实施［1，2］。2009年无锡电力公司形成了涵盖220 kV和110 kV电压等级的全套窄基系列塔型［3］。2009年福建省电力勘测设计院设计了首条220 kV窄基钢管塔［4］。罗玉鹤［5］对窄基钢管塔进行动力特性分析，得到准确的自振周期，并计算了其塔身风振系数。肖琦，周凌风等［6］利用有限元法构建500 kV紧凑型窄基输电塔模型，并研究了动力特性。

目前，我国虽有地区已经成功研制并将窄基铁塔投入运行，但是窄基铁塔的设计理论还不完善，使用经验也尚不成熟，窄基塔的设计只能凭借设计者积累的一些经验，缺乏一定的理论指导。因此，利用软件来建立窄基铁塔的模型，并研究它的动力学特性对于保证输电线路的安全运行具有重要的意义。

1 有限元模型的建立

ANSYS的建模方法分为直接建模、几何建模以及混合建模三种［7］。本文中采用的建模方法是几何建模，首先在AutoCAD里画出输电塔的三维立体图形，然后利用转换程序把三维和二维面、线造型的DXF文件转换为ANSYS格式的lgw文件，最后在ANSYS里整理所用钢材的材料特性及本构关系，再稍加处理就可以完成数据转换。这样几何模型就可以在ANSYS里建出来。

一般，输电塔可分为三类有限元模型:(1)空间桁架模型;(2)桁梁混合单元模型;(3)空间刚架模型。为了使输电塔的受力更符合工程实际，本文建立桁梁混合单元模型。为了验证该模型的合理性，在进行模态分析时，本文又建立了空间桁架模型与之对比。

本文应用大型有限元软件ANSYS建立的220 kV HSZ窄基直线塔的三维有限元分析模型，见图1～图2。

该220 kV HSZ窄基直线塔塔高52.5 m，根开3.6 m，属于全角钢钢结构。其主要构件除承受轴向力之外，还承受剪力和弯矩。此输电塔共采用了3种钢材，分别为Q235、Q345以及Q420。三种钢材的材料特性为:弹性模量E为2.06×1011N/m3，泊松比为0.3，材料密度ρ为7850 kg/m3。输电塔结构的主材为Q420角钢，辅材角钢材料为Q235和Q345两种。在建立ANSYS模型时，为使单元建模方便，采用杆单元Link8来模拟二力杆，从而生成与满应力程序相同的空间桁架结构体系，杆单元Link8每个端节点包含X、Y、Z位移方向的 3个自由度;由于当采用Beam189单元时，可采用梁截面而不必计算大量的实常数，为使建模方便，用梁单元Beam189来模拟主材。

2 窄基铁塔的动力特性分析

2.1 动力特性分析的必要性

根据DL/T5154—2002《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》［9］，由于脉动风的影响，采用风振系数计算塔身风荷载。当全塔高度不超过60 m时，按规范提供的表格取值;同时规范也规定适用条件为铁塔高度与根开之比为4～6。然而窄基塔的高度根开之比一般都大于10，若按规范取值，显然误差较大。

根据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》［8］，结构在Z高度处的风振系数βz可按下式计算:

式中:ξ是脉动增大系数;v是脉动影响系数;φz是振型系数;uz是风压高度变化系数。其中脉动增大系数根据ω0T21确定，T1为结构的第1自振周期，而规范只是提供了结构的基本自振经验公式，为T1=(0.007～0.013)H。该自振周期的经验公式只与结构的高度有关，而与结构的宽度无关，并且系数的范围较广，显然对窄基塔的自振周期不能进行准确的计算，因此对窄基塔进行动力特性分析是很有必要的。

2.2 模态分析理论

在ANSYS中，动力分析包括模态分析、谐响应分析、瞬态动力分析以及谱分析。其中模态分析主要用来确定结构的振动特性，即固有频率以及振型，它们是动力分析中非常重要的参数［7］。

若忽略阻尼，输电塔的无阻尼自由振动方程为:

2.3 模态分析

对输电塔进行模态分析前，需要对其结构进行一定的约束。本输电塔模型中，塔架的主材是靠塔座板上面的地脚螺栓与钢筋混凝土基础来连接的。由于螺栓的抗拉力以及塔座板与钢筋混凝土基础之间的抗压力和摩擦力，使得输电塔塔架与基础之间形成了比较可靠的刚性连接。所以为与实际情况相符，全部约束ANSYS模型中基础结点的6个自由度。

模态分析中模态的提取方法有7种，输电塔作为结构比较复杂的空间桁架体系，模态分析的类型可选择默认的BlockLanczos法，或者采用子空间法。本文采用的是分块Lanczos法来提取了输电塔的前10阶模态。由模态分析可以得到窄基铁塔模型的前10阶自振频率进而求得其自振周期，并截取前5阶振型图。表1和图3为桁梁混合单元模型的振型图及自振周期。图4为空间桁架模型一阶振型图。

图3 窄基铁塔前五阶振型图

表1 输电塔前10阶自振频率及周期

图4 空间桁架模型一阶振型图

由图4可以看出，当按照空间桁架建立模型时，在分析一阶模态时，横担处就已经出现了局部振动，容易造成结构的失稳破坏。而由图3振型分析结果表明，输电塔塔身整体性较好，没出现较大的局部振动振型。在动力荷载(如风振，地震)作用下，不会造成结构的失稳破坏。对比说明，桁梁混合单元模型更符合工程实际。

3 与经验公式比较

《建筑结构荷载规范》(GB50011-2001)［8］规定，塔架结构的自振周期在(0.007—0.013)H(H 为塔架总高度)，对于钢结构塔架需取高值。按照规范，计算得出本塔的自振周期在(0.3675—0.6825)s，与ANSYS分析结果对比，该窄基铁塔模型的第1自振周期比经验公式上限值大9.16%。

经验公式与有限元分析结果有差距，是因为经验公式是在塔架质量分布均匀的假设下得出的，而有限元分析则考虑了塔架横担杆件质量，得出的结果更符合实际些。