高压输电塔-线体系抗震抗风研究综述

高压输电塔-线体系抗震抗风研究综述

随着经济的快速发展，科学技术的进步和环境保护的增强，能源工业是经济建设和人民生活的主要支柱。以前苏联和日本为代表,分别于1985年和1992年建成1150kV和1000kV的超高压输电线路,并投入运营使用,这标志着输电模式进入了高压与超高压输电技术并用的阶段。此后,各主要发达国家,如美国、前苏联和日本等,纷纷规划并建设超高压输电线路,如表1所示在我国高压输电建设的发展相对滞后,虽然已经建成覆盖全国的高压输电网络,但超高压输电线路最高电压仅为750kV,电力生产与供应尚不能完全满足经济建设对能源的需求,与发达国家相比存在一定的差距。为此,国家提出了“西电东输”、“北电南送”的能源发展战略。据我国电力规划部门预测高压输电塔-线体系是高负荷电能输送的载体,是重要的生命线工程。通常情况下,输电塔-线体系具有塔体高、跨距大、柔性强等高耸塔体和大跨度结构的共同特点,对地震和风、导线浮冰等环境荷载的反应敏感,容易发生振动疲劳损伤和极端条件下的动态倒塌破坏。灾害实例分析表明:一方面,对于荷载作用机理和结构动力响应特性的复杂性,存在理论认识上缺陷和不足;另一方面,由于设计理论的局限性和缺陷,使得现有结构体系的防灾控制措施不尽合理,有待进行深入系统的基础性研究。因此,结合国内外输电塔-线体系的理论研究和工程背景,展开系统的防灾抗灾基础性理论研究已成为当前需要解决的重要课题。1环境荷载作用下张力索塔结构动力响应输电塔-线体系是由高耸的杆塔结构和导线连接组成的一种高柔度结构,可归结为张力索塔结构。在地震、风、雨和浮冰等环境荷载作用下,结构动力反应表现为明显的随机性和几何非线性特征。目前,国内外学者主要从结构动力响应分析、试验与数值分析和结构设计等方面研究输电塔-线体系防灾减灾机理。1.1动力分析与响应高压输电塔-线体系动力响应分析首先要解决力学模型问题,原则上应按空间桁架及索单元进行计算,但非常复杂,工程上通常根据结构构造、受力特征等情况进行结构简化。国内外学者根据问题侧重点的不同,建立不同的力学模型对输电塔-线体系动力响应进行理论研究。Irvine近年来,动力响应分析在因素分析与响应类型确定等方面也有进一步的发展。因素分析方面,同以往研究导线的舞动不考虑杆塔的影响,或研究输电塔的动力响应则忽略导线的耦合效应形成很大的反差。Ozono等上述计算模型大多是针对具体问题建立的,通用性不强,难以应用于结构设计,有必要进一步研究简化。1.2振动台试验研究高压输电塔的动力响应的试验研究还不多,是近年来才开展起来的,主要包括地震模拟振动台试验、风洞试验和现场实测等研究手段。抗震方面的振动台试验是地震模拟和理论成果检验的有效手段,其主要困难是输电塔-线结构体系的跨距较大,而现有的地震模拟振动台的尺寸有限,难以在振动台上实现。李宏男等抗风方面试验研究开始采用气弹风洞试验,其难点在于结构模型设计和流场模拟。这是因为模型设计除了要满足与原结构外形相似以外,一般还要求满足以下5个无量纲参数相等:即雷诺数(UD/v)、弗劳德数输电塔-线体系的现场实测数据是理论与试验研究的基础,实测结果表明1.3塔-线体系自振特性对比在地震作用下,高压输电塔-线体系的动力响应具有空间耦合性,即相邻塔架、绝缘子及导线动力响应相关,且表现出变形和位移的几何非线性。抗震研究的目的是满足地震作用下的安全性,建立实用的简化设计方法。为此,国内外学者建立了各种力学简化模型,如塔架的空间桁架模型、串联集中质量模型,导线的铰接直杆模型等,对输电塔-线体系的自振特性、纵向与横向动力响应、耦合响应等进行了分析,并得出了一些基础性的结论。在这方面,李宏男等近年来,Ghobarah和Kempner等1.4动力风荷载模型风是输电塔-线体系结构设计的主要荷载,往往对设计起控制作用。风荷载通常分为平均风(静力)和脉动风(动力)两部分,以往的理论研究多集中于平均风,对脉动风则作简化处理。然而,由于输电线路分布地域的广泛性,经受的风荷载随线路跨越地区地形和气候条件的不同而不同。在沿海地区、季风多发的丘陵地区,风随地形、地貌的变化呈现出不同的规律性,对输电塔-线体系的动力反应也有显著差别,Takahashi等高压输电塔架一般为格构式钢塔,其动力风荷载模型,尤其是横风向与扭转风荷载模型,在国内外风工程界基本没有文献可以查阅。仅有的一些顺风向风振响应计算文献1.5输电塔-线体系的减振控制高压输电塔-线体系作为高耸大跨越结构,在地震和风作用下塔架顶部的位移很大,塔、线振动显著,严重影响结构的安全运行。因此,近期国内外学者开始着手对输电塔-线体系的减振控制的研究。由于输电塔-线体系具有轻柔的特点,以往的减振措施结构振动控制理论在输电塔-线体系中的应用起步较晚,处于初期发展阶段。在输电塔-线体系中实现结构振动控制主要有两条途径高压输电塔-线体系减振控制主要基于两方面考虑针对输电塔结构自重轻、柔性强、经济耐用的特点,开发实用有效的减振装置,是很有前景的研发领域。1.6动力特性及动力仿真的应用是输电塔-线体系发展的实践保障输电塔-线体系设计方法研究是进行结构试验和理论研究的最终目的,包括结构体系优化设计和结构设计理论两个方面。前者着重解决输电线路选定、输电塔架和导线布置的结构优化等问题,涉及结构体系的安全性与综合经济指标,直接为供电网络布局和输电建设决策提供依据;后者主要解决结构体系的强度、耐久性和可靠性等问题。在各国有关输电塔的设计规范中,均没有给出考虑导线影响的抗震设计计算方法。然而,这种体系在跨越较宽的江河时,塔高可达数百米(如江阴跨长江塔),跨距可达数千米,如果不考虑导线的影响将是不安全的。李宏男等输电塔-线体系的动荷载和动力响应具有非线性和随机性,要准确、定量地描述这种多参数特性,采用计算机仿真和数值模拟是最经济有效的方法之一。计算机仿真主要侧重于结构动力响应分析方面,在计算机上建立虚拟振动台和数值风洞,模拟实际场地条件与风场条件,对输电塔-线体系进行动力分析,不仅可以取得理想分析效果,还可以节约研究成本。研究表明2多维度地震作用模型研究较少,且对两高压输电塔-线体系的抗震抗风研究尚处于初期,无论是灾害荷载的作用机理,还是结构体系分析方法、结构设计理论、动力学控制等均存在很多缺陷,存在的问题至少有以下几方面:(1)荷载作用模型存在严重缺陷。输电塔在台风作用下的破坏常常伴有雨荷载的作用,但到目前为止,还未涉及这方面的研究,作用机理尚不清楚;高压输电塔是格构式塔-线体系,与通常的土木工程结构风荷载作用模型不同,由于缺乏相应的观测资料,还没有研究者们认同的合理风荷载作用模型;地震动是空间多点多维的,对于输电塔-线连续体系的多点多维地震作用模型还没有人研究。(2)风振响应机理有待探讨。格构式塔架在强风作用下不仅发生在顺风向,在横风向会同时发生相同量级的风振响应,而且扭转响应也很严重,即风振响应是三维的。实际上,格构式塔架横风向动力风荷载的形成原因不是各个构件尾流中旋涡脱落的一种简单集合,而是来流穿绕格构式塔架时,各构件尾流相互干扰形成的某种较大尺度的尾流引起的。另外,导线浮冰后的几何形状极不规则,容易发生风荷载难以确定的横风驰振。因此,要完全认识格构式塔架横风向荷载的形成机理,还要进行深入探讨。(3)抗震计算方法问题颇多。如前所述,输电塔-线体系兼有塔状高耸结构和大跨度结构的共同特点,应考虑地震动多维多点输入、土-结构相互作用、多塔耦合效应、考虑导线影响的界限跨度等因素的影响,真实地认识输电塔-线体系的地震响应性状。(4)试验研究有待深入。到目前为止,有关输电塔-线体系的动力试验仅涉及单塔的风洞试验和单个振动台的地震模拟试验,这与实际存在很大的差距,应进行多塔多跨的风洞试验和多个振动台的差动模拟地震试验。(5)结构体系组成不尽合理。就格构式塔架体系而言,应按空间桁架体系计算,但这些塔架均为几何可变体系,如采用梁杆单元体系计算,又与实际情况相差较大。因此,应进行有效的空间桁架结构体系优化分析,才能得到经济合理的结构形式。(6)合理的结构设计方法有待研究。目前各国规范中风荷载计算仅考虑等效静风荷载,抗震设计没有考虑导线的影响,致使输电塔-线体系结构设计偏于不安全,导致输电塔架动态破坏时有发生。3关于进一步研究3.1科学选择荷载(1)针对大跨越输电塔-线体系的结构特征和地震动的传播特性,建立考虑地震动空间相关性的线状或折线状多维多点激励模型,确定相应的荷载作用模式;建立相应的线状长距离强震观测系统,为研究这种体系提供基础性资料,并检验理论模型的正确性。(2)一方面,通过收集现场实测记录、刚体模型荷载试验以及风洞试验等手段,获得不同类型的高耸输电塔的分段体型系数,建立顺风向和横风向广义荷载谱,考虑雷诺数的影响以及导线对高耸输电塔的相互作用,进一步确定适合输电塔-线体系结构分析的广义荷载谱;另一方面,可运用流体-固体作用机理,研究横风向风荷载的作用机理。(3)通过风洞模型试验,得出不同类型的高耸输电塔的分段体型系数,建立顺风向和横风向广义荷载谱,并考虑风洞试验雷诺数的影响以及导线对高耸输电塔的相互作用,为输电塔-线体系的风振分析提供准确的广义荷载谱。(4)包括地震作用、风(雨)荷载和自激励等在内的各种荷载引起的输电塔-线体系动力响应类型和程度是不同的,应按其发生的原因、机理、发生条件的不同进行科学的鉴别与分类,并定义结构发生动力响应的类型。(5)考虑到传统设计理论对结构荷载处理的简洁性,在分析结构静力响应与动力响应的基础上,建立符合输电塔-线耦联体系动力特性要求的简化荷载计算方法,满足规范修订或大型输电塔体系初步设计的需要。3.2动力分析模型(1)在荷载分析的基础上,考虑结构材料非线性和变形的几何非线性,结合输电塔-线结构体系的类型,通过不同单元的有限元方法,建立结构动力特性与响应特性分析的结构分析模型,为试验研究、理论分析和计算仿真创造条件。(2)风(雨)致振动、风与导线浮冰引起的塔-线耦合振动都具有流-固耦合效应,荷载作用方式与结构模型密切相关,结构动力响应类型和程度与流-固耦合激励模型紧密相关,因此,在力学建模阶段,通过理论分析、试验模拟对比等研究手段,解决结构模型与荷载模型的相互关系对结构动力响应分析的影响,建立合理的动力分析模式。(3)建立更为合理、严密的风振响应分析理论。根据风洞中观测到的输电塔的风振现象,输电塔同时存在顺风向、横风向和扭转振动,同时大气湍流也存在三维脉动,因此有必要建立输电塔的三维风振响应分析方法。(4)长跨距导线在结冰和雪状态,容易发生导线舞动或失稳驰振,这是输电塔-线体系风致倒塌、线路断裂的原因之一。研究该情况下导线发生舞动或处于非稳定平衡状态机理,建立塔-线体系的动力稳定性分析模型,可得到运动稳定性判别依据及标准。(5)理论和实践表明,高耸结构在地震动作用下应该考虑土与结构的动力相互作用。但输电塔-线体系与通常的高耸结构有所不同,应进行专门研究,其关键技术是上部高耸结构与柔性连续体的处理方法。3.3模型材料与试验相似理论(1)在单个地震模拟振动台上进行大跨越高压输电塔-线体系的试验,与实际情况有较大的差距。因此,应利用多个振动台进行大跨越输电塔-线体系的模拟地震试验,以真实反映结构体系的地震动响应性状。(2)模型设计存在几何相似难以实现的困难。一方面模型比例很小,精度要求高,模型难以满足结构原型、风洞试验段的截面尺寸和模拟风场梯度的相互匹配的要求;另一方面输电塔-线体系的构件截面小,在模型选材上难以满足刚度相似的要求。因此,从试验设计和等效简化两方面改进模型设计,完善试验相似理论是一项极其重要的工作。(3)根据输电塔-线体系的耦合效应、强非线性以及动力荷载的空间相关性等特点,对单塔、多塔-线体系进行气弹模型风洞试验,可测试其自振特性和揭示其动力响应变化规律,得出不同风速作用下的风振响应特性,进而推断导线对输电塔风振响应的影响大小和变化规律。(4)由于输电塔-线体系的试验研究很难满足其模型设计几何相似的要求,采用现场脉动与风振实测的方法对输电塔-线体系进行动力特性和风振响应特性分析是一种可替代的研究手段。通过现场实测数据分析,为风洞试验和理论分析提供宝贵的对比与校核参照数据。3.4大跨输电塔动力特性的控制策施(1)高压输电塔架在动力荷载作用下产生过大的振动或倒塌破坏,主要原因是导线的舞动造成的,因此,必须对减小导线舞动的方法和减振措施加以研究。(2)已有研究表明,悬吊质量摆和TLD(或TLCD)的控制措施是减小高柔度结构振动的经济而有效的方法。但大跨越输电塔与导线是空间耦联的振动体系,与通常的高柔度结构有很大的不同,可专门进行研究。(3)针对控制理论而言,大跨越输电塔-线体系是分布式、非线性、强耦合、多变量、随机性和时变性复杂的受控结构系统,智能控制方法是处理这类结构的有效方法,将神经网络、遗传算法以及它们的混合方法在这类结构中进行应用研究,提出控制策略和控制设计。(4)研究输电塔-线体系与智能阻尼器(如磁流变阻尼器)一体化设计理论和方法,构建数字化方针平台,提出智能控制措施。3.5基于机械体系内的设计方法设计(1)如前所述,目前输电塔-线结构体系的组成不尽合理,因此,应通过结构优化设计理论与方法,对现有输电塔空间桁架结