基于ansys的输电塔线体系风振反应分析

基于ansys的输电塔线体系风振反应分析

在大跨越输电塔线系统的情况下，作为国家重要的生命线电力工程装置，其系统的安全直接关系到诺中国国家计划的可靠性。随着我国高压、特高压输电网络建设的规模化发展,输电塔线体系在结构上日益趋于杆塔高耸结构、多回路、跨距大、导线截面粗大、柔性强等特点。由于导、地线和绝缘子串之间的几何非线性以及塔线之间、塔与基础之间的耦合作用,在风荷载作用下的动力反应较为显著,而风荷载作用及其频繁,并具有很强的随机性,容易使输电塔发生振动疲劳和动力失稳等现象。因此,对于大跨越输电塔线体系这类高柔结构,风荷载是一种及其重要的设计荷载,甚至起着决定性的作用。根据DL/T5154—2002《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》,对于输电塔、导地线风荷载的计算,采用了拟静力的计算方法,即将脉动风荷载以风振系数的形式等效为静力风荷载,没有考虑风荷载的脉动效应。由于导地线、绝缘子串的几何非线性,导、地线在脉动风作用下会产生时变的动张力,动张力传到输电塔上使输电塔发生位移,与输电塔在风荷载作用下的位移相叠加,而输电塔振动又会使导线发生位移,使得导线内的张力进一步发生变化,使得塔线之间存在着复杂的耦合作用[2~3]。而我国规范将输电塔和输电线分开计算其风荷载,将导、地线上的荷载当作外荷载作用在输电塔上,并没有考虑塔线之间的耦合作用。国内外学者对塔线体系的风振响应进行了大量的研究。Ozono等考虑塔-线跨数、边界条件、导线质量和垂跨比等因素对塔线体系动力响应的影响及塔线耦联效应。Paluch等采用实测数据统计与数值模拟分析相结合的方法,对建设中的海岛大跨越进行了谱分析和动力响应评价。楼文娟等建立了考虑风与结构耦合作用的风振响应模态分析方法,采用拟单自由度法确定了不同风速下风与结构耦合作用所产生的气动阻尼。郭勇,孙炳楠等对舟山大跨越输电塔线耦合体系的顺风向风振响应进行了时域分析,将输电塔的响应分解为共振分量和背景分量,并考虑了输电线对两分量的影响,进一步提出了塔线体系的简化计算方法。为了提高输电塔线体系的安全性和可靠性,本文以某大跨越输电塔线体系为工程背景,基于ANSYS有限元软件建立了两塔三线的塔线耦合体系精细化有限元模型;运用基于功率谱密度函数的谱表示方法,采用Davenport谱模拟生成了作用在输电塔线体系上的风速时程,并将风速时程转化为塔线体系节点处的集中力荷载时程,对塔线体系进行了顺风向的耦合风振反应分析,从塔线体系与单塔的动力特性及风致动力响应之间的差别说明了输电线对输电塔的影响。1导、地线模型设计该大跨越输电塔线体系为双回路同塔架设,跨越方案采用耐张塔—跨越塔—跨越塔—耐张塔的形式。跨越塔采用自立式钢管塔,设计高度为195.5m,共22层,跨越距离为1933m,垂度为131.1m。耐张段长2837m,北侧跨越塔与耐张塔档距为500m,南侧跨越塔与耐张塔档距为404m。输电线共分3层,最上层是2根地线,中间层为2根导线,最下层为4根导线,输电线与输电塔通过悬挂式绝缘子连接,定义顺导线方向为y向,垂直导线向为x向。其导、地线的主要参数见表1。为了得到精细化的三维有限元模型,本文采用了杆梁混合的有限元模型,四边角柱主要钢管构件和绝缘子串采用了Beam4空间梁单元,联结点简化为刚节点;横撑和斜撑钢管构件都简化为杆单元,选用Link8空间杆单元模拟,联结点简化为铰节点,杆、梁单元采用Q345钢管材料。由于导、地线垂度较大,按照导、地线的找形理论,采用Link10索单元来实现导、地线的建模,该单元是一种带预应力的直线单元,可以模拟几何大变形,常被用于模拟松弛的索或链结构。建模时通过施加初始应变来模拟导、地线的初始应力。由于两端耐张塔高度较低,刚度与跨越塔相比大得多,分析时将两端输电导、地线采用铰接约束,输电塔的底部四个节点采用固定约束。运用ANSYS有限元软件APDL编程语言建立的输电塔线体系三维有限元模型如图1。2目标场地的脉动风速整个输电塔线体系的风荷载模拟分为两个部分,即钢管塔的风荷载模拟和导、地线的风荷载模拟。风速时程可以分解为平均风速和脉动风速两部分。前者可视为常值;后者采用基于功率谱密度函数的零均值平稳高斯随机过程的模拟方法,可以用来生成符合目标场地的脉动风速时程。本文仅考虑脉动风效应,选取我国规范采用的Davenport谱为该输电塔线体系所在场地的风谱,其顺风向脉动风速时程的双边功率谱函数形式为:式中:S(ω)为脉动风速功率谱;ω为脉动风的圆频率,rad/s;为10m高度处的平均风速,m/s,取当地10m高处风速为30m/s。B类场地,地面粗糙度指数α取0.16,地面粗糙度系数k取0.005。模拟相关函数只考虑高度方向的相关性,即取Cx=Cy=0,Cz=10。上截止频率为4rad/s,模拟脉动风的时间步长Δt=0.785s,总时间长度300.655s。应用FFT技术,模拟了塔线体系的脉动风速时程。图2给出了塔线体系风速模拟部分代表点的位置和编号。2.1跨塔荷载作用跨越钢管塔分为22层,选取每塔层顶点作为代表点,考虑空间高度相关性,模拟了22个点高度处的风速时程,再按式(2)将风速时程转化为每层节点的集中力荷载时程,分别作用在输电塔每层的节点上。其中1~19层每层荷载作用在4个节点上,第20层荷载作用在6个节点上,第21、22层荷载作用在8个节点上。式中:Ft(t)为跨越塔每层节点的集中力荷载时程,kN;μs为体型系数;η为塔架背风面降低系数;As为输电塔风压投影面积,m2;为z高度处的平均风速,m/s;v(z,t)为塔的模拟脉动风速时程,m/s;ρ为当地的空气密度,kg·m3。2.2动风速模拟由于导、地线内部存在着初始应力以及重力作用的影响,实际中的导、地线存在一定垂度,根据找形理论,索的空间位形为悬链线,经计算得到导、地线的垂度为131.1m。因此,考虑导、地线各点高度差异对风速时程的影响,将左、右跨每层导、地线分为8段,中间跨每层导、地线导线分为10段,分别对导、地线进行脉动风速模拟,再按式(3)将风速时程转化为导、地线的集中力荷载时程,分别作用在每层导、地线的节点上。式中:Fc(t)为导、地线的集中力荷载时程,kN;μsc为导、地线体型系数,这里均取为1.1;li为导、地线每段长度,m;d为导、地线的挡风直径,m;为z高度处的平均风速,m/s;v(z,t)为导、地线的模拟脉动风速时程,m/s;ρ为当地的空气密度,kg·m3。图3给出了90°风攻角时输电塔上代表点10处(高度为125.2m)和输电线上代表点23处(高度为56.22m)模拟的脉动风速时程曲线与自相关函数模拟值和目标值的比较。从图3可以看出,模拟的自相关函数与目标自相关函数值非常吻合,验证了风场模拟的准确性和有效性。根据式(2)和式(3),将图3的脉动风速时程转化为各节点的集中力荷载时程。图4给出了代表点10处和代表点23处在90°风攻角时的节点集中力荷载时程曲线。限于篇幅,其余代表点脉动风速时程、自相关函数模拟值和目标值的比较值以及节点集中力荷载时程曲线从略。3风荷载作用方向利用脉动风速时程转化得到的节点集中力荷载时程曲线,作用在两跨越塔和导、地线节点上,对两塔三线耦合体系进行了风致动力响应分析,风荷载的作用方向分别取垂直于导线方向(x向,90°风攻角)、顺导线方向(y向,0°风攻角)和与导线方向成45°风攻角,分析得到了输电塔、导地线的位移和加速度响应。分析中,塔线体系的结构阻尼假定为比例阻尼,考虑塔线体系的耦合作用,输电线的存在将增加整个体系的阻尼,从而使得输电塔基频处的共振响应有所降低,根据文献,计算中取阻尼比为0.025。3.1导、地线和塔线之间的耦合自振特性根据建立的钢管组合输电塔有限元模型,进行自重荷载作用下的静力分析,以静力终态的位形和应力作为模态分析的初始态,利用子空间迭代法,求解单塔的前2阶自振频率。塔线体系在自重作用下时,由于导、地线与输电塔之间的耦合作用,塔线体系的振型大多以导、地线的振型为主,且振型密集。塔线之间的耦合振型难以精确分辨,通过定性分析,利用ANSYS模态分析计算了塔线体系的前1000阶模态,其中提取了塔线体系的前2阶自振频率,表2是单塔和塔线体系前2阶自振频率的比较。从表2可以看出,与单塔相比,塔线体系的基频略有降低,这主要是由于塔线之间的耦合作用,导、地线和绝缘子的附加质量使得塔线体系的自振周期加大,振型阶数的顺序发生变化。因此,对大跨越输电塔线体系,其导、地线的质量不可忽略,分析时需考虑输电线对塔线体系自振周期的影响。3.2中跨导线位移图5给出了输电塔线体系左侧输电塔顶点(节点1793)和最上层绝缘子处(节点3272)在90°风攻角脉动风荷载作用下的位移、加速度时程曲线。其中塔顶的位移峰值为0.119m,加速度峰值为1.478m/s2。绝缘子的位移峰值为0.525m,加速度峰值为3.311m/s2。图6给出了左跨和中跨输电线中点处在90°风攻角脉动风荷载作用下的位移、加速度时程曲线。对于左跨导线,由于左跨导线跨距较小,上层导线中点处的位移峰值为4.237m,加速度峰值为5.992m/s2;中层导线中点处的位移峰值为3.923m,加速度峰值为6.213m/s2。对于中跨导线,由于跨距较大,上层导线中点处的位移峰值为35.334m,加速度峰值为8.713m/s2;中层导线中点处的位移峰值为25.017m,加速度峰值为8.298m/s2。同跨的上层导线由于悬挂点高度比中、下层导线大,风速较大,其中点处位移和加速度峰值比中、下层导线的位移和加速度峰值要大。实际工程中,输电线层间采取设置间隔棒的措施来抑制输电线的舞动。本文分析时未考虑间隔棒的影响,使得输电线的位移和加速度反应较大,在脉动风荷载作用下反应较敏感,其振动特性主要表现为小应变、大位移的特点。在0°风攻角时,输电塔的顶点y向最大位移为0.154m,大于90°风攻角时塔体最大位移,主要是由于0°风攻角时增大了输电塔的挡风面积,而输电线的y向最大位移仅为0.295m。45°风攻角时,输电塔的y向最大位移为0.116m,输电线的y向最大位移为19.498m。可见,对输电塔线体系进行风振分析时需考虑几种不同的风攻角对塔线体系风振反应的影响。同时对单塔和塔线体系在90°风攻角脉动风荷载作用下的风振响应进行了对比分析,结果表明:单塔的位移峰值为0.0867m,塔线体系的位移峰值为0.119m,因此塔线体系比单塔的位移峰值增大了37.3%。输电线的存在增大了塔线体系的挡风面积,其几何非线性作用产生的动张力增大了塔线体系的塔顶位移反应。4动力响应分析根据对塔线体系有限元模型进行时域内的风振响应分析,得到了以下结论:1)建立了考虑导、地线影响的两塔三线空间有限元模型,对单塔和塔线体系的模态分析结果表明,塔线体系的振动频率比单塔的振动频率有所降低,输电线的存在增大了塔线体系的自振周期,表明输电线对塔的影响不可忽略。2)采用Davenport谱并运用FFT技术模拟了符合所在场地的顺风向脉动风速时程,结合工程实例,将脉动风速时程转化为作用在塔线体系节点的集中力荷载时程。通过比较自相关函数,模拟值与目标值非常吻合,从而验证了风场模拟的准确性和有效性。3)分别对单塔和两塔三线体系进行了顺风向脉动风振响应分析,结