高压输电塔震害及其抗震研究现状

高压输电塔震害及其抗震研究现状

1灾害应急及灾害防治难点电力在经济发展中发挥着重要作用。电力系统在地震中一旦遭到破坏,不仅会造成巨额的直接或间接经济损失,还会引发火灾等次生灾害,对地震救灾和应急恢复也会产生极大的困难。高压输电塔是电力系统输电线路部分重要组成设施,直接关系电力系统正常功能的实现。本文总结分析了国内外破坏性地震中高压输电塔的震害及其抗震研究现状。2输电塔的分类50年代初,我国在东北地区兴建了第一条220kV高压输电线路,开始使用铁塔。继而70年代在西北建成的330kV高压输电线路到80年代初建成的平武500kV高压输电线路,工程中都大量使用铁塔。目前我国除西北外已经基本奠定了以500kV高压输电线路为主的电力网架格局,运营中的500kV高压输电线路总里程达26000多公里,330kV高压输电线路8600多公里,220kV高压输电线路128000多公里。在通常情况下,除跨越大的河流、山谷外,每公里约有2至3座输电塔,输电塔方面投资约占整个线路投资40%左右,输电塔数量之多和投资之大显而易见。输电塔从输电回路、导线布置形式、使用功能特点和结构力学特性不同,会有多种分类方法。基于结构力学特点可分为自立式塔、拉线式塔和大跨越塔等。自立式塔和拉线式塔相比,耗钢量稍大,但若考虑占地等综合经济因素,自立式塔要优于拉线式塔。3输电线路的震害高压输电塔主要承受导线、避雷线及塔本身的最大风荷载及垂直荷载,其次是导线、避雷线覆冰荷载及相应风荷载,地震仅作为偶然荷载考虑。通常认为输电塔重量较轻,相对地震而言,水平向更多由风荷载起控制作用,也就是说高压输电塔具有较好的抗震性能。早期震害现象也证实了这一点。日本电器技术标准调查委员会(1980)详细调查了日本60～70年代地震中电力设施的破坏情况,其中高压输电塔震害一般发生在IV度(日本气象厅烈度,近似于我国的VII度)以上区,破坏率大约为0.2%。震害主要表现为倾斜,其次为构件损坏,还有断线、混线和绝缘子震坏。场地涉及平原、沙地和山地等。1995年日本Kobe地震中,总计约有20座输电塔发生基础沉陷,塔身倾斜,另有部分输电塔的绝缘子震坏,但基本都可维持正常的使用功能。1座结构形式与输电塔相近的通信塔的2根构件受弯或受压屈服,虽然震害轻微,但就地震对此类结构破坏来说,认为是不同寻常的。美国1971年SanFernando地震和1989年LomaPrieta地震,输电塔抗震性能较好,破坏的主要是一些混凝土电线杆。1994年Northridge地震,几座输电塔遭到破坏,在大多数破坏的输电塔都可见到基础部分损坏。另外,震害调查认为,输电塔的破坏程度依赖于地震地面运动强度和抗震设计因素。我国1975年海城地震,在营口、盘锦、鞍山等地的多座跨河高塔发生了震害,主要与场地不稳定和基础设计有关。震害现象为:场地液化、基础不均匀沉陷和塔身倾斜与基础损坏,其中低桩承台基础要好于高桩门架式承台基础。1976年唐山大地震中,电力系统输电线路的震害较轻,主要波及220kV及以下高压输电线路,塔大多为钢筋混凝土Π型双杆塔,有拉线式和自立式两种。震害主要表现为:拉线杆塔的拉线松弛;少数杆塔基础下沉、移位,杆身倾斜;导线发生混线、短路和绝缘子震坏等。震后这些线路一般都可继续运行。地震对输电线路破坏最严重的是我国1999年台湾发生的集集地震。中辽开关站严重破坏和输电塔、线路破坏(特别是345kV超高压输电线路受损28条)使南电无法北送,造成台湾漳化以北地区完全断电,直接和间接经济损失难以估计。表1.1给出了输电线路的破坏统计。震灾调查报告认为,输电塔震害原因主要有两点:(1)铁塔设计通常由风荷载控制,地震荷载常常被忽略;(2)因滑坡、断层地表破裂造成345kV高压输电塔大规模损坏。需指出断层地表破裂造成输电塔破坏在1992年美国的Lander地震和1999年土耳其Kocaeli地震也有发生。据震灾报告估计,地震破坏的输电塔完全修复或改建完毕,可能需要2-3年时间。综上所述,高压输电塔及导线体系震害可归纳为以下几点:(1)因山体滑坡、场地液化和不均匀沉陷引起的震害;(2)因地震断层地表破裂、地面变形引发的输电塔震害;(3)因结构抗震设计不足产生的构件震害,主要表现在集集地震中;(4)因地震反应过大,导线相互接近发生短路、断线震害,绝缘子震坏。对前两种震害,宜加强输电塔选址和基础抗震设计工作;对后两种震害宜加强抗震分析和抗震措施工作。4高压输电塔体系地震反应方法研究高压输电塔体系是由导线和铁塔连接而成的空间连续体,地震作用下将表现为空间耦合反应,相邻塔架、绝缘子及导线相互影响,特别是导线是几何非线性(包括初始轴力和大变形)相当强的构件,对其进行详细地震反应分析难度较大,一般都寻求简化的分析手段。高压输电塔(导线)体系抗震研究可分为两部分,一是高压输电塔体系自振特性的计算,二是地震反应分析。前者是地震反应分析和抗风分析的基础,殷惠君等对输电塔导线体系自振特性和抗风研究进展进行了很好的总结,限于篇幅,本文主要侧重介绍抗震分析研究工作。Maeno等针对日本超高压(1000kV)输电试验线路进行了详细的测试与分析,主要结论有:(1)输电塔基础可以采用简单的集中质量模型模拟,并因输电塔质量较轻,大多数场地可近似按基础固定计算;(2)导线对输电塔平面外(侧向)自振特性影响较小,对平面内(纵向)自振特性影响较大;(3)输电塔可用空间桁架模型或采用简化的串连集中质量模型模拟;(4)通过将导线简化为多个铰接的直杆,并忽略导线轴力变化影响使侧向振动与纵向振动分离,建立了输电塔-导线体系耦合模型,认为具有足够精度;(5)通过对未考虑抗震设计的输电塔体系地震时程分析,认为可以抵御峰值为400Gal的地震作用。另外,测得的输电塔的阻尼比,第一振型为0.3%左右,第二振型稍大,最大为1.75%,与通常认为的2%～3%相差较大,可能是由于塔比较高(97m),相对较柔的原因。美国在70年代末,针对1200kV超高压输电试验线路也作过类似工作,认为输电塔可采用空间桁架模型或框架模型分析,测得塔(高45m)的阻尼比为1.5%～4%。Taskov等设计了一种阻尼器,可降低导线在地震和风载下的反应,并进行了振动台试验研究。Suzuki等发展了一种输电塔-导线耦联分析模型,导线简化为弹簧与相邻塔架互相连接,质量集中于塔顶横担相应位置,塔简化为串连多质点等效梁模型。考虑相邻塔同相振动、反相振动和相邻塔为刚体3种情况,给出了一种频域分析方法,通过与考虑行波效应的多点输入反应谱分析真实结果对比,上述结果恰好是反应的极值。论文还给出了高压输电塔架基于简化梁模型的抗震设计方法。我国学者王前信、陆鸣和李宏男将导线侧向简化为垂链,纵向简化为悬链分别建立了输电塔导线体系侧向和纵向地震反应分析模型。应该说该模型与Maeno等提出的模型是相近的,即都是在小变形假定和忽略导线轴力变化条件下对导线几何非线性的一种线性近似。李宏男等进一步推广了该模型并进行了振动台试验验证,对高压输电塔体系抗震问题进行了深入研究,涉及土结构相互作用、地面转动分量作用等,还结合分析给出了考虑导线影响的界限跨度和输电塔等效附加质量系数供输电塔简化抗震设计使用。Ghobarah等建立了细致的高压输电塔和导线体系空间模型,考虑了导线初始轴力和大变形影响,研究了在多点地震动输入下,导线和塔的侧向反应,地震动输入模型考虑了行波效应和相干效应。表明:(1)地震动一致输入模型不能代表导线最大位移反应时情况,多点输入可导致导线很大的位移和塔的惯性力;(2)地震波速是影响导线最大位移反应的最主要因素;(3)地震动相干效应与行波效应相比,对体系反应影响更大;(3)可忽略因侧向地震作用在导线上产生的拉应力。以上研究都是针对自立式塔,Kempner等对拉线式塔建模问题进行了动力试验与理论分析。通过以上总结可以看出高压输电塔体系抗震研究的发展趋势:(1)分析模型逐渐由平面走向空间,由线性走向非线性(含材料和几何非线性),考虑因素也逐渐由单一塔的强度安全转向体系的功能安全(如限制导线最大位移);(2)地震动模型由一致输入走向空间多点输入,含行波效应、场地效应和相干效应;(3)从震害看,基础抗震及地面断层位移等影响研究仍相当薄弱。目前我国高压输电塔抗震设计主要依据国家标准“电力设施抗震设计规范(GB50260-96)”和行业标准“110-500kV架空送电线路设计技术规程(DL/T5092-1999)”。前者规定自立式铁塔在8度及以下时不进行抗震验算,大跨越塔和塔高超过50m的自立式铁塔可采用振型分解反应谱法,通常取2～3个振型,后者除维持上述规定外,与其配套的“架空送电线路杆塔结构设计规定”又强调“当地震烈度在7度以上时,铁塔的基础应考虑抗震验算,并考虑地基的稳定和液化问题”。在计算模型方面,仅考虑单个塔的反应,不考虑导线、避雷线等影响。台湾集集地震输电塔破坏严重,断层地表破裂及位移和强