特高压输电线路钢管-角钢直线塔抗震性能振动台试验研究

特高压输电线路钢管-角钢直线塔抗震性能振动台试验研究

0研究模型与测试参数塔结构是重要的供电工程的支撑结构，其安全可靠性直接关系到整个电网的稳定运行。汶川地震中,不少输电线路杆塔受地震影响或其次生灾害影响导致杆塔破坏。1000kV输电铁塔具有荷载大、塔型尺寸大、节点受力状态复杂、重要性高等特点,针对其工程应用的钢管塔和角钢塔进行抗震模拟试验、抗震能力分析研究意义重大。本文以1000kV“皖电东送”淮南—上海输变电工程同塔双回路钢管塔和晋东南—南阳—荆门输电线路酒杯型角钢塔为原型,设计制作缩尺振动台试验模型,分别进行模型单塔、单塔挂质量块和塔线耦联体系地震模拟振动台试验。通过单向及双向4种不同类型的地震动输入及7度多遇、8度多遇和7度罕遇、8度罕遇等多工况的地震模拟振动台试验和模态分析、位移响应、应力响应、加速度响应时程等测试分析,研究1000kV特高压钢管塔和角钢塔的塔体杆件地震响应峰值和结构抗震特性,验证在8度罕遇地震作用下,钢管和角钢模型塔整体抗震性能。希望研究结果对特高压输电线路工程设计和建设有指导和技术支持作用。1钢管塔和角钢型缺乏抗侧力作用2008年5月12日四川汶川发生了强烈地震,给灾区人民生命、财产和工农业生产造成了巨大损失,同时也给输电线路造成了极大损坏。特高压输电线路杆塔抗震能力特别受到各级领导和设计人员的关注和重视,为确保我国第1条特高压角钢铁塔和第1条同塔双回路钢管塔安全稳定运行,开展了1000kV钢管塔和角钢型铁塔抗震设计能力技术研究。通过对1000kV输电线路工程应用的单回路酒杯型直线角钢铁塔和同塔双回路鼓型直线钢管铁塔计算分析和模型缩尺试验研究,对其抗震性能参数进行分析总结,为今后特高压输电线路工程抗震设计提供基础数据和技术支持。1000kV输电线路铁塔与导线耦联体系地震模拟振动台试验在我国尚属首次,具有创新性和重要意义。2模型试验研究晋东南—南阳—荆门试验示范工程是我国第1条1000kV特高压交流输变电工程,输电线路单回架设,线路全长约639.847km,全线采用角钢型铁塔,依据路径特点优化设计了猫头型及酒杯型直线塔和干字型耐张塔。“皖电东送”淮南—上海1000kV输电线路工程是我国第1条特高压双回线路,线路全长2×655km;全线采用同塔双回路钢管塔。特高压铁塔抗震设计及试验研究选择了工程有代表性的SZ272P同塔双回路钢管塔和ZBS1酒杯型角钢塔进行计算分析和地震模拟振动台试验,SZ272P钢管塔和ZBS1角钢塔实景照片和试验用缩尺模型如图1~2所示。同塔双回路钢管塔塔型为SZ272P直线塔,铁塔呼称高为54.0m,全高为100.6m,单基质量为142.06t;导线采用8XLGJ-630/45钢芯铝绞线,地线一根为LBGJ-240,另一根为OPGW-240,导、地线绝缘子悬挂方式均采用悬垂串;最大设计风速为27m/s,覆冰厚度为10mm,设计水平档距为510m,垂直档距为650m。单回路角钢塔型为ZBS1酒杯型直线塔,铁塔呼称高为57.0m,全高为64.643m,单基质量为61.93t;导线采用8XLGJ-500/35钢芯铝绞线,地线一根为JLB20A-170铝包钢绞线,另一根为OPGW-175,导线绝缘子悬挂方式为边相导线采用悬垂串,中相导线采用V型串;最大设计风速为30m/s,覆冰厚度为10mm,设计水平档距为460m,垂直档距为650m。3工程施工图模型试验模型的设计制作是以“皖电东送”淮南—上海输变电工程同塔双回路钢管塔SZ272P和晋东南—南阳—荆门1000kV输电线路酒杯型ZBS1角钢直线塔工程施工图为原型,依据相似理论进行分析,模拟被研究对象的主要物理特性。设计制作了6基塔(包括1基双回路钢管试验塔、1基单回路角钢试验塔及4基支撑塔)钢结构和相关的导线、绝缘子及连接金具的缩尺振动台试验模型。3.1zbs1角钢塔同塔双回路SZ272P钢管塔的缩尺模型几何相似比为1∶15,酒杯型ZBS1角钢塔的模型相似比为1∶8。模型频率振型的计算采用ANSYS有限元分析。模型采用毛细薄壁不锈钢管及角钢制作,在塔身通过布置分布钢块来实现质量相似。同塔双回路钢管塔和酒杯型角钢塔模型相似比值见表1。3.2验塔和角钢试验塔支撑塔是模型试验塔两端的支撑结构,钢管试验塔和角钢试验塔两侧各1基共4基,设计原则是其强轴向频率、弱轴向频率及扭转频率与模型塔相等,等代塔制作材料采用Q235角钢。4模拟振动台测试4.1幅值、频谱和持时特性地震动是由震源释放出的地震波引起地表附近土层的震动,可以表示成面质点的加速度、速度或位移的时间函数。结构的地震反应不仅和结构的动力特性、材料的弹塑性变形能力有关,还和地震动的特性包括幅值、频谱特性和持时密切相关。地震波的输入是进行地震反应分析的依据,不同的地震波具有不同的频谱特性、地震反应。按照GB50011—2010《建筑抗震设计规范》5.1.2条规定,各类建筑结构在进行抗震设计采用时程分析法时,应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于2组的实际强震记录和1组人工模拟的加速度时程曲线。1000kV钢管塔和角钢塔地震波的输入采用不同加速度幅值的Elcentro波、Taft波、Pasadena波和上海人工波。4.2浇注振动装置抗震试验是在上海同济大学土木工程防灾国家重点试验室的MTS模拟振动台上进行的。台面尺寸为4.0m×4.0m,为满足塔线耦联体系2支撑塔之间水平间距6m的要求,设计并浇注了锚固于振动台台座上的刚性悬挑支座。测量系统主要通过加速度传感器、位移计、应变片和配套计算机软件等测量试验塔的加速度和位移响应等。4.3多工况模拟振动台试验1000kV同塔双回SZ272P钢管塔和酒杯型ZBS1角钢塔MTS振动台试验分别进行单塔、单塔挂质量块和三塔两线塔线耦联系单向及双向4种不同类型的地震动输入,进行了7度多遇、8度多遇和7度罕遇、8度罕遇等多工况的地震模拟振动台试验。钢管塔进行了52个工况,酒杯型角钢塔进行了46个工况的地震模拟振动台试验;试验工况包括8度多遇和8度罕遇等,按x轴单向、y轴单向,x及y轴双向地震动输入,地震波是3条天然地震记录及1条人工波,依次输入Elcentro波、Taft波、Pasadena波这3条天然波和1条SHW上海人工波,幅值逐渐增大,从0.21g逐渐增大到1.2g(8度罕遇)。4.4单塔与双塔耦合自振特性及结构响应1000kV钢管塔及角钢塔地震模拟振动台试验分别研究了单塔、单塔挂质量块和三塔两线塔线耦联系的自振特性和在地震作用下的结构响应特点。4.4.1模态分析塔挂线对塔的影响模型钢管塔进行了52个工况地震模拟振动台试验和模态分析、位移响应时程、应力响应时程及加速度响应时程等测试分析。在8度罕遇地震作用下塔线耦联体系钢管塔结构的地线支架与地线有较大的拉扯现象,地线张力较大,试验工况结束后对塔体结构的主材、斜材、辅助材及其他构件进行检查,未发现损坏及变形现象。相对单塔而言,模态分析塔挂线可有效降低塔的地震反应,如单塔顺线路方向一阶自振频率为7.324Hz,横线路方向一阶自振频率为7.324Hz,塔挂线后2项分别降低至6.673Hz和6.022Hz,导线与塔结构之间的非线性耦联作用使得塔的频率降低。模型塔挂线工况结构的各项响应值均比相应的单塔挂质量块或单塔小5%~20%,导、地线质量的存在降低了铁塔结构的地震响应。4.4.2导、地线动力反应模型角钢塔进行了46个工况地震模拟振动台试验和模态分析、位移响应时程、应力响应时程及加速度响应时程等测试分析。该角钢塔型结构横担较长,塔悬挂导、地线在8度多遇地震作用下,塔模型结构与绝缘子有微幅振动,导线、地线几乎不受地震激励的影响;8度基本烈度时,塔头位移反应幅值增大,塔模型结构有明显的扭转反应,同时有导、地线的振动,8度罕遇地震时,塔地震反应剧烈,塔头扭转效应显著,部分塔身斜材产生剧烈的面外高频振动,地线支架与地线连接处出现拉扯现象。试验工况结束后塔体结构未发现主材、斜材及其他构件的破损现象,经白噪声扫描,角钢塔频率不变,说明模型结构仍处于弹性工作阶段,显示出该型塔具有较好的抗震性能。在地震作用下,塔悬挂导线各项动力反应峰值比相应的单塔悬挂集中质量及单塔均有不同程度的降低,在8度罕遇地震时较为显著,导线的非线性振动效应有利于该型输电塔动力反应幅值的降低。从塔结构动力特性分析可以看出,模型单塔顺线路方向一阶自振频率为5.45Hz,横线路方向一阶自振频率为5.12Hz,悬挂集中质量块后模型单塔顺线路方向一阶自振频率为5.34Hz,横线路方向一阶自振频率为4.25Hz,即横线路方向一阶频率降低了17%,顺线路方向一阶频率降低了2%。可见,悬挂集中质量对输电塔垂直线路方向的影响大于顺线路方向。5模型试验结果(1)1000kV晋东南—南阳—荆门试验示范工程和“皖电东送”淮南—上海输电线路工程路径所经地区最高地震烈度为7度。通过以SZ272P钢管塔和ZBS1酒杯型角钢塔为原型的模型塔,分别进行单塔、单塔挂质量块和三塔两线塔线耦联系单向及双向的7度多遇、8度多遇和7度罕遇、8度罕遇等多工况的MTS地震模拟振动台试验,并通过模态分析、位移响应时程、应力响应时程及加速度响应时程等测试分析,得到了1000kV钢管塔和角钢塔的塔体杆件地震响应峰值和结构抗震特性。(2)试验用模型塔SZ272P钢管塔和ZBS1酒杯型角钢塔,在8度罕遇地震作用下,整体结构具有较好的抗震性能,满足GB50665—2011《1000kV架空输电线路设计技术规范》和DL/T5154—2002《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》第5.5.1条规定的抗震设计要求。(3)模型钢管塔及角钢塔挂线工况结构的各项响应值均比相应的单塔挂质量块或单塔小5%~20%,导、地线质量的存在降低了铁塔结构的地震响应。(4)模型钢管单塔顺线路方向一阶自振频率为7.324Hz,横线路方向一阶自振频率为7.324Hz,塔挂线后2项分别降低至6.673Hz和6.022Hz,导线与塔结构之间的非线性耦联作用使得塔的频率降低。(5)模型角钢单塔顺线路方向一阶自振频率为5.45Hz,横线路方向一阶自振频率为5.12Hz,悬挂集中质量块后模型单塔顺线路方向一阶自振频率为5.34Hz,横线路方向一阶自振频率为4.25Hz,即横线路方向一阶频率降低了17%,顺线路方向一阶频率降低了2%。(6)地震过程中,导