姜然凇
中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司 吉林 长春 130021
摘 要：登塔是输电线路施工、巡视和检修的重要技术手段，而特高压输电线路截面大且为高耸的塔线耦合的弱阻尼系统，其风致振动特性及其对登塔作业人员的影响对确保作业和人员安全具有重要意义。针对±800 kV 直流输电线路建立了输电线路塔线耦合体系有限元模型，基于风速随高度变化的 Kaimal 谱和谐波叠加法生成了 2 m 高风速分别为 6、8、10 m/s 的风速时程，应用模拟的风荷载对三塔两线体系在 A、B 两种地形下的风振响应进行了时域分析，并讨论了铁塔振动对登塔作业人员的影响。结果表明：在 2 m 高风速为 6 m/s 时，A、B 塔线体系整体风速都没有超过 10 m/s，铁塔各部位风致振动的位移较小，典型作业位置处作业人员基本没有不舒适感；在 2 m 高风速为 10 m/s 时，铁塔横担以及地线支架处位移较大，作业人员的登塔作业人员感到极不舒适，存在高空坠落风险。建议登塔作业人员测量风速时将地面测量的风速修正到作业位置高度处，修正值小于 10 m/s 再进行登塔作业。
关键词：塔线体系；有限元计算；谐波叠加法；风振响应；登塔作业
引 言
特高压是中国远距离大容量电力输送网的骨架，其安全运行对确保电网和能源安全具有重要意义。登塔巡视或检修作业是确保线路安全运行的重要技术手段，而登高作业过程中的触电、振动以及大风等因素可能导致作业人员失手而发生高空坠落。GB 26859—2011 《电力安全工作规程-电力线路部分》以及电网公司安全作业规程中均对高空作业的风速给出了相应的规定要求，然而风速的测量高度以及适用的高度都没有给出明确的要求。随着电压等级的提升，输电线路杆塔的高度明显增大且导线分裂数和截面都增大，部分大跨越塔高达到了 300 多米。
输电塔线体系是一种高耸柔性结构，对环境荷载尤其是风荷载非常敏感，易产生较大的动力响应。国内外研究者在塔线体系风致响应的研究方面主要采用风洞试验、现场实测以及有限元数值模拟。相较于风洞试验与现场实测，有限元数值模拟不仅可以考虑输铁塔与导线之间的耦合振动效应， 同时还可以实现不同风速场中的塔线体系风振响应分析，因此在输电线路结构的风振响应研究中得到了广泛应用。最早 Ozono 等开始采用有限元方法，研究输电线路中档距、导线质量、边界条件等对风致动力响应和塔线耦合作用的影响。
0理论模型建立
0.1输电塔线体系有限元模型
由于直线塔的结构强度相对耐张塔低、高度更高且使用量大，因而文中针对直线塔进行仿真建模分析。选用的塔型为直线塔，铁塔总高 41 m，呼高 36 m，塔底根开距离 7.58 m。铁塔塔身主材采用 Q420C 钢，、斜材及辅助材采用 Q345B 和 Q235B 钢。该杆塔为空间杆件系统，故各杆件采用 Ansys 的 BEAM188 梁单元进行建模。导线为型号为 JL/G2A-1000/80 钢芯铝绞线，地线型号为 LBGJ-150-20AC、。输电线具有几何非线性，在自重和是运行张力的作用下呈现处悬索结构，选用 Ansys 中仅承受拉力和压力的 Link10 单元模拟导线。JL/G2A-1000/80\LBGJ-150-20AC。将三座输电塔底部的 4 个节点采用固定约束，对绝缘子与导地线连接处节点施加顺导线方向的位移进行约束，来平衡铁塔顺导线方向的张力荷载。定义顺导线方向为 X 向，垂直导线方向为 Y 向，延铁塔向上的方向为 Z 向。风荷载沿Y 向为 90o 风向角。
GB 26859—2011规定风力大于 10 m/s（5 级） 以上时，不宜进行登塔作业。在相关的标准规范中并没有给出风速的测量高度，在实际作业中，一般作业人员在地面手举风速测量装置进行风速测量， 根据人机工程学人体测量尺寸的标准，其测量高度约为 2 m，因而在后续分析中地面风速取高度为2 m。另一方面，由于地形对风速有重要影响并且文中研究线路经过沙漠、戈壁、丛林以及丘陵地区，随着线路档距增大，一方面塔线体系总体挡风面积增大，受到的风荷载也更大；另一方面由于输电塔和导线的耦合作用，导线的张力一定程度上会影响输电塔振动。因此文中选取了 400、500、600 m 三种档距来探究档距对风振响应结果的影响。
此时塔线体系所受风荷载最大。文中分析了风向角为 90o时，铁塔各个部分的位移随着高度的增高而变大。
除了与横担连接处，塔身位移较小，不超过 3.5 cm；横担以及地线支架位移均较大且迎风侧位移大于背风侧；铁塔位移最大值发生在迎风侧的导线及地线的绝缘子串挂点处，达到6.45 cm。在杆塔高度 15 m 以内，风速随着高度增加而快速增大，高度超过 15 m 后风速随高度增加而出现饱和的趋势。基准风速为 6 m/s 时，其风速在高度 41 m 以下始终保持在 10 m/s 以内， 符合 GB 26859—2011；基准风速为 8 m/s 时，在塔顶高度为 41 m 时风速分别达到了11.5 、12.6 m/s，相较于 GB 26859—2011 规定的10 m/s 超出了 15%和 26%；基准风速为 10 m/s 时，在导线挂点高度 30 m 时风速分别为13.8 、15.0 m/s，相较于 10 m/s 分别超过了 38%和50%，在下横担高度为 36 m 时风速分别为 14.1、15.4m/s，相较于 10 m/s 分别超过了 41%和 54%在塔顶高度为 41 m 时风速分别为 14.4、15.7 m/s，此时风速超过了 GB/T 3608—2008《高处作业分级》规定的严禁高空作业的恶劣天气的 6 级风。在相同基准风速下，风速在 B 地形下相较于 A 地形增长显著。基准风速为 6 m/s 时，在高度 41 m 时 B 地形下风速比在 A 地形时增大 9%；基准风速为 8 m/s 时，风速在 A 地形和 B 地形下分别在高度为 12.9 m 和 8.9 m 达到了 10 m/s，随着登塔高度增加高空作业处的风速在B 地形相较于A 地形更严重地超过 GB 26859—2011规定的风速。
3杆塔典型作业位置处的位移时程特性
基准风速的增大会导致铁塔横担及塔顶处风致振动的位移幅值显著变大。基准风速从 6 m/s 升到 10 m/s，在 A 地形下，档距为 400 m 时，横担处风致振动的幅值由 2.23 cm 增大为 4.21 cm，增大88.8%；塔顶位置处风致振动的位移幅值由 3.12 cm 增大为 5.52 cm，增大 77.4%。基准风速从 6 m/s 升到 10 m/s，在 B 地形下，档距为 400 m 时，横担处风致振动的幅值由 2.39 cm 增大为 4.85 cm，增大102.9%；塔顶位置处风致振动的幅值由 3.26 cm 变为 6.33cm，增大 94.1%。
不同的地形对应不同的风剖面，故不同地形下的铁塔风速随高度变化的规律不同，进而影响风荷载，最终对杆塔风致振动产生影响。相较于 A 地形， 在 B 地形下，基准风速为 6 m/s，档距为 400 m 时， 横担处的风致振动的幅值由 2.23 cm 增大为 2.39 cm，增大 7.2%；塔顶处风致振动的幅值由 3.12 cm 增大为 3.26 cm，增大 4.5%。在基准风速为 10 m/s， 档距为 400 m，横担处的风致振动的幅值由 A 地形下的 4.21 cm 增大为 B 地形下的 4.85 cm，增大13.2%；塔顶处风致振动的幅值由 A 地形下的 5.52 cm 增大为 B 地形下的 6.33 cm，增大 14.7%。由 3.83 cm 增大到 4.02 cm，增大 5%基准风速为 10 m/s 时，档距由 400 m 增大为 500 m，塔顶节点的风致振动幅值由 6.33 cm 增大到 7.13 cm，增大 12.6%；档距由 500 m 增大为 600 m 时， 塔顶节点的风致振动幅值由 7.13 cm 增大到 7.42 cm，增大 4%。基准风速为 6 m/s 时，档距由 400 m 增大为 500 m，B 地形下塔顶节点的风致振动幅值由 3.26 cm 增大到 3.83 cm，增大 17.5%；档距由500 m 增大为 600 m 时，塔顶节点的风致振动幅值。
参 考 文 献：
[1]张卓群,李宏男,李士锋,等.输电塔—线体系灾变分析与安全评估综述[J].土木工程学报,2016,49(12):75-88. ZHANG Zhuoqun, LI Hongnan, LI Shifeng,et al. Disaster analysis and safety assessment on transmission tower-line system: an overview [J]. China Civil Engineering Journal, 2016, 49(12): 75-88.
[2]电力安全工作规程 电力线路部分:GB 26859—2011 [S].2011.
Safety code of electric power industry—Part of electric lines:GB 26859-2011[S].2011.
[3]李春祥,李锦华,于志强.输电塔线体系抗风设计理论与发展[J].振动与冲击,2009,28(10):15-25.
LI Chunxiang, LI Jinhua, YU Zhiqiang. A review of wind-resistant design theories of transmission tower-line systems [J]. Journal of Vibration And Shock, 2009, 28(10): 15-25.