输电塔-线体系罕遇地震-风共同作用下的多灾害响应研究.pdf

第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()山东省重点研发计划()作者简介:王文明()男博士副教授从事输电线路防灾减灾研究:.文章编号:():./.输电塔线体系罕遇地震风共同作用下的多灾害响应研究王文明王冠惠盛寒柯高雅慧吕 晓(.山东建筑大学 土木工程学院山东 济南 .建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室山东 济南)摘 要:输电线路一般位于空旷地带遭遇地震作用时一般同时承受风荷载有必要对其地震风耦合作用下的多灾害响应进行研究 采用 分析软件建立某输电塔线体系有限元模型 基于 功率谱密度函数采用谐波叠加法进行风场模拟生成输电塔先体系各加载点风荷载动力时程用以计算输电塔结构风振响应 选取三组三维地震波分别对输电塔线体系进行罕遇地震作用、罕遇地震风耦合作用下的响应分析研究风速、耦合作用时间及风向对结构动力响应的影响研究结果表明:风荷载对输电塔线体系罕遇地震作用下响应的影响不容忽视其风荷载影响系数随风速的增大呈增大趋势 风荷载与地震作用耦合时间影响多灾害峰值响应当单独作用的极值响应(正负号相同)接近于同一时刻发生时输电塔极值响应可明显增大 风向对输电塔线体系多灾害响应影响显著不同风向的风荷载可能增大也可能减小输电塔在罕遇地震作用下峰值响应关键词:输电塔线体系地震作用风荷载多灾害数值模拟中图分类号:文献标识码:(.):.:世 界 地 震 工 程第 卷引言输电塔线体系是重要的生命线工程在历次大地震中发生了一些破坏甚至倒塌的灾害国内外对其地震作用下的结构响应开展了大量研究 张卓群等研究了输电塔线体系破坏模式及其灾变机理并总结了输电塔线体系抗震分析方法 等采用 特高压输电塔单塔及塔线体系缩尺模型振动台试验对比分析了输电线路耦合作用对结构地震响应的影响 等采用增量动力分析()方法建立输电塔线体系易损曲线以评估结构在近场地震动作用下安全性 等提出了一种计算输电塔在地震作用下连续性倒塌的显式分析方法研究了不同地震动激励与塔高对输电塔倒塌模式的影响 等考虑了塔线间相互作用对 出线构架不同地震强度地震响应进行研究分析并从概率学的角度分析了结构倒塌风险 等进行了输电塔线体系地震等自然灾害下的受力性能评估强调了自然灾害空间相关性对结构可靠性的影响 等通过输电塔线体系地震作用模拟研究了地震动多向分量及其空间变化对结构地震响应的影响输电塔线体系同为风荷载敏感结构大风下倒塌的现象时有发生设计时的控制工况一般为大风工况 为研究输电塔线体系在风荷载下的响应及灾变机理诸多学者对其开展了风致响应研究 李正良等通过对比输电塔风振系数风洞试验结果、有限元模拟结果及现行规范下理论计算结果分析输电塔线体系各位置风振系数取值 等采用风洞试验及数值模拟研究了风荷载入射角对四跨输电塔线体系动力响应特征的影响 等介绍了一种基于(遗传算法支持向量回归机)的输电塔动力响应特征预估方法通过构建输电塔替代模型并将其响应预估结果与 有限元模拟结果进行对比验证替代模型合理性为输电塔线体系安全运行提供理论依据 等进行了输电塔线体系在极端风速下的易损性分析其中综合考虑了风速、风向角及水平档距造成的影响 等开展了多个国际设计规范下的 格构式输电塔风致作用非线性分析指出输电塔气动模型可更好的评估其破坏失效机理及风速梯度严波等采用增量动力分析法和弧长法研究覆冰厚度、风向角对输电塔风荷载动力响应的影响 等采用静力分析法和动力时程分析法分别进行输电塔风致作用模拟对输电塔极限承载能力及最薄弱杆件位置进行评估分析工程结构往往具有较长寿命周期在其服役周期内可能遭受多种自然灾害共同作用 李宏男等开展了工程结构在多种自然灾害耦合作用下的理论研究提出了多灾害联合概率模型及结构风险评估方法任重翠等对超高层建筑在风、地震单独作用和耦合作用下破坏损伤问题展开研究工作为结构抗灾设计提供理论指导 等研究了 单桩海上风力发电机在风海浪地震耦合作用下动力响应特征建议采用 调谐质量阻尼器缓解载荷耦合作用产生的结构振动 等在考虑储液罐风壳液相互关系的基础上建立相关计算模型对其地震、风及地震风耦合作用下响应模拟结果进行对比研究风荷载对结构动力响应的影响 国内外学者已对诸多工程结构进行了多灾害响应分析而输电塔动力响应研究主要集中于单种自然灾害影响分析缺乏其在多种自然灾害耦合作用下的响应分析输电线路一般位于空旷地带长期处于受风状态 遭遇地震作用时一般同时承受风荷载有必要研究其地震作用和风荷载下的多灾害响应 以某 输电塔为研究对象采用 软件建立等跨度“三塔四线”模型进行输电塔罕遇地震作用和罕遇地震风荷载耦合作用下的响应分析 通过对比不同工况下观测杆件应力时程和观测点的位移时程分析耦合工况风速、地震作用和风荷载共同作用时间以及风向对观测杆件、观测点响应的影响研究风荷载对输电塔线体系罕遇地震作用下响应的影响规律地震风多灾害动力学模型.地震风多灾害运动方程输电线路服役周期长不可避免会受到地震、风荷载共同作用 基于输电塔地震作用下动力学方程考虑风荷载作用影响其地震风多灾害耦合作用下运动方程如式()和式()所示()第 期王文明等:输电塔线体系罕遇地震风共同作用下的多灾害响应研究 ()式中:为结构整体质量矩阵 为阻尼矩阵 为刚度矩阵 为相对位移向量为相对速度向量 为相对加速度向量为地震作用下相对加速度向量为输电塔线体系风荷载向量矩阵 为相对位移向量、和 分别为输电塔线体系、和 三向位移向量.风荷载时程计算方法进行输电塔风荷载动力时程计算时采用谐波叠加法进行风速时程模拟风荷载向量矩阵 按文献给出计算公式确定即:()()()式中:为空气密度 为结构有效迎风面积()为风攻角 对应阻力系数输电塔、导线和地线阻力系数分别取.、.和.()为输电线路风速时程在笛卡尔坐标系()中可表示为:()()()()式中:()为塔线体系各部分离地面高度 处平均风速()为输电线路脉动风速可采用 功率谱进行脉动风场模拟.风荷载影响系数为研究风荷载对输电塔线体系地震与风荷载耦合工况最大动力响应的影响定义风荷载应力影响系数 和风荷载位移影响系数 以 反映风荷载对输电塔线体系某杆件地震作用下最大应力水平的影响 反映风荷载对输电塔线体系最大塔顶位移的影响 当 和 为正数时代表风荷载增大了结构响应 计算公式如下:()()式中:为输电塔某构件耦合工况最大应力 为输电塔某杆件地震工况最大应力 为输电塔某节点耦合工况最大塔顶位移 为输电塔某节点地震工况最大塔顶位移响应工程概况及有限元建模.工程概况图 输电塔简图.选用 型输电塔为研究对象如图 所示 场地类别为类场地设防烈度 度罕遇地震峰值加速度.基本风速 /设计覆冰厚度 铁塔呼称高 总高 根开.输电塔主材为 与 等边角钢斜材为 等边角钢 导线型号为/外径.地线型号为 外径.有限元建模采用 软件建立上述“三塔四线”有限元模型水平档距为 如图 所示 以垂直输电线路方向为 向沿输电线路为 向竖向为 向 输电塔杆件采用梁单元()进行模拟地线及导线部分采用桁架单元()进行模拟每根导(地)线划分为 个单元 输电塔底部采用固定端约束导(地)线端部采用铰接约束 等采用真型试验及有限元模拟方法研究了此型世 界 地 震 工 程第 卷号输电塔破坏全过程研究结果表明:.高度处塔身主材为该输电塔薄弱部位 选取中塔该位置主材为输电塔观测杆件进行应力响应分析 选取中塔塔身顶部为观测点进行位移响应分析如图 所示图 “三塔四线”有限元模型.动力响应分析.地震波选取根据输电塔结构标准反应谱于太平洋地震工程研究中心数据库获取多条地震运动记录以、和 三组真实场地地震动为例包含两个水平分量、和一个竖向分量 详细信息见表 每条地震波截取 作为输电塔地面输入时间间隔为.水平 向峰值加速度()调幅至.其余两向进行等比例调幅表 地震波记录信息 地震名称时间/年台站震级/.向:.向:.向:.向:.向:.向:.向:.向:.向:.地震响应分析 图 罕遇地震下观测杆件应力时程曲线 .分别采用选取的 条地震波对输电塔线体系进行多维罕遇地震作用下动力时程分析观测杆件的应力时程曲线如图 所示 在 、和 作用下的最大应力分别为 .、.和.可以看出:在不同地震波作用下观测杆件的峰值应力差异明显 在 波作用下输电塔观测杆件应力响应波动最为剧烈峰值应力最大 相对而言 波在三组地震波中是最不利的中塔顶点(观测点)在 条地震波作用下沿 和 向的位移时程曲线如图 所示 在 、和 地震波作用下观测点沿 方向的最大位移分别为.、.和.沿 方向的最大位移分别为.、.和.第 期王文明等:输电塔线体系罕遇地震风共同作用下的多灾害响应研究可以看出:在不同地震波作用下观测点 和 向位移响应时程均存在一定差异 方向位移峰值明显大于 向位移峰值 较 波和 波在 波作用下输电塔观测点 和 向位移时程波动均最为剧烈峰值最大 综合观测杆件和观测点响应 波为输电塔的最不利地震动输入图 罕遇地震下观测点位移时程曲线.风荷载模拟图 塔顶处风荷载时程曲线.根据架空输电线路杆塔结构设计技术规定(/)杆塔设计需进行安装工况验算基本风速按照 /取值塔和线处于无冰状态 输电塔一般位于空旷地带年平均风速较大很多地区的年平均风速在./以上甚至超过 /分别采用 /、/和 /作为基本风速采用 功率谱密度函数计算结构风振响应采用谐波叠加法模拟风场生成各加载点 风荷载的动力时程 输电塔塔身风荷载加载点如图 所示导(地)线加载点为各单元端点图 所示为输电塔 /风速作用下塔顶处风荷载时程数据可以看出:前 风荷载波动较大 以后风荷载较为平稳.多灾害响应分析.风速影响进行输电塔地震风耦合作用有限元模拟时在风荷载作用 后输入地震波输电塔在前 只受风荷载作用 同时承受风荷载和地震作用 风荷载风速分别采用 /、/和 /并沿输电塔线体系 轴正向输入图 为输电塔在罕遇地震风荷载(不同风速)耦合作用下观测杆件应力时程曲线 可以看出:不同工况下的应力时程曲线形状接近 随着风速的增大曲线整体向下移动导致观测杆件的峰值正应力减小峰值负应力增大 输电塔耦合工况应力响应受风荷载作用影响明显各地震工况的观测杆件应力峰值得到不同增幅其中输电塔最不利地震动(波)工况增幅程度最小 受风荷载作用影响结构应力峰值出现时刻可能会出现变化输电塔在地震作用下的 向位移响应明显小于 向位移响应本文以 向位移响应为分析对象研究风荷载对观测杆件位移时程的影响 图 为输电塔在罕遇地震风荷载(不同风速)耦合作用下观测点 向位移时程曲线 可以看出:各工况观测点位移时程形状近似整体随风速增大逐渐向上移动观测点 正向位移响应逐渐增大负向位移响应逐渐减小 其中:波和 波耦合工况中塔顶点 向位移峰值随着风速增大逐渐由负转正表 给出了考虑风荷载影响后输电塔在罕遇地震风荷载耦合激励下的风荷载影响系数 可以看出:在不同的地震波和不同风速作用下风荷载影响系数不同 随着风速的增大风荷载应力影响系数和位移影世 界 地 震 工 程第 卷响系数呈增大趋势 其中:输电塔在最不利地震动(波)风荷载耦合作用下由于输电塔的地震响应最大风荷载影响系数最小 在安装工况风速作用下风荷载应力影响系数可达.(波)风荷载位移影响系数可达.(波)即使在大概率发生的 /风速作用下(年平均风速为./)风荷载影响系数也不容忽视 可以看出:对输电塔线体系进行罕遇地震作用下的抗震验算时有必要考虑风荷载的影响图 罕遇地震风荷载耦合作用下观测杆件应力时程曲线.图 罕遇地震风荷载耦合作用下观测点侧向塔顶位移时程曲线.表 罕遇地震风荷载耦合作用下输电塔风荷载影响系数 地震名称风荷载应力影响系数/风荷载位移影响系数/.耦合作用时间影响以输电塔观测杆件应力响应为例研究耦合作用时间对输电塔线体系多灾害动力响应的影响 地震波采用 波通过调整地震波输入时刻从而改变地震作用和风荷载耦合作用时间 观测杆件在地震作用和风荷载单独作用下的应力时程曲线如图 所示 点为观测杆件在地震作用下应力的极小值点 和 点分别为观测杆件在风荷载下应力的极小值点和极大值点 通过调整地震波输入时刻可以使观测杆件应力极值与风致响应应力极值出现时刻接近从而使观测杆件在多灾害耦合作用下的峰值应力增大或减小 设置两组对照工况.(地震波在 .输入以下类同)和 .与前述工况 进行对比分析第 期王文明等:输电塔线体系罕遇地震风共同作用下的多灾害响应研究 图 观测杆件地震和风单独作用下 图 罕遇地震风荷载(耦合时间不同)耦合 的应力时程 作用下观测杆件应力时程曲线 .观测杆件在不同耦合时间作用下的应力时程如图 所示 可以看出:在不同耦合作用时间影响下三组耦合工况观测杆件应力响应时程形状较为接近应力峰值存在一定差异 工况应力峰值为.小于 .工况应力峰值(.)大于 .工况应力峰值(.)耦合工况峰值应力明显小于单独工况峰值应力之和可以看出:观测杆件多灾害工况下的峰值应力不是单独作用下峰值应力的简单叠加表 罕遇地震风荷载(耦合时间不同)耦合作用下输电塔风荷载应力影响系数 地震耦合工况风荷载应力影响系数/.表 给出了输电塔在不同耦合时间时的风荷载应力影响系数对于选取的三个工况介于.和.之间 的最大值是其最小值的.倍 可以看出:受地震和风荷载共同作用时间的影响输电塔风荷载应力影响系数是不确定的且变化范围较大 一般来说当观测杆件地震作用应力极大值与风致作用应力极大值出现时刻接近时观测杆件应力极大值变大 当地震作用应力极大值与风致作用响应极小值出现时刻接近时观测杆件应力极大值变小 输电塔在地震作用风荷载多灾害工况下的峰值响应与耦合作用时间相关其影响不容忽视.风向影响直线塔最不利风向一般为或此 型输电塔结构设计的最不利风向为 为研究风向对输电塔地震响应的影响风速取 /风向分别采用(前文采用的风向)、及最不利风向(风向)如图 所示 地震波采用 波分别输入不同风向的风荷载对输电塔线体系进行动力时程分析 观测杆件在地震风荷载(风向不同)激励下的应力时程曲线如图 所示 可以看出:改变风向后观测杆件的应力响应变化明显、和 风向耦合工况应力时程明显大于 和 风向耦合工况 风向为 时峰值正应力最大 和 风向耦合工况峰值负应力较为接近风向工况略大于风向工况其余工况的应力时程曲线基本位于上述三者曲线之间 可以看出:当风荷载对地震输入主方向造成影响时输电塔结构应力响应产生的变化最大观测点在耦合作用下的位移时程曲线如图 所示风向包括、和 五个风向 可以看出:观测点位移时程曲线受风向的影响较大 较地震单独作用工况地震风耦合工况下观测点位移时程曲线整体向 向正向偏移风增大了观测点正向峰值位移 相反地较地震单独作用工况地震风耦合工况下观测点位移时程曲线整体向 向负向偏移风增大了观测点负向峰值位移 风和 风向为顺导(地)线方向与结构主地震输入方向垂直观测点位移时程曲线整体上位于地震风和地震风时程曲线之间 最不利风向()工况位移时程曲线同整体向 向正向偏移偏移幅度小于 风耦合工况世 界 地 震 工 程第 卷图 罕遇地震风荷载(不同风向)耦合作用下观测杆件应力时程曲线.图 罕遇地震风荷载(风向不同)耦合作用下观测点侧向塔顶位移时程曲线.表 给出了不同风向工况下输电塔风荷载影响系数 在不同风向下介于.之间 介于.之间 考虑风荷载耦合作用后输电塔在罕遇地震作用下的响应可能增大也可能减小 由于输电塔线体系高阶振型影响较大和 的正负可能不同 例如在 工况下考虑 /的风荷载后观测杆件峰值应力提高了.观测点峰值位移减小了.通过以上分析可以看出:输电塔在地震作用风荷载下的耦合响应受风向影响显著 风荷载可以增大也可以减小输电塔在地震作用下的结构响应 一般而言当风向与输电塔地震作用下最大位移响应的方向一致时风荷载可增大其地震响应 当风向与其地震作用下最大位移响应的方向相反时风荷载可减小其地震响应 对输电塔进行地震作用下风荷载下的多灾害响应分析时应考虑风向的影响表 罕遇地震风荷载(风向不同)耦合作用下输电塔风荷载影响系数 地震耦合工况风荷载应力影响系数/风荷载位移影响系数/.结论以某 输电塔为研究对象采用动力时程分析法对其进行罕遇地震作用和罕遇地震风荷载耦合作用下的结构响应进行对比分析研究了输电塔受风速、耦合作用时间和风向等因素的影响得到以下结论:)考虑风荷载的耦合作用后输电塔线体系在罕遇地震作用下的影响发生明显变化 风荷载对输电塔多灾害动力响应的影响不容忽视其风荷载影响系数会随风速的增大呈增大趋势)输电塔在地震作用风荷载多灾害工况下的峰值响应与耦合作用时间相关耦合作用时间的影响不容忽视 当地震作用下的应力峰值与风致应力极值(正负号与应力峰值相同)出现时刻接近时多灾害应力响应极值明显增大)输电塔在地震作用风荷载下的耦合响应受风向影响显著 风荷载可以增大也可以减小输电塔在地震作用下的结构响应 对输电塔进行地震作用下风荷载下的多灾害响应分析时应考虑风向的影响)研究输电塔线体系在旱遇地震风共同作用下的响应时仅采用了某 直线塔塔型对于其他塔型有待进一步研究第 期王文明等:输电塔线体系罕遇地震风共同作用下的多灾害响应研究参考文献: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.土木工程学报 ():.:.():.().:.:.:.:.():.():.李正良 罗熙越 蔡青青.考虑塔线耦合作用的输电塔体系风振系数研究.建筑钢结构进展 ():.():.().:.:.:.():.严波 盛金马 姜克儒 等.猫头型输电塔在覆冰与风荷载下的动力稳定.科学技术与工程 ():.():.().:.李宏男 李钢 郑晓伟 等.工程结构在多灾害耦合作用下的研究进展.土木工程学报 ():.():.()任重翠 刘军进 李建辉 等.风荷载与地震耦合作用下超高层建筑的结构损伤与玻璃幕墙坠落研究.建筑结构学报 ():.():.().:.():.李宏男 白海峰.输电塔线体系的风(雨)致振动响应与稳定性研究.土木工程学报 ():.().():.()/架空输电线路杆塔结构设计技术规定.北京:中国计划出版社./.:.().():.():.