浅谈输电塔结构的动力稳定性

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1、浅谈输电塔结构的动力稳定性陈晓祥（江丙恒泰电力勘测设计有限公司330096）摘要：随着科技进步和岡民经济的迅速发展,高压、超高压输电方式已成为当今电力供应的主要发展模式。据国家电力规划部门预测,2020年前我国将建成超过7000km的高压输电线路。作为高负荷电能输送载体的重要组成部分，高压输电塔的破坏不仅会导致供电系统的瘫痪，造成重大的经济损失，同时还可能会引发火灾等次生灾害，给人民群众的生命财产造成重大威胁［2］。统计资料显示，输电塔的破坏有很大一部分是由于风荷载下杆塔的动态侧倾失稳造成的，而现行规范中并未考虑风荷载的动力效应。针对这种情况，对输电塔的风荷载作用下的动

2、力稳定性的研究就显得十分必要和迫切。关键词：输电塔结构动力稳定性1稳定性的判定准则结构的稳定性问题有多种定义方法，一般来讲，如果结构在微小的荷载增量下产生了较大的响应变化，则认为结构发生了失稳或屈曲。从数学上来说，结构在荷载作用下出现的屈曲可转化为平衡方程的多值性问题，属于定态分叉问题［6］。结构稳定性的判定准则，目前普遍采用的是能量准则，该方法是考察包括结构变形和外荷载在内的力学系统的总势能C,如果C达到最小，则结构就是稳定的。从数学意义上就是考察总势能C二阶变分的符号。若W2C>0,则结构是稳定的;W2C=0时,结构处于临界状态;W2C<0时,结构处于失

3、稳状态。Budiansky-Roth准则。B-R准则最早由Bu-diansky和Roth［7］在研究球壳跳跃屈曲问题时提出。该准则可表述为:如果结构在微小荷载增量下引起剧烈响应变化，则认为结构屈曲。这个准则建立在物理直观上，在数值计算中比较容易实现。位移相等准则。雅库勃夫［8】在讨论爆炸波作用下的土中圆柱壳的屈曲问题吋采用了该准则。该准则利用静动力屈曲位形相同的基本假设,认为结构受动力作用产生的位移与相应的静力屈曲位移相等时，结构就发生屈曲。动态增量法(IDA)。该方法通过计算不同强度动力荷载下结构的动力响应，得到相对于荷载参数的结构特征响应,研究荷载参数与结构特征响应

4、之间的关系来判断结构的动力稳定性［9】。本文基于有限元软件ANSYS的结构分析模块，采用APDL语言,对沈阳某高达75.9m的输电塔进行非线性屈曲分析和不同强度水平脉动风激励下的时程分析，根据得到结果，采用Budiansky-Roth准则和动态增量法(IDA)结合位移相等准则，对该输电塔的动力稳定性进行研宄。2有限元模型的建立考虑到输电塔结构在实际工作中各杆件均要承担不同大小的剪力和弯矩，而且结构具有较强的几何非线性，故输电塔各杆件均采用可自定义截面形状的BEAM188梁単元模拟。该単元建立在Timo-shenko梁分析理论基础上/考虑了剪切效应和大变形效应。本文利用理

5、想弹塑性模型来模拟钢材的非线性行为。塔体主材和横担主材采用Q345钢材，塔体斜材、横隔面材及艽他辅助材均选用Q235钢材。Q345和Q235的屈服强度分别为310MPa和215MPa,两种钢材的弹性模量和泊松比相同，均为206E+11Pa和0.3。整个输电塔共划分为2082个单元，产生2886个节点，约束底部4个节点的所有自由度，不考虑地基与输电塔结构间的相互作用，冇限元模型见图1。3输电塔结构的动力稳定性研究IDA法分析的一个比较关键的因素在于特征响应的确定，特征响应要能较好反映结构在整个时间历程中的位形。根据输电塔的结构特点，输电塔顶节点位移响应大，能较好反映各阶模

6、态控制下的结构响应，故本文选用输电塔顶1927号节点（见图1标示）在整个时程中的最大位移响座作为特征响应。为得到结构在各级风荷载的特征响应，用谐波叠加法模拟了平均风速分别为15、20、25、30、35、40、42m/s的输电塔各分段高度处的脉动风速吋程，通过ANSYS,对结构在各级模拟风速下前50s的时程响砬进行了分析，图4为40m/s脉动风作用下结构50s的位移响应吋程曲线。图240m/s脉动风作用下特征响应点（1927号）的位移时程曲线根据各风速下的吋程分析，即可求出结构的特征响应，图3为结构特征响应点位移与风速的关系曲线。由图3可以明显看出，结构在40m/s的脉动

7、风作用下，曲线己经趋于水平，而且特征响应点（1927号）的最大位移达1.12m,已经非常接近非线性屈曲分析中结构屈曲时相应节点的位移（1.35m＞。当对结构进行42m/s脉动风作用下的吋程分析吋,在程序进行了2s的吋程计算后，结构产生了较大位移,程序提示结构约束不足或者已经发生屈服，显然此吋结构已经失去承载能力。图中最后一个点是42m/s风速下结构在前2s内的特征响应，其值为2.264m,根据位移相等准则可知，此吋结构己经发生动力失稳。图3特征响应点位移与风速关系的曲线结语：作为一种重要的生命线工程，输电线路的破坏会造成巨大的经济损失。统