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1、第20卷第2期华 中 科 技 大 学 学 报(城市科学版)Vol.20No.22003年6月 J.ofHUST.(UrbanScienceEdition)Jun.2003输电线路动力分析的多质点模型研究111瞿伟廉 殷惠君 陈 波(1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院,湖北 武汉 430070)摘 要:介绍了输电线路振动的基本特点,采用多质点模型对塔线体系的耦联振动进行了研究,重点分析了多质点模型的几个模型参数对动力特性的影响.对工程实例的仿真分析表明,该模型能较准确地反映输电线路的塔线耦联振动效应,值得推广应用.关键词:输电线路;
2、塔线耦联; 动力特性中图分类号:TU311.3;TM753 文献标识码:A 文章编号:100025730(2003)0220001205 输电线路作为一种重要的生命线工程,在强烈地震和风振作用下容易损伤甚至倒塌,确保风振和地震作用下输电线路的正常工作,已成为工程界一个重要的研究课题.目前在输电线路的设计中,导线与输电塔通常是分开设计,没有考虑塔线之间的耦合作用.事实上导线与塔架在脉动风作用下形成了复杂的动力耦合体系.与通常的自立式塔结构相比,输电线系统的最大特点是包含非线性很强的输电线,目前已经提出了众多的计算模型,
3、其中多质点模型将输电塔简化为具有多个集中质量的串联多自由度体系,导线简化为多个集中质点,各集中质点之间由刚性杆相连.该模图1 多质点模型的计算简图型计算结果与理论解吻合较好,能较准确地反映1.1 输电线平面内纵向振动输电线路的塔线耦联振动效应.由多个刚性连杆和集中质量铰接组成的悬索在平面振动的多自由度体系如图2所示.为了简1 多质点模型化计算,可假设沈阳建工学院的李宏男教授等率先提出,利用该模型开展了高压输电塔线体系的地震反应研究.武汉大学的梁枢果教授等在李宏男等的研究工作基础上考虑了节点纵向位移二阶小量的影图2 悬索纵向振动的多自由
4、度计算模型响,并基于输电塔线体系属高柔结构,风荷载是主mi=m(i=1,2,⋯,6);要荷载的特点,对输电塔线体系的动力特性和频(li0+lis)cosHi0=l(i=1,2,⋯,7);域风振响应做了研究,使该模型能同时适用于地(li0+lis)sinHi0=hi(i=1,2,⋯,7),震和风振响应的计算.依据多质点模型(图1),塔式中,Hi0为杆li的位置角Hi在静止时的值;li0为杆线体系做平面内纵向振动时,将导线简化为两端固定的悬索,塔线体系做平面外横向振动时将导li的原长;lis为各铰处集中质量重力引起的连杆线简化为垂链.静变
5、形.假定H角以顺时针转向为正,l以伸长为正,则有约束方程收稿日期:2003204201.作者简介:瞿伟廉(19462),男,教授;武汉,武汉理工大学土木工程与建筑学院(430070).©1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.· 华 中 科 技 大 学 学 报2·(城市科学版)2003年77链的刚度矩阵为一带状矩阵,则此时塔线体系的∑licosHi=7l;∑lisinHi=0.i=1i=1刚度矩阵是耦联的.图2中的7连杆体系为1
6、2自由度体系.由于输电线路一般是连续多跨,在采用多质点模体系受到干扰后在静力平衡位置附近振动,令Ni型法计算连续多跨体系的动力特性时,显然只能=DHi=Hi-Hi0(i=2,3,⋯,6)及Di=Dli=li-li0-取塔线体系的一部分分析,用边界条件来模拟其lis(i=1,2,⋯,7)为体系振动微分方程广义坐标,它部分的影响.输电线采用多塔多线模型分析时,则由拉格朗日方程可建立体系振动的微分方程.虽然可提高计算精度,但在显著增加计算量的同输电线体系的动能可表示为[6]时结果精度的提高并不明显,取一塔两线模型612a2已可满足工程上的精
7、度.采用一塔两线模型时,若T=∑mi(uai+vi)=i=12导线划分为13根连杆,输电塔简化为具有9个集aaaaaaaaaaaaT(N2,N3,N4,N5,N6,Dl1,Dl2,Dl3,Dl4,Dl5,Dl6,Dl7).中质量的串联多自由度体系,则塔线体系在平面aa由5Tö5Ni(i=2,3,⋯,6),5Tö5Di(i=1,2,⋯,7)可纵向振动的刚度矩阵和质量矩阵分别为求得体系振动微分方程的质量矩阵[M].同理,输[k]线电线体系的势能可表示为K=[k]塔;6722EA(ljs+Dlj)ljs).[k]线U=∑migvi+∑2-i
8、=1j=1lj0lj0′[m]线[m]左耦联由5Uö5Ni(i=2,3,⋯,6),5Uö5Di(i=1,2,⋯,7)可M=[m]左耦联[m]塔[M]右耦联.求得体系振动微分方程的刚度矩阵[K].′[M]右耦联[m]线1.
