典型输电塔的地震响应参数分析.pdf

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四川建筑科学研究第40卷第3期180SichuanBuildingScience2014年6月典型输电塔的地震响应参数分析李士锋，袁清泉(国核电力规划设计研究院，北京100095)摘要：以一典型输电塔为研究对象，建立了输电塔的空间有限元模型，并通过振型分解反应谱法对其多遇地震反应进行了计算，并分析总结了输电塔在不同的场地指数、结构阻尼比及设防烈度下的地震响应变化规律。结果表明，随着场地指数的增大、结构阻尼比的减小、设防烈度的增大，塔身位移和支座反力的地震响应均越来越大。关键词：输电塔；有限元；振型分解反应谱；地震响应中图分类号：TU312文献标志码：B文章编号：1008—1933(2014)03—180—030引言输电塔线体系具有塔体高、跨距大、柔性大等特点，对地震、台风、冰雪等环境荷载的反应极为敏感。不少国内学者对塔线体系进行了大量研究，梁枢果等¨将导线简化成多刚性连杆，采用势能和动能原理建立塔线耦联体系的多自由度方程。沈国辉等针对某大跨越输电塔线体系，采用振型分析反应谱法和时程分析法进行了考虑三向输入的地震响应研究。邓洪洲等也采用了这两种方法分析了图l典型输电塔立面与侧面某大跨越塔线体系的多遇地震反应，并对控制杆件的内力进行对比研究。但学者们对单塔地震响应的为主，两个方向上的自振频率比较接近。详细参数(如场地指数、结构阻尼比及设防烈度)影表I输电塔前6阶自振频率与振型响分析较少。本文以一典型输电塔为研究对象，采用有限元软件ANSYS对其进行精细化建模，并通过振型分解反应谱法计算分析了输电塔在不同的场地指数、结构阻尼比及设防烈度下的地震响应变化规律，得到了一些非常有意义的结论。1输电线塔分析模型及动力特性2地震反应谱及计算工况某典型输电塔总高81．5m，塔头高6．5m；塔身反应谱是通过理想的单质点体系反应来描述地平面为正方形，基底根开为l5．3m，图1给出了该震动特性，它定义为一个自振动周期为、阻尼比为输电塔的立面与侧面。采用大型有限元软件AN—的单质点体系在地震动作用下反应的最大值S~S进行建模与地震响应计算，所有的构件均采用S(T，)随周期变化的函数。由于反应谱能够较空问梁单元beam4进行模拟，材料的弹性模量E=好地描述地震动特性及结构的地震响应，因此普遍2．1×10“，泊松比为0．3，密度为7850kg／m。为各国抗震设计人员接受，我国电力设施抗震设计表1给出了输电塔前6阶自振频率与振型，从规范和建筑抗震设计规范均以反应谱理论为表中可以看出，输电塔以向、l，向的一阶平动振型基础。电力设施规范中的反应谱曲线是对应阻尼比为5％时给出的，当阻尼比不等于5％时，其水平地收稿日期：20134)3-05震影响系数由5％阻尼比的水平地震影响系数乘以作者简介：李上锋(1970一)，男，高级工程师，主要从事高压输电线阻尼修正系数求得。路设计工作。E—mail：hcheng66@q‘1com为了研究场地指数、结构阻尼比及设防烈度对 2014No．3李士锋，等：典型输电塔的地震响应参数分析181输电塔地震响应的影响，采用振型分解反应谱法不同结构阻尼比时，在、l，向地震动作用下的进行了9个工况的计算分析，计算工况见表2。其输电塔沿塔身高度方向的位移变化规律如图5和图中，场地指数为0．5，阻尼比为5％，设防烈度7级时6所示。从两图中均可知，随着结构阻尼比的增的地震影响系数曲线如图2所示。大，地震响应越来越小，这是因为结构阻尼越大，消表2计算工况耗的能量越多，故地震位移响应得到抑制。图5向地震动下结构阻尼比对结构位移的影响图6Y向地震动下结构阻尼比对结构位移的影响图2地震影响系数曲线图7和图8分别给出了不同设防烈度时，在、3地震响应的参数分析l，向地震动作用下的输电塔沿塔身高度方向的位移变化规律。从两图中均可看出，随着设防烈度的增3．1输电塔沿高度方向的位移大，地震位移响应越来越大。图3和图4分别给出了不同场地指数时，在、y向地震动作用下的输电塔沿塔身高度方向的位移变化规律。从两图中均可看出，随塔身高度的增加，地震位移响应越来越大；随着场地指数的增大，地震位移越来越大；与地震动激励相同方向的位移要大于另一方向的位移响应。8060图7向地震动下设防烈度对结构位移的影响40娄200图3向地震动下场地指数对结构位移的影响图8Y向地震动下设防烈度对结构位移的影响3．2输电塔支座反力响应上节分析了塔身位移响应随场地指数、结构阻尼比及设防烈度的变化规律，为进一步了解输电塔的支座反力响应情况，不同参数下的支座反力见表图4Y向地震动下场地指数对结构位移的影响3～5。 182四川建筑科学研究第4()卷从表3中可知，随着场地指数的增大，各支座要大于另一方向的支座反力。这与图3～4所示的反力越来越大；与地震动激励相同方向的支座反力规律是一致的。表4不同结构阻尼比时的支座反力从表4中可以看出，随着结构阻尼比的增大，消耗的能量越多，从而抑制了地震反力响应的缘故。各支座反力越来越小。这亦是由于结构阻尼越大，这与图5～6所示的规律是一致的。表5不同设防烈度时的支座反力从表5中可知，随着设防烈度的增大，各支座反支座反力响应均越来越小。力越来越大。这与图7～8所示的规律是一致的。4)随着设防烈度的增大，地震塔身位移和支座反力响应均越来越大。4结论5)与地震动激励相同方向的塔身位移和支座本文以一典型输电塔为研究对象，采用有限元反力响应均大于另一方向的响应。软件ANSYS进行精细化建模，并通过振型分解反应参考文献：谱法计算分析了输电塔在不同的场地指数、结构阻尼比及设防烈度下的塔身位移及支座反力响应，得[I]梁枢果，朱继华，王力争．大跨越输电塔一线体系动力特性分析[J]．地震工程与工程振动，2003，23(6)：63459．到的主要结论如下。[2]沈国辉，孙炳楠，何运祥，等．大跨越输电塔线体系的地震响应1)随塔身高度的增加，地震位移响应越来越研究[J]．工程力学，2008，25(11)：212—217．大。[3]邓洪洲，司瑞娟，邓凌君．大跨越输电塔线体系地震反应分析2)随着场地指数的增大，地震塔身位移和支[J]．振动与冲击，2011，30(7)：173—177．座反力响应均越来越大。[4]GB50296--96电力设施抗震设计规范[s]．3)随着结构阻尼比的增大，地震塔身位移和[5]GB50011—2oo1建筑抗震设计规范[s]．