摘 要

输电塔的抗风设计是该类结构设计时需要考虑的主要内容之一，风荷载对结构起着不可忽视的控制作用，塔线耦联效应使得输电塔的破坏加剧，每年输电塔因受大风而发生倒塌、破坏的例子数不胜数，本文主要是研究输电塔线之间的耦联与解耦作用，文中用ANSYS软件进行了某地区一塔两线模型的建立，模型中导线两端添加固定约束，应用典型的谱表现方法和Davenport谱生成特定条件的风场对模型进行风场仿真，对模型的单导线、耦联体系、解耦体系三种工况进行了风振响应计算，提取了塔顶位移、支座剪力、支座反力、基底弯矩、典型杆件内力等的时程计算数据，利用MATLAB软件绘出时程图，对比分析了耦联与解耦两种工况下的相互联系与区别，之后将时程数据经傅里叶变换之后得到功率谱密度图，得到动力响应的频率分布图。研究结构表明，耦联效应大大增加了结构的不安全性，通过解耦效应与耦联效应之间对比发现，进行解耦计算能够较为精确的反映耦联效应，结构具有较高的工程精度，可用于输电塔设计，由频率分布情况可知，体系的主要振动响应发生在低频阶段。

关键词：输电塔；风荷载；耦联；解耦

Abstract

The wind-resistant design of the transmission tower is one of the main contents to be considered in the design of this type of structure. The wind load plays a non-negligible control role on the structure. The coupling effect of the tower line makes the damage of the transmission tower intensify, and the transmission tower is affected by the strong wind every year. There are countless examples of collapse and destruction. This paper mainly studies the coupling and decoupling between transmission tower lines. In this paper, ANSYS software is used to establish a two-lane model of a tower in a certain area. The typical spectral representation method and the Davenport spectrum are used to generate the wind field of the model to simulate the wind field. The wind-induced response of the single-wire, coupling system and decoupling system of the model is calculated. Time history calculation data such as top displacement, bearing shear force, bearing reaction force, base bending moment, and internal force of typical members. The time history map is drawn by MATLAB software, and the coupling and decoupling conditions are compared and analyzed. The correlation and difference between the two, the time-path data is Fourier transformed to obtain the power spectral density map, and the frequency distribution of the dynamic response is obtained. The research structure shows that the coupling effect greatly increases the structural insecurity. By comparing the decoupling effect with the coupling effect, it is found that the decoupling calculation can accurately reflect the coupling effect, and the structure has high engineering precision. It can be used in transmission tower design. It can be known from the frequency distribution that the main vibration response of the system occurs in the low frequency stage.

Key Words：tower；wind load；coupling；decoupling

目 录

1.绪论 1

1.1引言 1

1.2典型输电线路的组成结构及作用 2

1.3输电塔-线耦联体系的研究现状 3

1.4本文研究内容 5

2.有限元模型的建立及风场的计算和模拟 7

2.1有限元建模 7

2.1.1输电塔建模 7

2.1.2输电塔的模态分析 8

2.1.3输电线和绝缘子体系建模 9

2.1.4输电线的模态分析 12

2.1.5形成一塔两线模型 12

2.1.6一塔两线模型模态分析 13

2.2输电塔—线耦联体系的风场仿真 17

2.2.1.平均风速 19

2.2.2脉动风速 19

2.2.3风荷载时程计算 20

3.不同工况下输电线路风振响应有限元分析 22

3.1单导线分析 22

3.2塔线耦联体系与解耦体系对比分析 23

3.3小结 24

4.结论 29

参考文献 30

致谢 32

1.绪论

1.1引言

电能成为了我国目前正在使用的主要能源之一，各类生产活动、工作都与电能密切相关，我国电力工业得到的飞速发展带动了经济的进步，电力工业发电与送电技术也越来越先进，从传统的火力发电到现在的风能、核能发电等环保型发电，年发电量越来越高，然而随着发电量越来越大，城市用电越来越大，电能开发的技术、输电方式也越来越先进，传统的高压、超高压输电技术的输电方式将逐渐被淘汰，与此同时，如何保证电压安全送到各家各户就成为了必须要考虑的问题。目前我国电网的主要架构形式主要是通过架设在地面和空中的输电塔线结构，多个塔线结构组成的电网。在建设过程中，输电线路塔架的高度和档距受地形等因素的影响，会出现大跨越体系，风荷载是输电塔线的主要控制荷载之一，对于塔线体系所受到的风荷载，会随结构的高度等参数而变化，输电塔线体系是典型的大跨高耸结构，输电线具有很大的柔度，受风荷载影响较大，在强风作用下，塔线发生振动致倒塔事故时有发生，所以保证输电塔结构的安全性对电力输送来说非常重要。

依据资料显示，我国每年的输电线路受到风灾发生破坏的例子数不胜数，2008年，台风“黑格比”登陆广东，广东电网多数110 kV及以上的高压输电线路出现倒塌、损坏等问题；2013年，台风“天兔”造成广东某些市区部分县区因输电线路损坏而全部停电，给广东电网和居民生活带来了很大的损失；2016年台风“莫兰蒂”登陆福建，给给厦门电网造成了前所未有的毁灭性损失，许多输电线路被大风吹得几乎“粉身碎骨”，输电塔弯折、倒塌等事故不在少数；2018年，台风山竹造成沿海地区大范围停电，其中广东佛山共有43000余用户停电。由此可见，强台风等风荷载活动对电力系统造成的损失可谓是十分严重。

图1.1 风致输电塔倒塌图

各种灾害表明，输电塔线路体系在强风荷载下很容易产生倒塌、损坏，抗风设计成为了一个不可或缺的重要内容。塔线系统中，输电塔刚度较大，具有一定的抗风能力，而输电线却是典型的悬索柔性结构，对风荷载极其敏感。导线与输电塔之间会相互作用，现有的研究把这种相互作用关系称之为耦联效应，这种相互作用会对输电塔结构的风振响应产生显著的影响。带有导线的输电塔其在风荷载等动力作用下比不带导线的输电塔要复杂的多得多，因此，精确的计算输电塔风振动力响应，必须考虑这种塔线之间的耦合效应，把输电塔与导线作为一个整体来考虑，合理分析输电线路中的抗风的薄弱点，正确认识到台风、下击暴流对电网系统造成的影响，研究塔线之间是如何相互作用的。

1.2典型输电线路的组成结构及作用

现有的高压输电塔–线体系的主要组成部分主要有：输电杆塔、绝缘子、输电线，如图1.2所示。

输电杆塔是线路结构的主要组成部分，主要作用是每隔一段距离支撑和架空电力线，与输电线形成电网系统，现有的输电塔基本为空间桁架结构，输电杆塔的强弱是保证电能安全输送到电网或用户的重要保障之一。目前杆塔有着多种型号和规格，按杆塔的主要功能可以分为以下几种：

1)直线杆塔：也叫中间杆塔，位于线路中部，主要是作为输电线的悬挂点，是现有线路数量最多、应用最广泛的一种杆塔。

2)耐张杆塔：又叫承力杆塔，一般在线路的末端，结构强度刚度等性质比直线塔要强，承受的到导线的荷载也更大。

3)终端杆塔：是最靠近变电所的一种杆塔，主要是用来承受导线的张力。

输电线有导线、地线等多种类别，导线和地线一般均架设在户外空中，这样是最经济也是最方便检修与维护的架设方法。导线主要是用来输送电流，地线的作用则是将雷电产生的电击流传向大地，可以用来防雷，线路中，它们除了要承受自身重量之外，输电线还会承受着风荷载和温度应力等多种力的作用，且具有很强的非线性，在结构分析中需要重点关注。输电线的材料一般是单股绞线（如铜线、铝线等）绞合在一起形成多股绞线，以此来提高线的强度。

绝缘子有“U”、“V”、“I”等多种形状，主要功能是连接导线与输电塔，并可以使二者相互绝缘。因此绝缘子的好坏便取决于它的刚度和绝缘性能。

图1.2 典型的输电塔-线系统组成（赵桂峰）

1.3输电塔-线耦联体系的研究现状

刘群（1997）就输电塔线体系的的风振耦合效应的产生原理进行了研究^[1]，选取的研究对象为云南省漫湾-昆明500kV高压输电线路，他认为出现耦合效应的主要原因是杆塔并非完全刚性体，杆塔在风荷载作用下在平面内外会发生振动，会产生一定的位移，杆塔的振动会带动导线的振动使整体体系受到产生影响，使得导线的振动加剧，最后体系由于二者之间的相互作用在强风下发生破坏。

李宏男（1997）在研究输电塔线体系时抗震时^[2]，考虑完塔线之间的耦合作用后给该体系总结出了一般的动力计算简图和振动方程，并且通过具体的实例进行了计算验证，结果基本符合要求，即输电塔可看成是由多个质点由上往下组成，质点划分的个数越多，计算结果便越精确。

梁枢果（2003）对塔线体系进行动力分析后^[3]，提出了适用于进行动力特性分析的多自由度计算方法，用结构力学方法将杆塔简化成多阶段质点悬臂杆，而导线可简化成与悬臂杆铰接的多段连杆，杆塔的质量集中在每阶段的顶部，导线的质量集中在各个铰接位置处，此种简化计算方法还与导线与杆塔的质量有关，当二者质量较大时，输电塔的振型和频率会受到影响。

郭勇（2006）建立对舟山大跨越输电塔线体系建立了有限元模型^[4]，对单塔和塔线体系的风振响应进行了分析，对比了二者的塔顶位移和功率谱密度，考虑导线后的振动特性会复杂的多，且不同风向角引发的响应不同，90°风向角影响是最大的，研究还发现杆塔的响应主要由背景响应和共振响应两个组成。背景响应相当于杆塔受到了一个静荷载的作用，具有准静态的性质，此方法的提出是响应的方法可按照简单结构力学的方法来进行求解。共振响应主要是指体系的共振，是体系的主要动力特性。当塔发生振动时，输电线则相当于悬挂在杆塔上的质量摆，则对该响应的计算需要采用运动方程来求解。

张琳琳（2006）利用有限元分析方法对某一三塔两线的多塔耦联体系进行了分析^[5]，三个杆塔中，中间的杆塔的动力特性是最能反映耦合效应对结构的影响，对中间杆塔进行了位移响应计算和应力响应计算，并与静力计算结果做了对比，发现杆塔最高点位移和轴向压力与静力对比明显增加，说明耦联体系的抗风设计需要得到更高的重视。

杨靖波（2008）建立了典型的大跨越线路的一塔两线模型^[6]，两端导线添加铰支约束，主要是研究塔线之间的耦合作用对系统的振动特性产生的影响，计算分为单体跨越塔振动特性，导线振动特性，塔线耦合系统振动特性三个方面，试验表明理论分析和有限元模型分析得到的动力特性基本一致。

赵桂峰（2009）研究了输电线和绝缘子体系对输电塔的影响^[7]，并在风洞实验中模拟出了输电塔倒塌的破坏现象，研究表明，导线和绝缘子这类非线性材料对输电塔的影响与现场测试的风速相关，风速越大，它们的非线性振动也就越明显，输电塔由它们引起的振动就会越大，所有在容易受到大风作用的地区，在进行输电塔设计时，需要合理考虑这类非线性材料对杆塔的影响，从而避免输电塔发生破坏。

舒爱强（2010）运用了多质点模型研究了塔线体系在有导线和没有导线两种情况下的振型和频率^[8]，得到二者之间的振型频率相差不是很大，第一阶振型频率误差在5%以内，其原因主要在于导线与杆塔的质量相差悬殊，导线的质量大概只有杆塔的10%，对整体的质量矩阵影响很小。

汪大海（2010）对塔线体系的单塔、单导线、塔线耦联体系、解耦体系等几种工况做了分析^[9]，得出在荷载作用下，导线对塔体的振动贡献了荷载值得85%，塔的振动主要是由导线振动引起，通过对比分析，塔线上的风荷载可以分开加载，其结果可以进行叠加，误差不大，导线产生的三个方向的力中，引起输电塔振动的主要的水平方向的力。

唐磊（2013）使用ABAQUS有限元软件建立了三塔两线模型^[10]，主要从动力计算方法和静力计算方法两个方面进行对比，对比的主要方面有关键主材的应力，杆塔最高点位移。对比数据发现，在动力计算下（30m/s风速），各类的响应几乎为静力的四倍，在进行设计时，可以用这个方法进行校核工作，同时也提醒大家需要对易损主材等构件采取有效的措施进行保护加固。

赵桂峰（2014）在实地测量风速并将其转化成风荷载，用ANSYS软件建立了某地区实地的三塔两线模型，研究了特定设计风速和静力作用下的风振响应^[11]，所得到的的有限元模型基本符合精度要求，研究发现塔线体系的耦合效应十分显著，各杆件、结构整体的动力特性都发生了很大的改变，有的主材甚至会达到它的强度屈服值。

王文明（2017）研究了不同风向角和不同风速下耦联体系的风振响应^[12]，输电线的存在加大了整个体系的阻尼，在45°-90°风向角下，位于线路两端的杆塔较容易受到影响，60°-75°风向角引发的风振响应比小风向角下要大，90°风向角 为最不利荷载方向，在设计中需要重点注意。

对国外的研究现状，笔者在此了解的较少，Smith(1993)研究^[13]得出，大跨导线引起的振动是主要引起塔线耦联体系振动的主要原因，输电塔自身的振动与导线引起的振动相比，作用相对较少；Diana等(1998)提出了一种新的计算模型，该模型通过时域模拟塔线系统动力行为 ^[14]，模型中导线被简化成多个两结点的梁单元，该模型可以考虑塔线之间的耦联效应，可以考虑多跨导线之间的相互作用；近年来，美国、日本、英国等多个国家都针对输电塔的设计发布了自己的规范，不同规范中考虑风荷载的方式不一样，比如美国有专门的输电杆塔设计规范和线路设计规范等等^[9]。

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