多维地震激励下特高压直流输电塔的响应分析
黄增浩1 龚 博1 张志强1 张志尧2 冯 亮2 安利强2*
【摘 要】摘 要 强震作用会对输电塔造成巨大的破坏，其中特高压直流输电塔因其高度高、柔度大，对地震载荷作用更敏感。建立了三基±800 kV特高压直流输电塔模型，采用有限元软件进行多维地震动模拟，对比分析了不同呼称高度的特高压直流直线塔、耐张塔的多维地震动特征。研究结果表明：呼高较高的输电塔在多维地震激励下的响应明显大于呼高低的输电塔；同时，耐张塔的响应比直线塔的响应小。因此为提高输电线路的抗震能力，应适当降低输电塔的呼称高度，并且增加耐张塔的数目。 【期刊名称】《科学技术与工程》 【年(卷),期】2019(019)023 【总页数】6
【关键词】关键词 特高压直流输电塔 多维地震波 呼称高度 抗震能力
引用格式：黄增浩， 龚 博， 张志强， 等. 多维地震激励下特高压直流输电塔的响应分析[J]. 科学技术与工程， 2019， 19(23)： 120-125
Huang Zenghao, Gong Bo, Zhang Zhiqiang, et al. Seismic response analysis of ultra-high voltage direct current transmission tower under multi-component ground motion excitation[J]. Science Technology and Engineering, 2019， 19(23)： 120-125 中图法分类号 TM753；
2018年12月26日收到 广东省中国南方电网有限责任公司科技项目(0002200000037332)资助
中国是一个地震灾害高发的国家，地震灾害对输电线路有严重影响。与其他电压等级输电塔相比，特高压直流输电塔的高度更高、柔度更大，因此需要进一步提高自身的抗震能力，以确保特高压输电线路的安全可靠性。
目前研究主要集中于高压交流输电塔的地震响应分析。理论研究方面，张杰等[1]指出对于自身结构对称的输电塔，需要同时考虑3个平动分量对杆塔的作用。Wilson[2]针对空间桁架结构进行了三维平动地震波输入下的响应研究。陈大斌等[3]以500 kV双回路输电塔为例，分析了8度及以上地震动作用下输电塔的承载和变形能力。田利等[4—6]利用时程反应分析方法对比了单维、双向和多维地震激励下500 kV输电塔的地震响应；同时研究了交流输电塔线体系在地震波作用下各维地震动分量间的相关性和强度比；并分析了大跨越输电线路在多维地震下的倒塌机理。实验研究方面，秦庆芝等[7]、李钢等[8]先后利用地震模拟振动台对1 000 kV交流角钢塔和钢管塔分别进行了试验研究，对比分析了输电塔模型悬挂导地线前后的地震响应。已有研究缺少对特高压直流输电塔的多维地震响应分析，并且未考虑过不同呼称高度的输电塔在同种地震波作用时的响应规律。
基于以上问题，本研究以位于地震高发区[9]的滇西北直流工程为对象，建立了三基输电塔有限元模型，按当地场地土条件模拟多维地震波加载，运用时程分析法求解输电塔的地震响应。在同一地震波作用下进行不同呼高直线塔的地震响应对比，以及在同一地震波作用下耐张塔和直线塔的地震响应对比工作。以期为中国西南地区的输电线路实现“大震不倒”的抗震设防目标提供参考。
1 多维地震激励下输电塔的动力学方程
由于输电塔模型为高柔度中心对称结构，因此忽略了地震波转动分量对输电塔
的作用。仅考虑地震波平动分量的作用，即在两个水平方向和一个竖直方向分别施加地震载荷。输电塔的总体振动方程为 (1)
式(1)中：为加速度列向量；为速度列向量；[x(t),y(t),z(t)]T为位移列向量；为地震波作用下地面运动的加速度列向量；M为结构整体质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；I为单位矩阵。忽略导地线的张力，仅考虑导地线的自重，由导地线质点简化模型计算求得： m线=[f1(lz)+f2(lz)]lzq (2)
式(2)中：m线为导地线附加质量； f1(lz)、 f2(lz)分别为侧向和纵向地震动作用下的附加质量系数[10]；lz为导地线档距；q为导地线单位长度质量。采用MASS21单元将计算得到的导地线附加质量直接以质量块的形式加载到各挂点位置。
忽略导地线上的阻尼，仅考虑输电塔自身阻尼，得到C的处理方法： C=αM+βK (3)
式(3)中：α和β为Rayleigh阻尼系数，需要输入到有限元软件中，可通过结构的自振圆频率和结构阻尼比求得： (4) (5)
式中：ξ为结构总阻尼比；ω1、ω2为结构第一、二振型的自振圆频率。
2 特高压直流输电塔有限元模型
多维地震激励下特高压直流输电塔的响应分析
