高压输电塔线耦联体系风致非线性振动破坏机制与合理抗风设计模型研究

高压输电塔线耦联体系的本质非线性振动特性使得按照传统线性理论设计的结构存在较大缺陷，导致强风时输电线路结构的破坏较为严重。本项目根据非线性动力学理论，系统研究塔线耦联体系的风致振动行为，考察塔与导线之间的非线性内共振的成因及特点，探讨高压输电线路水平档距、电线弧垂、电线倾斜角度、输电塔高度、横担的质量和位置、风速、降雨量、线路覆冰厚度等参数对塔线耦联体系的非线性内共振的影响规律，揭示体系在极端风场中的能量转移及响应非比例增长的条件,从本质上揭示输电塔线耦联体系风致振动破坏的内在机理。本项目通过理论分析和模型风洞试验相结合的研究方法确定耦联体系中输电塔设计参数的变化规律，进而得到可用于指导工程设计的较为合理的塔线耦联体系简化计算模型，项目研究成果可为输电线路结构的合理化抗风设计提供理论依据。

高压架空输电塔线体系具有大跨、高柔的特征，在风荷载作用下塔线体系的振动响应较为剧烈，强风造成的输电线路倒塔破坏事故时有发生。究其原因，主要是现有输电线路结构设计规范对风荷载的计算是将输电塔与输电线分开进行的，未考虑在设计风荷载作用时塔与线之间的耦合振动引起的输电线动张力对输电塔结构的不利影响。该项目以某500kV高压输电线路实例为工程背景，采用理论分析和试验研究相结合的方法，系统研究了塔线耦联体系的风致振动行为，主要包括：塔线体系中塔与线之间的耦合振动特性和能量转移规律、覆冰输电线的风致振动响应和脱冰冲击响应、塔线体系在不同风速和不同风向角下的耦联效应特点及其风致振动破坏机理。研究表明：输电线具有本质非线性特征，面内外振动的高阶振动频率与基频存在近似整数倍的关系，面内外高阶振动频率存在近似1:1的关系；当风荷载作用在输电线上时，由于内共振的作用，输电线的振动能量会向输电塔架发生转移，此时塔架上的振动能量包含了输电线内共振传递的能量也包含了风荷载引起的能量。对不同风速、不同覆冰厚度和不同风攻角下输电线覆冰前后的时程分析表明，整体上覆冰厚度越大、风速越大，输电线面内和面外振动幅值越大、能量越高，面外第一阶摆动是输电线实际振动形态中贡献值最大的。比较实际三维脉动风场和仅考虑顺风向脉动风情况下覆冰输电线的动力响应结果可知，位移、加速度和线张力时程值相差很小，说明现行线路设计规范中只考虑沿顺风向脉动风成分的做法是比较合理的。对不同风向角（90°、60°、45°、0°）、不同风速作用时塔线体系的动力响应分析表明，风速越大、风向角越大，输电线、绝缘子及输电塔振动也越强烈。在90°风向角下，当风速达到U10=19m/s时，输电塔主材构件提前进入屈服，有引发塔架破坏的危险，当风速达到设计风速U10=25.3m/s时，塔架破坏更为严重。在60°和45°风向角下，当风速达到设计风速U10=25.3m/s时，输电塔主材构件才会屈服发生破坏。这说明塔线耦联效应会导致输电塔主材构件在低于设计风速作用时提前进入屈服而产生破坏，可见传统方法设计结果是偏于不安全的。实际工程中，当仍采用规范拟静力方法设计时，可将设计风速下塔架拟静力分析得到的内力结果乘以相应的塔线耦联效应动力增大系数（建议取δ≥1.06）以近似考虑塔线耦联效应对输电塔的不利影响，根据增大调整后的内力设计塔架构件截面。