復(fù)雜荷載下輸電塔塔線體系的響應(yīng)特性與應(yīng)對(duì)策略研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代社會(huì)，電力供應(yīng)是保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們?nèi)粘Ｉ钫＿\(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。輸電塔線體系作為電力傳輸?shù)闹匾A(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著將發(fā)電廠生產(chǎn)的電能高效、穩(wěn)定地輸送到各個(gè)用電區(qū)域的重任，是不可或缺的“電力生命線”。輸電塔通常高聳入云，高度可達(dá)數(shù)十米甚至上百米，搭配著長(zhǎng)長(zhǎng)的輸電線，縱橫交錯(cuò)在大地之上，形成了龐大而復(fù)雜的輸電網(wǎng)絡(luò)。輸電塔線體系長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中，會(huì)承受各種復(fù)雜荷載的作用，這些荷載不僅種類繁多，而且作用形式復(fù)雜多變，對(duì)輸電塔線體系的安全性和穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。風(fēng)荷載是輸電塔線體系面臨的主要荷載之一，其具有隨機(jī)性和不確定性。在強(qiáng)風(fēng)天氣下，如臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)等，風(fēng)速可能瞬間達(dá)到極高的數(shù)值，產(chǎn)生強(qiáng)大的風(fēng)力作用在輸電塔和導(dǎo)線上。風(fēng)荷載不僅會(huì)對(duì)輸電塔產(chǎn)生順風(fēng)向的壓力，還可能引發(fā)橫風(fēng)向的振動(dòng)，如渦激振動(dòng)、馳振等，這些振動(dòng)可能導(dǎo)致輸電塔結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，甚至引發(fā)倒塌事故。例如，在2018年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”登陸我國(guó)廣東沿海地區(qū)時(shí)，大量輸電塔線體系遭受了嚴(yán)重破壞，許多輸電塔被強(qiáng)風(fēng)吹倒，導(dǎo)線被吹斷，導(dǎo)致大面積停電，給當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活帶來了極大的不便，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。導(dǎo)線覆冰也是一種常見且危害較大的荷載形式。在寒冷的氣候條件下，當(dāng)空氣中的水汽遇冷在導(dǎo)線上凝結(jié)成冰時(shí)，就會(huì)形成導(dǎo)線覆冰現(xiàn)象。覆冰會(huì)增加導(dǎo)線的重量，使導(dǎo)線的張力增大，從而對(duì)輸電塔產(chǎn)生額外的拉力。此外，不均勻覆冰還可能導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)生舞動(dòng)，這種劇烈的舞動(dòng)會(huì)對(duì)輸電塔產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊荷載，嚴(yán)重威脅輸電塔線體系的安全。2008年我國(guó)南方地區(qū)遭受了罕見的冰雪災(zāi)害，大量輸電塔線體系因?qū)Ь€覆冰而受損，許多輸電塔因不堪重負(fù)而倒塌，導(dǎo)致電網(wǎng)大面積癱瘓，給國(guó)家和人民帶來了巨大的損失。地震荷載同樣不可忽視。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，地面會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng)，這種震動(dòng)會(huì)通過基礎(chǔ)傳遞到輸電塔上，使輸電塔承受巨大的慣性力。由于輸電塔結(jié)構(gòu)高聳，其自振周期較長(zhǎng)，在地震作用下容易發(fā)生共振，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)顯著增大。而且，地震作用的復(fù)雜性使得輸電塔的受力狀態(tài)變得十分復(fù)雜，可能出現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)等多種變形形式，增加了結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。像2011年日本發(fā)生的東日本大地震，地震引發(fā)的強(qiáng)烈震動(dòng)導(dǎo)致大量輸電塔倒塌，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐碾娏?yīng)，進(jìn)一步加劇了災(zāi)害的影響范圍和程度。除了上述主要荷載外，輸電塔線體系還可能受到溫度變化、雨荷載、雪荷載等多種荷載的作用。溫度變化會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線的熱脹冷縮，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，對(duì)輸電塔和導(dǎo)線的連接部位造成影響。雨荷載在強(qiáng)降雨時(shí)可能會(huì)增加結(jié)構(gòu)的重量，同時(shí)雨滴的沖擊作用也可能對(duì)結(jié)構(gòu)表面造成一定的損傷。雪荷載在積雪厚度較大時(shí)，也會(huì)給輸電塔線體系帶來額外的壓力。這些荷載往往不是單獨(dú)作用，而是相互耦合、共同作用于輸電塔線體系，使得其受力狀態(tài)更加復(fù)雜。在復(fù)雜荷載的共同作用下，輸電塔線體系的力學(xué)響應(yīng)變得極為復(fù)雜。結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生多種形式的變形和振動(dòng)，如彎曲、扭轉(zhuǎn)、擺動(dòng)等，不同形式的變形和振動(dòng)之間還可能相互影響，形成復(fù)雜的耦合效應(yīng)。這種復(fù)雜的力學(xué)響應(yīng)增加了對(duì)輸電塔線體系進(jìn)行準(zhǔn)確分析和評(píng)估的難度，也使得傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和理論難以滿足實(shí)際工程的需求。如果不能準(zhǔn)確掌握輸電塔線體系在復(fù)雜荷載作用下的響應(yīng)規(guī)律，就無法合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評(píng)估，一旦發(fā)生極端荷載事件，輸電塔線體系就可能發(fā)生破壞，導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。因此，深入研究復(fù)雜荷載作用下輸電塔線體系的響應(yīng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，它不僅有助于提高輸電塔線體系的設(shè)計(jì)水平和安全性，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還能為災(zāi)害預(yù)防和應(yīng)急處理提供科學(xué)依據(jù)，減少因輸電塔線體系破壞而帶來的損失。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀輸電塔線體系在復(fù)雜荷載作用下的響應(yīng)研究一直是土木工程和電力工程領(lǐng)域的重要課題，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究等多個(gè)方面展開了深入探索，取得了一系列具有重要價(jià)值的成果。國(guó)外在輸電塔線體系研究方面起步較早，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和研究成果。早期，美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)就對(duì)輸電塔線體系在風(fēng)荷載、地震荷載作用下的響應(yīng)開展了研究。在風(fēng)荷載研究領(lǐng)域，美國(guó)率先開展了大量風(fēng)洞試驗(yàn)研究，通過模擬不同風(fēng)速、風(fēng)向條件下輸電塔線體系的受力情況，分析其風(fēng)振響應(yīng)規(guī)律。學(xué)者們提出了多種風(fēng)荷載計(jì)算模型，如Davenport風(fēng)速譜模型，該模型考慮了風(fēng)速的隨機(jī)性和脈動(dòng)特性，為輸電塔線體系風(fēng)振響應(yīng)分析提供了重要的理論基礎(chǔ)。在地震荷載研究方面，日本由于地處地震頻發(fā)帶，對(duì)輸電塔線體系的抗震研究尤為重視。他們通過對(duì)大量地震災(zāi)害案例的分析，結(jié)合理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了適用于不同場(chǎng)地條件和輸電塔結(jié)構(gòu)形式的抗震設(shè)計(jì)方法和理論。在輸電塔線體系的數(shù)值模擬方面，國(guó)外學(xué)者較早地運(yùn)用有限元方法對(duì)輸電塔線體系進(jìn)行建模分析，開發(fā)了一系列專業(yè)的有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，這些軟件能夠考慮輸電塔線體系的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多種荷載工況，為深入研究輸電塔線體系在復(fù)雜荷載作用下的響應(yīng)提供了強(qiáng)大的工具。國(guó)內(nèi)對(duì)輸電塔線體系的研究雖然起步相對(duì)較晚，但近年來隨著電力行業(yè)的快速發(fā)展和對(duì)輸電安全的日益重視，研究工作取得了顯著進(jìn)展。在風(fēng)荷載研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合我國(guó)的氣象條件和輸電塔線體系的實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)國(guó)外的風(fēng)荷載理論和模型進(jìn)行了改進(jìn)和完善。通過風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入研究了不同地形、地貌條件下輸電塔線體系的風(fēng)荷載分布規(guī)律和響應(yīng)特性。例如，在山區(qū)等復(fù)雜地形條件下，風(fēng)場(chǎng)的變化較為復(fù)雜，學(xué)者們通過建立精細(xì)化的風(fēng)場(chǎng)模型，考慮地形的阻擋和繞流效應(yīng)，分析輸電塔線體系的風(fēng)振響應(yīng)，為山區(qū)輸電塔線體系的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。在導(dǎo)線覆冰研究方面，針對(duì)我國(guó)南方地區(qū)頻發(fā)的覆冰災(zāi)害，國(guó)內(nèi)學(xué)者開展了大量的研究工作。通過對(duì)覆冰過程的觀測(cè)和分析，建立了導(dǎo)線覆冰增長(zhǎng)模型，研究了覆冰對(duì)輸電塔線體系結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，提出了一系列防止導(dǎo)線覆冰和減輕覆冰危害的措施，如采用防覆冰涂料、安裝融冰裝置等。在地震荷載研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合我國(guó)的地震區(qū)劃和輸電塔線體系的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，開展了輸電塔線體系在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析和抗震性能評(píng)估研究。通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了輸電塔線體系在不同地震波作用下的響應(yīng)規(guī)律，提出了提高輸電塔線體系抗震能力的設(shè)計(jì)方法和加固措施。盡管國(guó)內(nèi)外在輸電塔線體系在復(fù)雜荷載作用下的響應(yīng)研究方面取得了豐碩的成果，但仍存在一些不足之處。一方面，對(duì)于多種荷載耦合作用下輸電塔線體系的響應(yīng)研究還不夠深入。目前的研究大多集中在單一荷載作用下的情況，雖然也有部分研究考慮了兩種荷載的組合作用，但對(duì)于風(fēng)、冰、地震等多種荷載同時(shí)作用時(shí)的復(fù)雜耦合效應(yīng)，由于其作用機(jī)理復(fù)雜，涉及多學(xué)科交叉，研究還相對(duì)較少，尚未形成成熟的理論和方法體系。另一方面，輸電塔線體系的實(shí)際工作環(huán)境非常復(fù)雜，受到地理?xiàng)l件、氣候條件、施工質(zhì)量、維護(hù)狀況等多種因素的影響。而現(xiàn)有的研究在考慮這些實(shí)際因素時(shí)還不夠全面，導(dǎo)致研究成果與實(shí)際工程應(yīng)用之間存在一定的差距。此外，在研究方法上，雖然數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究取得了很大進(jìn)展，但仍然存在一些技術(shù)難題需要解決。例如，數(shù)值模擬中如何更準(zhǔn)確地模擬輸電塔線體系的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和材料特性，實(shí)驗(yàn)研究中如何更真實(shí)地模擬復(fù)雜荷載工況和邊界條件等。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容輸電塔線體系的力學(xué)模型建立：深入分析輸電塔和輸電線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮材料特性、幾何非線性等因素，運(yùn)用有限元理論，建立精確的輸電塔線體系三維有限元模型。對(duì)輸電塔的塔身、橫擔(dān)、斜材等構(gòu)件，以及輸電線的線形、張力等進(jìn)行詳細(xì)模擬，確保模型能夠準(zhǔn)確反映輸電塔線體系的實(shí)際力學(xué)行為。同時(shí)，研究不同建模方法和參數(shù)對(duì)模型精度的影響，通過與實(shí)際工程案例和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證模型的可靠性和有效性。單一荷載作用下輸電塔線體系的響應(yīng)分析：分別研究風(fēng)荷載、導(dǎo)線覆冰荷載、地震荷載單獨(dú)作用時(shí)輸電塔線體系的響應(yīng)規(guī)律。在風(fēng)荷載作用下，考慮風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)譜等因素，分析輸電塔的順風(fēng)向和橫風(fēng)向振動(dòng)響應(yīng)，包括位移、加速度、內(nèi)力等參數(shù)的變化規(guī)律，研究風(fēng)振系數(shù)的取值和影響因素。對(duì)于導(dǎo)線覆冰荷載，建立導(dǎo)線覆冰增長(zhǎng)模型，考慮覆冰厚度、密度、形狀等因素對(duì)輸電塔線體系的影響，分析覆冰引起的導(dǎo)線張力變化、輸電塔的附加荷載以及結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力響應(yīng)。在地震荷載作用下，選取合適的地震波，考慮地震波的頻譜特性、持時(shí)、幅值等因素，分析輸電塔線體系在不同地震動(dòng)強(qiáng)度下的動(dòng)力響應(yīng)，研究結(jié)構(gòu)的抗震性能指標(biāo)，如自振周期、振型、地震力分布等。多種荷載耦合作用下輸電塔線體系的響應(yīng)分析：重點(diǎn)研究風(fēng)-冰、風(fēng)-地震、冰-地震以及風(fēng)-冰-地震等多種荷載耦合作用時(shí)輸電塔線體系的響應(yīng)特性。分析不同荷載之間的相互作用機(jī)理，如風(fēng)力對(duì)覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)的影響，地震作用下導(dǎo)線覆冰對(duì)輸電塔動(dòng)力響應(yīng)的加劇作用等。通過數(shù)值模擬和理論分析，研究多種荷載耦合作用下輸電塔線體系的內(nèi)力重分布、變形協(xié)調(diào)關(guān)系以及結(jié)構(gòu)的薄弱部位，揭示復(fù)雜荷載耦合作用下輸電塔線體系的破壞模式和失效機(jī)理。考慮實(shí)際因素的輸電塔線體系響應(yīng)研究：考慮地理?xiàng)l件（如山區(qū)、平原、沿海等不同地形地貌）、氣候條件（如溫度變化、濕度、降雨等）、施工質(zhì)量（如構(gòu)件連接方式、安裝偏差等）、維護(hù)狀況（如結(jié)構(gòu)腐蝕、疲勞損傷等）等實(shí)際因素對(duì)輸電塔線體系在復(fù)雜荷載作用下響應(yīng)的影響。建立相應(yīng)的影響因素模型，分析這些因素與荷載作用的耦合效應(yīng)，為輸電塔線體系的實(shí)際工程設(shè)計(jì)和運(yùn)維提供更全面的依據(jù)。例如，研究山區(qū)地形對(duì)風(fēng)場(chǎng)的改變?nèi)绾斡绊戄旊娝娘L(fēng)荷載分布，以及結(jié)構(gòu)腐蝕對(duì)輸電塔承載能力的削弱在復(fù)雜荷載作用下的表現(xiàn)。輸電塔線體系的安全性評(píng)估與優(yōu)化設(shè)計(jì)：基于上述研究結(jié)果，建立輸電塔線體系在復(fù)雜荷載作用下的安全性評(píng)估指標(biāo)體系和方法。綜合考慮結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形、應(yīng)力等響應(yīng)參數(shù)，結(jié)合可靠性理論，對(duì)輸電塔線體系的安全性能進(jìn)行量化評(píng)估。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，提出針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，如調(diào)整輸電塔的結(jié)構(gòu)形式、加強(qiáng)構(gòu)件連接、優(yōu)化導(dǎo)線布置等，以提高輸電塔線體系在復(fù)雜荷載作用下的安全性和可靠性。同時(shí)，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬分析和驗(yàn)證，確保其有效性和可行性。1.3.2研究方法數(shù)值模擬方法：利用大型通用有限元軟件ANSYS、ABAQUS等，建立輸電塔線體系的精細(xì)化有限元模型。通過數(shù)值模擬，對(duì)不同荷載工況下輸電塔線體系的響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析。在模擬過程中，準(zhǔn)確設(shè)置材料參數(shù)、邊界條件和荷載施加方式，考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料非線性，以獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)值結(jié)果。同時(shí)，運(yùn)用參數(shù)化建模技術(shù)，對(duì)輸電塔線體系的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，研究不同參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律。理論分析方法：運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)輸電塔線體系在復(fù)雜荷載作用下的力學(xué)行為進(jìn)行理論推導(dǎo)和分析。建立風(fēng)荷載、導(dǎo)線覆冰荷載、地震荷載等的計(jì)算模型，推導(dǎo)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡方程和響應(yīng)計(jì)算公式。通過理論分析，揭示輸電塔線體系在不同荷載作用下的響應(yīng)機(jī)理和規(guī)律，為數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。例如，基于隨機(jī)振動(dòng)理論，分析輸電塔在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)振響應(yīng)；運(yùn)用振型分解反應(yīng)譜法，計(jì)算輸電塔在地震作用下的地震響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)研究方法：開展風(fēng)洞試驗(yàn)、導(dǎo)線覆冰試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等，對(duì)輸電塔線體系在不同荷載作用下的響應(yīng)進(jìn)行實(shí)測(cè)研究。通過風(fēng)洞試驗(yàn)，模擬不同風(fēng)速、風(fēng)向條件下輸電塔線體系的風(fēng)荷載分布和響應(yīng)情況，測(cè)量結(jié)構(gòu)的位移、加速度等參數(shù)。在導(dǎo)線覆冰試驗(yàn)中，模擬導(dǎo)線覆冰過程，研究覆冰對(duì)輸電塔線體系力學(xué)性能的影響。利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，輸入不同特性的地震波，測(cè)試輸電塔線體系在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可以用于驗(yàn)證數(shù)值模擬和理論分析的準(zhǔn)確性，同時(shí)也能為進(jìn)一步改進(jìn)和完善研究方法提供依據(jù)。案例分析方法：收集國(guó)內(nèi)外輸電塔線體系在復(fù)雜荷載作用下的破壞案例，對(duì)這些案例進(jìn)行詳細(xì)分析。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、查閱資料等方式，了解事故發(fā)生時(shí)的荷載條件、結(jié)構(gòu)狀態(tài)、破壞過程等信息。運(yùn)用數(shù)值模擬和理論分析方法，對(duì)案例進(jìn)行重現(xiàn)和分析，總結(jié)輸電塔線體系在復(fù)雜荷載作用下的破壞原因和規(guī)律，為工程實(shí)踐提供經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和參考。例如，對(duì)2008年我國(guó)南方冰雪災(zāi)害中輸電塔線體系的破壞案例進(jìn)行分析，研究導(dǎo)線覆冰和惡劣氣候條件共同作用下輸電塔的破壞模式和失效機(jī)理。二、輸電塔塔線體系與復(fù)雜荷載概述2.1輸電塔塔線體系構(gòu)成與特點(diǎn)輸電塔線體系作為電力傳輸?shù)年P(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，由多個(gè)重要部分協(xié)同構(gòu)成，各部分在體系中扮演著不可或缺的角色，共同保障著電力的穩(wěn)定傳輸。輸電塔：輸電塔是整個(gè)體系的主要支撐結(jié)構(gòu)，通常采用鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，依據(jù)不同的電壓等級(jí)、地形條件和輸電需求，其高度和結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)。常見的輸電塔結(jié)構(gòu)形式有酒杯型、貓頭型、干字型等。酒杯型輸電塔因其外形酷似酒杯而得名，具有較好的受力性能和經(jīng)濟(jì)性，在500kV及以下電壓等級(jí)的輸電線路中應(yīng)用廣泛。貓頭型輸電塔的頭部形狀類似貓頭，具有較高的抗風(fēng)穩(wěn)定性，適用于各種地形條件，特別是在山區(qū)等地形復(fù)雜的區(qū)域較為常見。干字型輸電塔的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，占用空間小，在一些對(duì)線路走廊要求較高的城市地區(qū)或狹窄地帶應(yīng)用較多。輸電塔主要由塔身、橫擔(dān)、斜材等構(gòu)件組成。塔身作為主要的豎向承載構(gòu)件，承受著整個(gè)塔體以及導(dǎo)線、絕緣子等部件的重力，同時(shí)還要抵抗風(fēng)荷載、地震荷載等水平荷載的作用。橫擔(dān)則用于支撐導(dǎo)線，使導(dǎo)線之間保持足夠的安全距離，以防止導(dǎo)線之間發(fā)生放電現(xiàn)象。斜材的主要作用是增強(qiáng)塔身的穩(wěn)定性，通過合理布置斜材，可以有效提高輸電塔的抗側(cè)力能力，確保在各種復(fù)雜荷載作用下輸電塔的結(jié)構(gòu)安全。導(dǎo)線：導(dǎo)線是輸電塔線體系中用于傳輸電能的核心部件，其主要材質(zhì)有鋁、銅等。鋁導(dǎo)線由于具有質(zhì)量輕、成本低、導(dǎo)電性較好等優(yōu)點(diǎn)，在輸電線路中得到了廣泛應(yīng)用。銅導(dǎo)線雖然導(dǎo)電性優(yōu)于鋁導(dǎo)線，但由于其成本較高、質(zhì)量較大，一般在對(duì)輸電性能要求極高的特殊場(chǎng)合使用。導(dǎo)線的主要作用是將發(fā)電廠產(chǎn)生的電能輸送到各個(gè)用電區(qū)域，其性能直接影響著輸電的效率和質(zhì)量。為了減少電能在傳輸過程中的損耗，導(dǎo)線通常采用多股絞線的形式，這種結(jié)構(gòu)可以增加導(dǎo)線的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)也有利于提高導(dǎo)線的散熱性能。在實(shí)際工程中，根據(jù)輸電距離、電壓等級(jí)和輸送功率的不同，需要選擇合適規(guī)格和型號(hào)的導(dǎo)線。例如，在長(zhǎng)距離、大容量的輸電線路中，通常會(huì)采用截面較大的導(dǎo)線，以降低線路電阻，減少電能損耗。絕緣子：絕緣子在輸電塔線體系中起著至關(guān)重要的絕緣和支撐作用。它主要由瓷、玻璃或復(fù)合材料制成，能夠有效隔離導(dǎo)線與輸電塔，防止電流泄漏到塔體上，確保輸電的安全可靠。瓷絕緣子具有良好的絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度，價(jià)格相對(duì)較低，是早期輸電線路中常用的絕緣子類型。玻璃絕緣子具有自爆后易于發(fā)現(xiàn)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來在輸電線路中的應(yīng)用逐漸增多。復(fù)合材料絕緣子則具有重量輕、耐污性能好、抗老化能力強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適用于污穢嚴(yán)重的地區(qū)和高海拔地區(qū)。絕緣子的類型豐富多樣，常見的有懸式絕緣子、針式絕緣子、支柱絕緣子等。懸式絕緣子通常用于高壓輸電線路，通過成串懸掛的方式來支撐導(dǎo)線，能夠承受較大的拉力和彎曲力。針式絕緣子主要用于低壓配電線路，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。支柱絕緣子則常用于變電站等場(chǎng)所，用于支撐和固定母線等電氣設(shè)備。輸電塔線體系具有一些顯著特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對(duì)其在荷載作用下的響應(yīng)產(chǎn)生著重要影響。高柔度：輸電塔的高度較高，一般可達(dá)數(shù)十米甚至上百米，且結(jié)構(gòu)相對(duì)較為細(xì)長(zhǎng)，這使得其柔度較大，在受到荷載作用時(shí)容易發(fā)生變形和振動(dòng)。例如，在風(fēng)荷載作用下，輸電塔可能會(huì)產(chǎn)生較大的側(cè)向位移和振動(dòng)，這種振動(dòng)不僅會(huì)影響輸電塔的結(jié)構(gòu)安全，還可能導(dǎo)致導(dǎo)線的舞動(dòng)，進(jìn)一步加劇輸電塔線體系的受力復(fù)雜性。而且，高柔度的特點(diǎn)使得輸電塔的自振周期較長(zhǎng)，在地震等動(dòng)力荷載作用下，容易與地震波的卓越周期產(chǎn)生共振，從而顯著增大結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，增加結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。大跨度：輸電線路通常需要跨越較長(zhǎng)的距離，這就導(dǎo)致導(dǎo)線路徑呈現(xiàn)出大跨度的特點(diǎn)。大跨度使得導(dǎo)線在自身重力和外部荷載作用下產(chǎn)生較大的垂度和張力。當(dāng)導(dǎo)線受到風(fēng)荷載、覆冰荷載等作用時(shí)，由于其跨度較大，導(dǎo)線的變形和振動(dòng)會(huì)更加明顯。不均勻覆冰可能導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)生舞動(dòng)，這種舞動(dòng)在大跨度條件下會(huì)產(chǎn)生更大的能量，對(duì)輸電塔和導(dǎo)線的連接部位以及絕緣子等部件造成更大的沖擊，嚴(yán)重威脅輸電塔線體系的安全穩(wěn)定運(yùn)行。2.2復(fù)雜荷載的類型與特點(diǎn)2.2.1風(fēng)荷載風(fēng)荷載是輸電塔線體系設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵且作用頻繁的荷載之一，其特性具有顯著的復(fù)雜性和隨機(jī)性。風(fēng)速并非恒定不變，而是在時(shí)間和空間上呈現(xiàn)出隨機(jī)波動(dòng)的特征。在某一特定時(shí)刻，風(fēng)速可能會(huì)突然增大或減小，這種不確定性使得風(fēng)荷載的計(jì)算和預(yù)測(cè)變得極具挑戰(zhàn)性。風(fēng)向同樣具有隨機(jī)性，風(fēng)可能從不同的方向吹向輸電塔線體系，不同的風(fēng)向會(huì)導(dǎo)致風(fēng)荷載在結(jié)構(gòu)上的分布產(chǎn)生差異，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)產(chǎn)生不同的影響。風(fēng)荷載還具有明顯的脈動(dòng)性，這是由大氣邊界層的湍流特性所決定的。脈動(dòng)風(fēng)是在平均風(fēng)的基礎(chǔ)上疊加的高頻、小振幅的波動(dòng)分量，其強(qiáng)度和頻率隨時(shí)間不斷變化。脈動(dòng)風(fēng)的存在使得輸電塔線體系不僅承受平均風(fēng)產(chǎn)生的靜力作用，還會(huì)受到脈動(dòng)風(fēng)引起的動(dòng)力作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。這種振動(dòng)響應(yīng)可能會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，長(zhǎng)期積累下來，會(huì)嚴(yán)重影響輸電塔線體系的使用壽命和安全性。風(fēng)荷載對(duì)輸電塔線體系的作用方式較為復(fù)雜，主要包括順風(fēng)向作用和橫風(fēng)向作用。在順風(fēng)向，風(fēng)荷載直接作用于輸電塔和導(dǎo)線上，產(chǎn)生壓力和吸力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順風(fēng)向的位移和內(nèi)力。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，順風(fēng)向的風(fēng)荷載可能會(huì)導(dǎo)致輸電塔的傾斜和倒塌，以及導(dǎo)線的斷裂。橫風(fēng)向的風(fēng)荷載作用則更為復(fù)雜，可能引發(fā)輸電塔的渦激振動(dòng)、馳振等現(xiàn)象。渦激振動(dòng)是由于風(fēng)流經(jīng)輸電塔時(shí)，在塔身后形成交替脫落的漩渦，產(chǎn)生周期性的作用力，當(dāng)漩渦脫落頻率與輸電塔的自振頻率接近時(shí)，會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的共振，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)急劇增大。馳振則是在特定的風(fēng)況和結(jié)構(gòu)條件下，由于空氣動(dòng)力的負(fù)阻尼作用，使輸電塔產(chǎn)生大幅的自激振動(dòng)，這種振動(dòng)一旦發(fā)生，往往具有較大的振幅和破壞力，可能會(huì)對(duì)輸電塔線體系造成嚴(yán)重的損壞。2.2.2覆冰荷載導(dǎo)線覆冰是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，主要發(fā)生在低溫、高濕度且有風(fēng)的氣象條件下。在冬季或初春，當(dāng)氣溫下降至0℃以下，大氣中的水汽達(dá)到過飽和狀態(tài)，且存在一定風(fēng)速時(shí)，云中或霧中的過冷卻水滴與輸電線路導(dǎo)線表面碰撞并凍結(jié)，覆冰現(xiàn)象便開始產(chǎn)生。其形成過程通常始于雨凇覆冰，當(dāng)凍雨或毛毛雨降落在低于凍結(jié)溫度的導(dǎo)線上時(shí)，會(huì)迅速凍結(jié)形成一層透明、堅(jiān)硬的冰層，即雨凇。隨著時(shí)間的推移和氣象條件的變化，如果氣溫繼續(xù)下降，且有更多的過冷卻水滴不斷附著并凍結(jié)，冰層會(huì)逐漸增厚。在某些情況下，還會(huì)出現(xiàn)混合凇覆冰，這是由于水滴凍結(jié)較弱，積冰呈現(xiàn)出有時(shí)透明、有時(shí)不透明的狀態(tài)，且冰在導(dǎo)線上的粘合力很強(qiáng)。軟霧凇覆冰則是在山區(qū)低層云中，當(dāng)含有的過冷水滴在極低溫度與風(fēng)速較小的情況下形成的，這種積冰呈白色、不透明、晶狀結(jié)構(gòu)，密度小，在導(dǎo)線上附著力相當(dāng)弱。覆冰會(huì)對(duì)輸電塔線體系產(chǎn)生多方面的不利影響。最直接的影響是增加了導(dǎo)線和輸電塔的重量，使結(jié)構(gòu)承受更大的重力荷載。導(dǎo)線覆冰后，其單位長(zhǎng)度的重量顯著增加，這會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線的張力增大，對(duì)輸電塔產(chǎn)生更大的拉力。當(dāng)覆冰厚度較大時(shí)，導(dǎo)線的張力可能會(huì)超過其設(shè)計(jì)極限，從而引發(fā)導(dǎo)線斷裂事故。覆冰還會(huì)改變輸電塔線體系的結(jié)構(gòu)形狀，使導(dǎo)線的外形變得不規(guī)則，這會(huì)進(jìn)一步影響風(fēng)荷載在結(jié)構(gòu)上的分布，增加結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載響應(yīng)。不均勻覆冰會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)生舞動(dòng)，這種舞動(dòng)具有大振幅、低頻率的特點(diǎn)，會(huì)對(duì)輸電塔產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊荷載，可能會(huì)使輸電塔的構(gòu)件發(fā)生疲勞損傷、連接部位松動(dòng)，甚至導(dǎo)致輸電塔倒塌。此外，覆冰還可能引發(fā)絕緣子串的閃絡(luò)現(xiàn)象，當(dāng)絕緣子表面覆冰或被冰凌橋接后，其絕緣強(qiáng)度下降，泄漏距離縮短，在高電壓作用下容易發(fā)生閃絡(luò)，從而影響輸電的安全性和可靠性。2.2.3地震荷載地震作用下，地面會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，其特性主要包括地面運(yùn)動(dòng)的加速度、速度和位移等參數(shù)的變化。地震波在傳播過程中，會(huì)攜帶能量并作用于輸電塔線體系，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。地震波的頻譜特性十分復(fù)雜，包含了各種不同頻率的成分，其卓越周期與場(chǎng)地條件密切相關(guān)。在不同的場(chǎng)地條件下，如堅(jiān)硬場(chǎng)地、中軟場(chǎng)地和軟弱場(chǎng)地等，地震波的傳播特性和卓越周期會(huì)有所不同，這會(huì)導(dǎo)致輸電塔線體系的地震響應(yīng)存在差異。地震波的持時(shí)和幅值也是影響輸電塔線體系地震響應(yīng)的重要因素。持時(shí)較長(zhǎng)的地震波會(huì)使結(jié)構(gòu)經(jīng)歷更長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)，增加結(jié)構(gòu)的累積損傷；而幅值較大的地震波則會(huì)產(chǎn)生更大的地震力，對(duì)結(jié)構(gòu)造成更嚴(yán)重的破壞。地震荷載會(huì)使輸電塔線體系產(chǎn)生水平和豎向地震力。水平地震力是導(dǎo)致輸電塔破壞的主要因素之一，它會(huì)使輸電塔產(chǎn)生水平方向的位移和內(nèi)力，如彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)等。由于輸電塔結(jié)構(gòu)高聳，其重心較高，在水平地震力的作用下，容易發(fā)生傾斜和倒塌。豎向地震力雖然在一般情況下對(duì)輸電塔的影響相對(duì)較小，但在某些特殊情況下，如地震波的豎向分量較強(qiáng)或輸電塔的結(jié)構(gòu)形式對(duì)豎向地震力較為敏感時(shí)，豎向地震力也可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成不可忽視的破壞。地震作用還可能引發(fā)輸電塔線體系的共振現(xiàn)象，當(dāng)輸電塔的自振周期與地震波的卓越周期接近時(shí)，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)會(huì)顯著增大，這會(huì)極大地增加結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。2.2.4多種荷載組合情況在實(shí)際工程中，輸電塔線體系往往會(huì)受到多種荷載的組合作用，不同荷載組合出現(xiàn)的場(chǎng)景與氣象條件、地理環(huán)境等因素密切相關(guān)。在寒冷地區(qū)，冬季可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)風(fēng)荷載和覆冰荷載。強(qiáng)風(fēng)會(huì)加速導(dǎo)線覆冰的過程，使覆冰在短時(shí)間內(nèi)迅速增厚，同時(shí)，覆冰后的導(dǎo)線和輸電塔在風(fēng)荷載作用下，受力更加復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和內(nèi)力會(huì)顯著增大。在一些地震頻發(fā)且多風(fēng)的地區(qū)，輸電塔線體系可能會(huì)遭受風(fēng)荷載和地震荷載的共同作用。地震發(fā)生時(shí)，地面的劇烈震動(dòng)會(huì)使輸電塔產(chǎn)生較大的位移和內(nèi)力，而此時(shí)若再有強(qiáng)風(fēng)作用，會(huì)進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，增加結(jié)構(gòu)倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。多種荷載組合對(duì)輸電塔線體系的綜合影響是復(fù)雜且具有耦合效應(yīng)的。風(fēng)-冰組合作用下，風(fēng)荷載會(huì)加劇覆冰導(dǎo)線的舞動(dòng)，使導(dǎo)線對(duì)輸電塔的沖擊荷載增大，同時(shí)，覆冰會(huì)改變輸電塔的動(dòng)力特性，使其自振頻率發(fā)生變化，從而影響風(fēng)振響應(yīng)。風(fēng)-地震組合作用時(shí)，地震引起的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力會(huì)與風(fēng)荷載產(chǎn)生的效應(yīng)相互疊加，使結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)更加復(fù)雜，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在較低的荷載水平下就發(fā)生破壞。冰-地震組合作用中，覆冰增加的結(jié)構(gòu)重量會(huì)增大地震力，而地震作用又可能使覆冰脫落不均勻，進(jìn)一步引發(fā)導(dǎo)線的不平衡張力和舞動(dòng)，對(duì)輸電塔造成更大的危害。風(fēng)-冰-地震三種荷載同時(shí)作用時(shí)，其耦合效應(yīng)更為顯著，結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)多種形式的破壞，如構(gòu)件的斷裂、連接部位的松動(dòng)、結(jié)構(gòu)的整體倒塌等，對(duì)輸電塔線體系的安全構(gòu)成極大的威脅。三、復(fù)雜荷載作用下輸電塔塔線體系響應(yīng)分析理論與方法3.1有限元建模方法3.1.1單元選取與模型建立在構(gòu)建輸電塔塔線體系的有限元模型時(shí)，單元選取是極為關(guān)鍵的首要步驟，其合理性直接決定了模型對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)力學(xué)行為模擬的準(zhǔn)確性和有效性。對(duì)于輸電塔結(jié)構(gòu)，通常選用梁?jiǎn)卧獊磉M(jìn)行模擬，如ANSYS軟件中的BEAM188單元。梁?jiǎn)卧軌蜉^好地模擬輸電塔桿件的彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)等力學(xué)行為，其具有六個(gè)自由度，包括三個(gè)線位移自由度和三個(gè)角位移自由度，這使得它能夠準(zhǔn)確地描述桿件在空間中的受力和變形情況。輸電塔的塔身、橫擔(dān)和斜材等主要構(gòu)件，均可通過梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，通過賦予各梁?jiǎn)卧鄳?yīng)的材料屬性和截面特性，如彈性模量、泊松比、截面面積、慣性矩等，能夠真實(shí)地反映這些構(gòu)件在荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。在實(shí)際建模過程中，需要根據(jù)輸電塔的具體結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)圖紙，準(zhǔn)確地定義梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)位置和連接關(guān)系，確保模型的幾何形狀與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致。導(dǎo)線作為輸電塔線體系中的重要組成部分，由于其主要承受拉力，且具有較大的柔度，一般采用索單元進(jìn)行模擬，如LINK10單元。索單元僅能承受軸向拉力，不能承受壓力和彎矩，這與導(dǎo)線的實(shí)際受力特點(diǎn)相符合。LINK10單元通過定義其初始張力、橫截面積、彈性模量等參數(shù)，能夠有效地模擬導(dǎo)線在自身重力、風(fēng)荷載、覆冰荷載等作用下的張力變化和幾何變形。在模擬導(dǎo)線時(shí)，需要考慮導(dǎo)線的初始線形，通常采用懸鏈線理論來確定導(dǎo)線的初始形狀，并在模型中準(zhǔn)確地設(shè)置導(dǎo)線與輸電塔之間的連接方式，如鉸接或彈性連接等，以模擬導(dǎo)線與輸電塔之間的相互作用。絕緣子在輸電塔線體系中起著絕緣和連接的作用，其力學(xué)行為相對(duì)復(fù)雜，既需要考慮其拉伸、壓縮和彎曲等力學(xué)性能，又要考慮其與輸電塔和導(dǎo)線之間的連接特性。一般可采用梁?jiǎn)卧驐U單元來模擬絕緣子，如BEAM4單元或LINK8單元。BEAM4單元具有拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)的能力，能夠較好地模擬絕緣子在復(fù)雜荷載作用下的力學(xué)行為；LINK8單元?jiǎng)t是一種三維桿單元，可承受拉壓荷載，適用于模擬絕緣子的軸向受力情況。在實(shí)際建模中，需要根據(jù)絕緣子的具體結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，選擇合適的單元類型，并準(zhǔn)確地定義其材料屬性和連接方式。在完成單元選取后，便進(jìn)入模型建立階段。以ANSYS軟件為例，首先要根據(jù)輸電塔線體系的實(shí)際尺寸和結(jié)構(gòu)形式，在軟件中定義節(jié)點(diǎn)和單元。對(duì)于輸電塔，按照其各構(gòu)件的幾何尺寸和位置關(guān)系，依次定義各個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，并通過連接節(jié)點(diǎn)形成梁?jiǎn)卧?，?gòu)建出輸電塔的整體結(jié)構(gòu)模型。在定義節(jié)點(diǎn)和單元時(shí)，要注意編號(hào)的連續(xù)性和邏輯性，以便后續(xù)的模型管理和分析。然后，為各單元賦予相應(yīng)的材料屬性，如對(duì)于輸電塔的鋼材構(gòu)件，設(shè)置其彈性模量為2.06×10^5MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3等；對(duì)于導(dǎo)線，根據(jù)其材質(zhì)設(shè)置相應(yīng)的彈性模量、泊松比和密度等參數(shù)。接著，定義單元的實(shí)常數(shù)，如梁?jiǎn)卧慕孛婷娣e、慣性矩等，以及索單元的橫截面積、初始張力等。這些參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置對(duì)于模型的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，需要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)圖紙和材料特性進(jìn)行仔細(xì)確定。在模型建立過程中，還需要考慮結(jié)構(gòu)的邊界條件。輸電塔的底部通常與基礎(chǔ)相連，在模型中可將其底部節(jié)點(diǎn)設(shè)置為固定約束，即限制其三個(gè)方向的線位移和三個(gè)方向的角位移，以模擬基礎(chǔ)對(duì)輸電塔的約束作用。對(duì)于導(dǎo)線，其兩端與輸電塔相連，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置為鉸接或彈性連接，鉸接連接僅限制導(dǎo)線在連接點(diǎn)處的線位移，而彈性連接則可考慮導(dǎo)線與輸電塔之間的彈性相互作用。此外，還需考慮絕緣子與輸電塔和導(dǎo)線之間的連接約束，確保模型能夠準(zhǔn)確反映各部件之間的力學(xué)傳遞關(guān)系。3.1.2模型驗(yàn)證與參數(shù)敏感性分析模型驗(yàn)證是確保有限元模型可靠性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它通過將模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶋H工程案例進(jìn)行對(duì)比分析，來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠衲軌蛘鎸?shí)地反映輸電塔線體系在復(fù)雜荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。在與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比方面，可參考相關(guān)的風(fēng)洞試驗(yàn)、導(dǎo)線覆冰試驗(yàn)或振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果。例如，在風(fēng)洞試驗(yàn)中，通過在風(fēng)洞中模擬不同風(fēng)速和風(fēng)向條件下輸電塔線體系的風(fēng)荷載作用，測(cè)量輸電塔的位移、加速度和應(yīng)力等響應(yīng)參數(shù)。將有限元模型在相同風(fēng)荷載工況下的計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，若兩者在趨勢(shì)和數(shù)值上基本吻合，則說明模型能夠較好地模擬輸電塔線體系在風(fēng)荷載作用下的力學(xué)行為。對(duì)于導(dǎo)線覆冰試驗(yàn)，通過在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中模擬導(dǎo)線覆冰過程，測(cè)量覆冰導(dǎo)線的張力變化和輸電塔的附加荷載等參數(shù)，然后將這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型對(duì)導(dǎo)線覆冰荷載作用下輸電塔線體系響應(yīng)的模擬準(zhǔn)確性。與實(shí)際工程案例對(duì)比也是一種重要的驗(yàn)證方法。收集實(shí)際輸電塔線體系在復(fù)雜荷載作用下的運(yùn)行數(shù)據(jù)和事故案例，如在某次強(qiáng)風(fēng)、覆冰或地震災(zāi)害中輸電塔的破壞情況和相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。利用有限元模型對(duì)這些實(shí)際工況進(jìn)行模擬分析，將模擬結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，若模型能夠合理地解釋實(shí)際工程中的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，則表明模型具有較高的可信度。參數(shù)敏感性分析是研究不同參數(shù)對(duì)輸電塔線體系響應(yīng)影響程度的重要手段。在輸電塔線體系的有限元模型中，材料參數(shù)和幾何參數(shù)等眾多因素都會(huì)對(duì)體系的響應(yīng)產(chǎn)生影響。材料參數(shù)方面，如輸電塔鋼材的彈性模量、屈服強(qiáng)度，導(dǎo)線材料的彈性模量和線膨脹系數(shù)等。通過改變彈性模量的數(shù)值，觀察輸電塔在荷載作用下的位移、應(yīng)力等響應(yīng)的變化情況。若彈性模量增大，輸電塔的剛度會(huì)相應(yīng)提高，在相同荷載作用下，其位移和應(yīng)力可能會(huì)減??；反之，彈性模量減小，位移和應(yīng)力可能會(huì)增大。研究屈服強(qiáng)度的變化對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)的極限承載能力和塑性發(fā)展過程的影響。當(dāng)屈服強(qiáng)度降低時(shí)，輸電塔在較小的荷載作用下就可能進(jìn)入塑性狀態(tài)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力重分布加劇，影響結(jié)構(gòu)的安全性。幾何參數(shù)方面，包括輸電塔的高度、橫擔(dān)長(zhǎng)度、導(dǎo)線的檔距和弧垂等。增加輸電塔的高度，會(huì)使結(jié)構(gòu)的重心升高，在風(fēng)荷載和地震荷載作用下，其水平位移和地震響應(yīng)可能會(huì)顯著增大。改變橫擔(dān)長(zhǎng)度會(huì)影響輸電塔的整體受力性能，橫擔(dān)過長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致橫擔(dān)端部的彎矩和剪力過大，增加橫擔(dān)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于導(dǎo)線，檔距增大時(shí)，導(dǎo)線的自重作用會(huì)使導(dǎo)線的弧垂增大，在風(fēng)荷載和覆冰荷載作用下，導(dǎo)線的張力變化和舞動(dòng)響應(yīng)也會(huì)更加明顯；弧垂的改變會(huì)影響導(dǎo)線與輸電塔之間的相互作用，進(jìn)而影響輸電塔線體系的整體力學(xué)性能。通過全面、系統(tǒng)的參數(shù)敏感性分析，可以確定對(duì)輸電塔線體系響應(yīng)影響較大的關(guān)鍵參數(shù)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和安全評(píng)估提供重要依據(jù)。在實(shí)際工程中，對(duì)于這些關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)進(jìn)行更加精確的測(cè)量和控制，以確保輸電塔線體系在復(fù)雜荷載作用下的安全性和可靠性。三、復(fù)雜荷載作用下輸電塔塔線體系響應(yīng)分析理論與方法3.2動(dòng)力響應(yīng)分析理論3.2.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本理論結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)作為研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下響應(yīng)的重要學(xué)科，為輸電塔線體系的動(dòng)力分析提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中，振動(dòng)方程是描述結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的核心方程，它基于牛頓第二定律和達(dá)朗貝爾原理建立。對(duì)于一個(gè)多自由度的輸電塔線體系，其振動(dòng)方程可表示為：[M]\{\ddot{u}\}+[C]\{\dot{u}\}+[K]\{u\}=\{F(t)\}其中，[M]為質(zhì)量矩陣，它反映了結(jié)構(gòu)各部分的質(zhì)量分布情況，對(duì)于輸電塔線體系，包括輸電塔的鋼材質(zhì)量、導(dǎo)線的質(zhì)量以及絕緣子等附屬部件的質(zhì)量。[C]為阻尼矩陣，阻尼是結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過程中能量耗散的一種度量，主要來源于材料的內(nèi)摩擦、結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)的相互作用等，不同的結(jié)構(gòu)形式和材料特性會(huì)導(dǎo)致阻尼的差異。[K]為剛度矩陣，它體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，由輸電塔的桿件布置、截面尺寸以及材料的彈性模量等因素決定。\{u\}、\{\dot{u}\}和\{\ddot{u}\}分別為位移向量、速度向量和加速度向量，它們描述了結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。\{F(t)\}為動(dòng)力荷載向量，在輸電塔線體系中，可能包括風(fēng)荷載、地震荷載、導(dǎo)線覆冰引起的荷載等隨時(shí)間變化的荷載。模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的重要分析方法，它通過求解結(jié)構(gòu)的特征值問題，得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。固有頻率是結(jié)構(gòu)自身的振動(dòng)特性，它反映了結(jié)構(gòu)在自由振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)頻率，不同的固有頻率對(duì)應(yīng)著不同的振動(dòng)形態(tài)，即振型。對(duì)于輸電塔線體系，固有頻率和振型對(duì)于理解其在動(dòng)力荷載作用下的響應(yīng)具有重要意義。當(dāng)動(dòng)力荷載的頻率與結(jié)構(gòu)的某一階固有頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)急劇增大，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的安全造成嚴(yán)重威脅。通過模態(tài)分析，可以確定輸電塔線體系的各階固有頻率和振型，為后續(xù)的動(dòng)力響應(yīng)分析提供關(guān)鍵信息。在實(shí)際分析中，通常采用有限元軟件中的模態(tài)分析模塊來計(jì)算輸電塔線體系的固有頻率和振型。以ANSYS軟件為例，通過建立輸電塔線體系的有限元模型，定義材料屬性、單元類型和邊界條件等，然后調(diào)用模態(tài)分析命令，即可得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型結(jié)果。這些結(jié)果可以以圖表或數(shù)據(jù)的形式輸出，方便分析人員查看和分析。例如，通過模態(tài)分析可以得到輸電塔在不同方向上的振動(dòng)模態(tài)，了解結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向上的振動(dòng)特性，為結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。3.2.2隨機(jī)振動(dòng)理論在風(fēng)荷載響應(yīng)分析中的應(yīng)用風(fēng)荷載具有明顯的隨機(jī)性，其風(fēng)速、風(fēng)向和脈動(dòng)特性隨時(shí)間不斷變化，這使得基于確定性理論的分析方法難以準(zhǔn)確描述輸電塔線體系在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)。隨機(jī)振動(dòng)理論則為解決這一問題提供了有效的途徑，它能夠充分考慮風(fēng)荷載的隨機(jī)性，更加真實(shí)地反映輸電塔線體系在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)。在隨機(jī)振動(dòng)理論中，通常將風(fēng)荷載視為一個(gè)隨機(jī)過程，用功率譜密度函數(shù)來描述其統(tǒng)計(jì)特性。功率譜密度函數(shù)反映了風(fēng)荷載在不同頻率成分上的能量分布情況，常見的風(fēng)荷載功率譜密度模型有Davenport譜、Kaimal譜等。以Davenport譜為例，其表達(dá)式為：S_{v}(\omega)=\frac{4kI_{10}^{2}V_{10}^{2}}{\omega}\frac{x^{2}}{(1+x^{2})^{\frac{4}{3}}}其中，S_{v}(\omega)為脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度，\omega為圓頻率，k為地面粗糙度系數(shù)，它與地形地貌等因素有關(guān)，不同的地面粗糙度會(huì)導(dǎo)致風(fēng)的脈動(dòng)特性不同。I_{10}為10m高度處的湍流強(qiáng)度，反映了風(fēng)的紊流程度。V_{10}為10m高度處的平均風(fēng)速，是風(fēng)荷載的重要參數(shù)之一。x=\frac{1200\omega}{V_{10}}，通過這個(gè)參數(shù)將頻率與平均風(fēng)速聯(lián)系起來。利用隨機(jī)振動(dòng)理論分析輸電塔線體系在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)時(shí)，首先需要建立結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程，如前文所述的振動(dòng)方程[M]\{\ddot{u}\}+[C]\{\dot{u}\}+[K]\{u\}=\{F(t)\}，其中\(zhòng){F(t)\}為隨機(jī)風(fēng)荷載向量。然后，根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)理論的相關(guān)公式，將風(fēng)荷載的功率譜密度函數(shù)與結(jié)構(gòu)的響應(yīng)聯(lián)系起來。通過求解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程，可以得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)的功率譜密度函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出結(jié)構(gòu)響應(yīng)的均方值、方差等統(tǒng)計(jì)量，這些統(tǒng)計(jì)量能夠反映結(jié)構(gòu)在隨機(jī)風(fēng)荷載作用下的平均響應(yīng)水平和響應(yīng)的離散程度。例如，結(jié)構(gòu)響應(yīng)的均方值可以表示為：E[u_{i}^{2}]=\int_{0}^{\infty}S_{u_{i}}(\omega)d\omega其中，E[u_{i}^{2}]為結(jié)構(gòu)第i個(gè)自由度響應(yīng)的均方值，S_{u_{i}}(\omega)為第i個(gè)自由度響應(yīng)的功率譜密度函數(shù)。通過計(jì)算均方值，可以了解結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的平均位移、加速度等響應(yīng)的大小，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全性評(píng)估提供重要依據(jù)。在實(shí)際工程中，還可以根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)量，結(jié)合可靠性理論，對(duì)輸電塔線體系在風(fēng)荷載作用下的可靠性進(jìn)行評(píng)估，判斷結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)是否能夠滿足設(shè)計(jì)要求，從而采取相應(yīng)的措施提高結(jié)構(gòu)的可靠性。3.2.3時(shí)程分析法在地震荷載響應(yīng)分析中的應(yīng)用時(shí)程分析法是一種直接在時(shí)間域內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析的方法，它能夠精確地考慮地震波的頻譜特性、持時(shí)和幅值等因素對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，因此在輸電塔線體系的地震荷載響應(yīng)分析中得到了廣泛應(yīng)用。時(shí)程分析法的基本原理是將地震波的加速度時(shí)程作為輸入，直接求解結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程，得到結(jié)構(gòu)在地震作用下各個(gè)時(shí)刻的位移、速度和加速度響應(yīng)。其具體步驟如下：定義結(jié)構(gòu)模型：利用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立輸電塔線體系的精細(xì)化有限元模型，準(zhǔn)確模擬輸電塔的塔身、橫擔(dān)、斜材以及導(dǎo)線、絕緣子等構(gòu)件的力學(xué)行為。在模型中，要合理定義材料屬性，如彈性模量、泊松比、密度等，以及單元類型和節(jié)點(diǎn)連接方式，確保模型能夠真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際工程情況，設(shè)置結(jié)構(gòu)的邊界條件，如輸電塔底部與基礎(chǔ)的連接方式，通常將底部節(jié)點(diǎn)設(shè)置為固定約束，限制其三個(gè)方向的線位移和三個(gè)方向的角位移。選擇和輸入地震波：根據(jù)輸電塔線體系所在地區(qū)的地震地質(zhì)條件和抗震設(shè)計(jì)要求，選擇合適的地震波。地震波的選擇應(yīng)考慮其頻譜特性、持時(shí)和幅值等因素，使其能夠代表該地區(qū)可能發(fā)生的地震動(dòng)。常見的地震波有ElCentro波、Taft波等，也可以根據(jù)實(shí)際的地震記錄進(jìn)行選擇。在有限元軟件中，通過相應(yīng)的命令將選擇的地震波加速度時(shí)程數(shù)據(jù)輸入到模型中，作為結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的激勵(lì)。進(jìn)行動(dòng)力分析：設(shè)置動(dòng)力分析的參數(shù)，如時(shí)間步長(zhǎng)、積分方法等。時(shí)間步長(zhǎng)的選擇要合理，既要保證計(jì)算精度，又要避免計(jì)算量過大。積分方法通常采用Newmark法、Wilson-θ法等，這些方法能夠有效地求解結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程。在設(shè)置好參數(shù)后，啟動(dòng)動(dòng)力分析程序，對(duì)結(jié)構(gòu)在地震波作用下的響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。輸出結(jié)果：分析完成后，從有限元軟件中提取結(jié)構(gòu)在地震作用下各個(gè)時(shí)刻的位移、速度、加速度和內(nèi)力等響應(yīng)結(jié)果。這些結(jié)果可以以圖形或數(shù)據(jù)的形式輸出，方便分析人員進(jìn)行查看和分析。通過對(duì)結(jié)果的分析，可以了解輸電塔線體系在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，如結(jié)構(gòu)的最大位移、最大加速度出現(xiàn)在哪個(gè)時(shí)刻，哪些部位的內(nèi)力較大等，從而評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能。例如，通過時(shí)程分析法對(duì)某輸電塔線體系進(jìn)行地震響應(yīng)分析，得到了輸電塔在地震作用下的位移時(shí)程曲線。從曲線中可以看出，在地震波的作用下，輸電塔的位移隨時(shí)間不斷變化，在某個(gè)時(shí)刻達(dá)到最大值。通過進(jìn)一步分析，可以確定最大位移發(fā)生的位置和大小，評(píng)估輸電塔在該地震作用下是否會(huì)發(fā)生破壞。同時(shí)，還可以分析輸電塔各構(gòu)件的內(nèi)力響應(yīng)，找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和加固提供依據(jù)。四、不同復(fù)雜荷載作用下輸電塔塔線體系響應(yīng)特性4.1風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)4.1.1風(fēng)荷載模擬方法風(fēng)荷載模擬是研究輸電塔線體系在風(fēng)作用下響應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前常用的模擬方法主要有諧波疊加法和自回歸滑動(dòng)平均法，每種方法都有其獨(dú)特的原理和實(shí)現(xiàn)過程。諧波疊加法是基于隨機(jī)過程的理論，將風(fēng)荷載視為一系列具有不同頻率、幅值和相位的諧波分量的疊加。其基本原理是根據(jù)給定的功率譜密度函數(shù)，通過傅里葉變換將風(fēng)荷載在頻域上進(jìn)行分解，得到各個(gè)諧波分量的參數(shù)。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：首先，確定風(fēng)荷載的功率譜密度函數(shù)，如常用的Davenport譜或Kaimal譜。以Davenport譜為例，其表達(dá)式為S_{v}(\omega)=\frac{4kI_{10}^{2}V_{10}^{2}}{\omega}\frac{x^{2}}{(1+x^{2})^{\frac{4}{3}}}，其中S_{v}(\omega)為脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度，\omega為圓頻率，k為地面粗糙度系數(shù)，I_{10}為10m高度處的湍流強(qiáng)度，V_{10}為10m高度處的平均風(fēng)速，x=\frac{1200\omega}{V_{10}}。然后，根據(jù)功率譜密度函數(shù)，計(jì)算出各個(gè)諧波分量的幅值和相位。幅值可通過功率譜密度函數(shù)在相應(yīng)頻率處的值進(jìn)行計(jì)算，相位則通常采用隨機(jī)數(shù)生成，以保證模擬的隨機(jī)性。最后，將這些諧波分量進(jìn)行疊加，得到模擬的風(fēng)荷載時(shí)程。在Matlab環(huán)境下，可以通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)諧波疊加法的風(fēng)荷載模擬。首先定義相關(guān)參數(shù)，如平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、模擬時(shí)間步長(zhǎng)等。然后根據(jù)功率譜密度函數(shù)計(jì)算諧波分量的幅值和相位，利用循環(huán)語句將各個(gè)諧波分量進(jìn)行疊加，最終得到模擬的風(fēng)荷載時(shí)程曲線。通過繪制時(shí)程曲線，可以直觀地觀察風(fēng)荷載的變化情況。自回歸滑動(dòng)平均法（ARMA）則是從時(shí)間序列分析的角度出發(fā)，將風(fēng)荷載時(shí)程看作是一個(gè)時(shí)間序列，通過建立自回歸模型和滑動(dòng)平均模型來模擬風(fēng)荷載的變化。其原理是基于線性濾波理論，認(rèn)為當(dāng)前時(shí)刻的風(fēng)速可以由過去若干時(shí)刻的風(fēng)速以及一個(gè)白噪聲序列的線性組合來表示。對(duì)于一個(gè)p階自回歸和q階滑動(dòng)平均的ARMA模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：x_t=\sum_{i=1}^{p}\varphi_ix_{t-i}+\sum_{j=1}^{q}\theta_j\epsilon_{t-j}+\epsilon_t其中，x_t為t時(shí)刻的風(fēng)速，\varphi_i和\theta_j分別為自回歸系數(shù)和滑動(dòng)平均系數(shù)，\epsilon_t為白噪聲序列。實(shí)現(xiàn)過程中，首先需要根據(jù)實(shí)際的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)，通過參數(shù)估計(jì)方法確定自回歸系數(shù)\varphi_i和滑動(dòng)平均系數(shù)\theta_j。常用的參數(shù)估計(jì)方法有最小二乘法、極大似然估計(jì)法等。然后，利用已確定的系數(shù)和初始條件，通過迭代計(jì)算生成風(fēng)荷載時(shí)程。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)風(fēng)荷載的特點(diǎn)和模擬精度要求，合理選擇自回歸階數(shù)p和滑動(dòng)平均階數(shù)q。一般來說，階數(shù)越高，模型對(duì)風(fēng)荷載的模擬精度越高，但計(jì)算量也會(huì)相應(yīng)增加。通過不斷調(diào)整階數(shù)和參數(shù)，直到模擬結(jié)果與實(shí)際風(fēng)荷載數(shù)據(jù)具有較好的吻合度。4.1.2輸電塔線體系風(fēng)振響應(yīng)規(guī)律在不同風(fēng)速作用下，輸電塔的位移響應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。隨著風(fēng)速的逐漸增大，輸電塔各部位的位移均會(huì)相應(yīng)增大。以輸電塔塔頂位移為例，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，塔頂位移較小，且增長(zhǎng)較為緩慢；當(dāng)風(fēng)速超過一定閾值后，塔頂位移增長(zhǎng)速度加快。這是因?yàn)樵诘惋L(fēng)速階段，輸電塔主要承受平均風(fēng)荷載的靜力作用，結(jié)構(gòu)變形相對(duì)較小。隨著風(fēng)速的增大，脈動(dòng)風(fēng)荷載的動(dòng)力作用逐漸凸顯，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)加劇，位移迅速增大。風(fēng)速的變化還會(huì)對(duì)輸電塔的內(nèi)力響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。輸電塔的主材和斜材內(nèi)力會(huì)隨著風(fēng)速的增加而增大，且不同部位的內(nèi)力變化趨勢(shì)有所不同。在塔底部位，由于承受的荷載較大，內(nèi)力增長(zhǎng)更為明顯。在高風(fēng)速下，塔底主材可能會(huì)出現(xiàn)較大的軸力和彎矩，容易導(dǎo)致構(gòu)件屈服甚至破壞。風(fēng)向的改變同樣會(huì)對(duì)輸電塔的響應(yīng)產(chǎn)生重要影響。不同風(fēng)向作用下，風(fēng)荷載在輸電塔上的分布形式會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致輸電塔的位移和內(nèi)力響應(yīng)呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)向與輸電塔的軸向一致時(shí)，輸電塔主要承受順風(fēng)向的風(fēng)荷載，此時(shí)順風(fēng)向位移較大，而橫風(fēng)向位移相對(duì)較小。當(dāng)風(fēng)向與輸電塔軸向存在一定夾角時(shí)，輸電塔不僅會(huì)受到順風(fēng)向風(fēng)荷載的作用，還會(huì)受到橫風(fēng)向風(fēng)荷載的作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)同時(shí)產(chǎn)生順風(fēng)向和橫風(fēng)向的位移響應(yīng)。在某些特定風(fēng)向角度下，橫風(fēng)向風(fēng)荷載可能會(huì)引發(fā)輸電塔的渦激振動(dòng)等現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)急劇增大。不同風(fēng)向作用下，輸電塔各構(gòu)件的內(nèi)力分布也會(huì)發(fā)生改變。例如，當(dāng)風(fēng)向改變時(shí)，橫擔(dān)與塔身連接部位的內(nèi)力會(huì)發(fā)生明顯變化，可能會(huì)出現(xiàn)較大的剪力和彎矩，對(duì)連接部位的強(qiáng)度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。在風(fēng)荷載作用下，導(dǎo)線的振動(dòng)特性也備受關(guān)注。導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生不同形式的振動(dòng)，其中微風(fēng)振動(dòng)和舞動(dòng)是較為常見的兩種振動(dòng)形式。微風(fēng)振動(dòng)是在微風(fēng)條件下（風(fēng)速一般在0.5-10m/s），導(dǎo)線因氣流的激勵(lì)而產(chǎn)生的高頻、小振幅的振動(dòng)。這種振動(dòng)雖然振幅較小，但由于其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，容易導(dǎo)致導(dǎo)線疲勞損傷。微風(fēng)振動(dòng)的頻率與導(dǎo)線的張力、線密度等因素有關(guān)，通?？梢酝ㄟ^安裝防振錘等措施來抑制微風(fēng)振動(dòng)。舞動(dòng)則是在特定的氣象條件下（如覆冰、低風(fēng)速、特定風(fēng)向等），導(dǎo)線發(fā)生的低頻、大振幅的振動(dòng)。舞動(dòng)的振幅可達(dá)數(shù)米甚至更大，對(duì)輸電塔線體系的危害極大。舞動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線與導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與輸電塔之間發(fā)生碰撞，引發(fā)線路短路、斷線等事故。舞動(dòng)的發(fā)生與導(dǎo)線的覆冰形狀、風(fēng)速、風(fēng)向等因素密切相關(guān)，目前對(duì)于舞動(dòng)的防治主要采用安裝相間間隔棒、線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒等措施。4.1.3工程案例分析以某實(shí)際500kV輸電塔線工程為例，該輸電塔為酒杯型結(jié)構(gòu)，高度為80m，檔距為400m，導(dǎo)線采用LGJ-400/50型鋼芯鋁絞線。利用有限元軟件ANSYS建立該輸電塔線體系的精細(xì)化有限元模型，在模型中準(zhǔn)確模擬輸電塔的塔身、橫擔(dān)、斜材以及導(dǎo)線、絕緣子等構(gòu)件的力學(xué)行為。對(duì)于輸電塔構(gòu)件，選用BEAM188梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，賦予其鋼材的材料屬性，如彈性模量為2.06×10^5MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。導(dǎo)線則采用LINK10索單元模擬，設(shè)置其初始張力、橫截面積、彈性模量等參數(shù)。在模擬風(fēng)荷載作用時(shí)，采用諧波疊加法模擬風(fēng)荷載時(shí)程。根據(jù)該地區(qū)的氣象資料，確定風(fēng)荷載的相關(guān)參數(shù)，如10m高度處的平均風(fēng)速為25m/s，地面粗糙度系數(shù)為B類，湍流強(qiáng)度為0.15。按照諧波疊加法的原理，通過Matlab編程計(jì)算出各個(gè)諧波分量的幅值和相位，然后將這些諧波分量疊加得到模擬的風(fēng)荷載時(shí)程，并將其施加到有限元模型上。經(jīng)過計(jì)算分析，得到該輸電塔在風(fēng)荷載作用下的位移和內(nèi)力響應(yīng)結(jié)果。在塔頂位移方面，當(dāng)風(fēng)速為25m/s時(shí)，塔頂順風(fēng)向位移為0.35m，橫風(fēng)向位移為0.12m。隨著風(fēng)速的增加，塔頂位移逐漸增大。在輸電塔內(nèi)力方面，塔底主材在風(fēng)速為25m/s時(shí)，軸力達(dá)到2.5×10^5N，彎矩為1.8×10^6N?m。通過與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在趨勢(shì)上基本一致，位移和內(nèi)力的數(shù)值誤差在可接受范圍內(nèi)。在某次實(shí)際大風(fēng)天氣中，監(jiān)測(cè)到塔頂順風(fēng)向位移為0.38m，模擬結(jié)果為0.35m，誤差約為7.9%；塔底主材軸力監(jiān)測(cè)值為2.6×10^5N，模擬值為2.5×10^5N，誤差約為3.8%。這表明建立的有限元模型和采用的風(fēng)荷載模擬方法能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)該輸電塔線體系在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)，為工程設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提供了可靠的依據(jù)。通過對(duì)該工程案例的分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了風(fēng)荷載作用下輸電塔線體系響應(yīng)規(guī)律的正確性，同時(shí)也為類似工程的分析和設(shè)計(jì)提供了有益的參考。4.2覆冰荷載作用下的響應(yīng)4.2.1覆冰增長(zhǎng)模型與荷載計(jì)算導(dǎo)線覆冰是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，涉及到傳熱學(xué)、流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。在寒冷且濕度較高的環(huán)境中，當(dāng)空氣中的過冷卻水滴與導(dǎo)線表面接觸時(shí)，就會(huì)發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致覆冰的形成。隨著時(shí)間的推移，覆冰逐漸增厚，其增長(zhǎng)過程受到多種因素的綜合影響。在覆冰增長(zhǎng)模型中，常用的有基于熱力學(xué)原理的Messinger模型和Makkonen模型。Messinger模型是最早提出的較為經(jīng)典的覆冰模型，它基于能量守恒定律，考慮了過冷卻水滴碰撞導(dǎo)線時(shí)的動(dòng)能、潛熱釋放、導(dǎo)線與空氣之間的對(duì)流換熱以及輻射換熱等因素。該模型假設(shè)覆冰過程是一個(gè)穩(wěn)態(tài)的熱平衡過程，通過建立熱平衡方程來描述覆冰的增長(zhǎng)。其熱平衡方程可表示為：Q_{im}+Q_{f}+Q_{conv}+Q_{rad}=0其中，Q_{im}為過冷卻水滴碰撞導(dǎo)線時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的部分，Q_{f}為水滴凍結(jié)時(shí)釋放的潛熱，Q_{conv}為導(dǎo)線與空氣之間的對(duì)流換熱，Q_{rad}為導(dǎo)線與周圍環(huán)境之間的輻射換熱。通過求解該方程，可以得到覆冰增長(zhǎng)的速率以及覆冰的厚度等參數(shù)。Makkonen模型則在Messinger模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，引入了凍結(jié)系數(shù)的概念，進(jìn)一步完善了對(duì)覆冰熱平衡的計(jì)算。凍結(jié)系數(shù)表示過冷卻水滴在導(dǎo)線表面凍結(jié)的比例，它與環(huán)境溫度、風(fēng)速、水滴粒徑等因素密切相關(guān)。Makkonen模型考慮了覆冰過程中的非穩(wěn)態(tài)因素，能夠更準(zhǔn)確地描述覆冰的增長(zhǎng)過程。其計(jì)算公式為：m_{ice}=\alpham_{w}其中，m_{ice}為覆冰的質(zhì)量，\alpha為凍結(jié)系數(shù)，m_{w}為過冷卻水滴的質(zhì)量。凍結(jié)系數(shù)\alpha可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式來確定，不同的研究給出了不同的計(jì)算方法，一般與環(huán)境溫度、風(fēng)速等參數(shù)有關(guān)。在計(jì)算覆冰荷載時(shí)，需要考慮覆冰的厚度、密度以及導(dǎo)線的幾何形狀等因素。覆冰荷載主要包括垂直荷載和水平荷載。垂直荷載是由于覆冰增加了導(dǎo)線的重量而產(chǎn)生的，其計(jì)算公式為：W_{v}=\pi(r_{0}+r_{ice})^{2}\rho_{ice}g其中，W_{v}為垂直荷載，r_{0}為導(dǎo)線的半徑，r_{ice}為覆冰的厚度，\rho_{ice}為覆冰的密度，g為重力加速度。水平荷載則是由于風(fēng)對(duì)覆冰導(dǎo)線的作用而產(chǎn)生的，其計(jì)算公式為：W_{h}=0.5\rho_{air}v^{2}C_tkvmwfx(2r_{0}+2r_{ice})其中，W_{h}為水平荷載，\rho_{air}為空氣密度，v為風(fēng)速，C_s1s1nzq為風(fēng)阻力系數(shù)，它與覆冰導(dǎo)線的形狀、表面粗糙度等因素有關(guān)。通過這些公式，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出覆冰荷載的大小，為后續(xù)分析輸電塔線體系在覆冰荷載作用下的響應(yīng)提供基礎(chǔ)。4.2.2輸電塔線體系覆冰響應(yīng)特征覆冰對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布有著顯著影響。隨著覆冰厚度的逐漸增加，輸電塔所承受的荷載不斷增大，這會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的變形。以輸電塔的塔身為例，在覆冰荷載作用下，塔身會(huì)發(fā)生彎曲變形，頂部的水平位移逐漸增大。通過有限元模擬分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)覆冰厚度達(dá)到一定程度時(shí)，塔身的彎曲變形可能會(huì)超過允許值，從而影響輸電塔的正常使用和結(jié)構(gòu)安全。在某實(shí)際工程案例的模擬中，當(dāng)覆冰厚度從5mm增加到15mm時(shí)，輸電塔塔頂?shù)乃轿灰茝?.1m增大到了0.3m。覆冰還會(huì)使輸電塔的應(yīng)力分布發(fā)生改變。在覆冰荷載作用下，輸電塔的主材和斜材的應(yīng)力會(huì)顯著增加，尤其是在塔身底部和橫擔(dān)與塔身的連接部位，這些部位會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，構(gòu)件就可能發(fā)生屈服破壞，進(jìn)而危及輸電塔的整體穩(wěn)定性。通過對(duì)輸電塔在覆冰荷載作用下的應(yīng)力分析可知，在覆冰厚度為10mm時(shí)，塔身底部主材的應(yīng)力達(dá)到了200MPa，接近鋼材的屈服強(qiáng)度。導(dǎo)線覆冰后，由于重量增加和剛度改變，容易引發(fā)馳振現(xiàn)象。馳振是一種自激振動(dòng)，通常發(fā)生在低風(fēng)速和特定的覆冰條件下。當(dāng)導(dǎo)線覆冰后，其截面形狀發(fā)生改變，在風(fēng)的作用下，氣動(dòng)力會(huì)產(chǎn)生負(fù)阻尼效應(yīng)，從而激發(fā)導(dǎo)線的大幅振動(dòng)。馳振的振幅可達(dá)數(shù)米甚至更大，振動(dòng)頻率一般在0.1-1Hz之間。這種劇烈的振動(dòng)不僅會(huì)對(duì)導(dǎo)線本身造成疲勞損傷，還會(huì)對(duì)輸電塔產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊荷載，導(dǎo)致輸電塔的構(gòu)件承受更大的應(yīng)力和變形。在一些嚴(yán)重的情況下，馳振可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線斷裂、輸電塔倒塌等重大事故。為了抑制導(dǎo)線覆冰后的馳振現(xiàn)象，可以采取安裝相間間隔棒、線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒等措施。相間間隔棒能夠增加導(dǎo)線之間的距離，減少導(dǎo)線之間的相互作用，從而降低馳振的發(fā)生概率。線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒則可以通過改變線夾的轉(zhuǎn)動(dòng)特性，調(diào)整導(dǎo)線的受力狀態(tài)，有效地抑制馳振的發(fā)生。4.2.3案例研究以2008年我國(guó)南方地區(qū)發(fā)生的嚴(yán)重冰雪災(zāi)害為例，此次災(zāi)害中，輸電塔線體系遭受了巨大的破壞。在湖南、貴州等地區(qū)，大量輸電塔倒塌，導(dǎo)線斷裂，導(dǎo)致大面積停電，給當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活帶來了嚴(yán)重影響。對(duì)此次災(zāi)害中受損的輸電塔進(jìn)行調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，覆冰荷載是導(dǎo)致輸電塔破壞的主要原因。在災(zāi)害期間，該地區(qū)出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的低溫、高濕度天氣，導(dǎo)線覆冰厚度達(dá)到了50-100mm，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。如此嚴(yán)重的覆冰使得輸電塔承受了巨大的荷載，超過了其設(shè)計(jì)承載能力。從破壞形式來看，許多輸電塔出現(xiàn)了塔身彎曲、主材斷裂、橫擔(dān)脫落等現(xiàn)象。塔身彎曲是由于覆冰荷載產(chǎn)生的彎矩過大，導(dǎo)致塔身無法承受而發(fā)生變形。主材斷裂則是因?yàn)楦脖奢d使主材應(yīng)力超過了其極限強(qiáng)度。橫擔(dān)脫落主要是由于覆冰導(dǎo)線的張力增大，對(duì)橫擔(dān)產(chǎn)生了過大的拉力，導(dǎo)致橫擔(dān)與塔身的連接部位失效。通過對(duì)受損輸電塔的有限元模擬分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了覆冰荷載對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理。模擬結(jié)果表明，在覆冰厚度為80mm時(shí)，輸電塔塔身底部的應(yīng)力超過了鋼材的屈服強(qiáng)度，塔身出現(xiàn)明顯的塑性變形，最終導(dǎo)致倒塌。此次災(zāi)害案例充分說明了覆冰荷載對(duì)輸電塔線體系的巨大危害，也為后續(xù)的輸電塔設(shè)計(jì)和運(yùn)維提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。在輸電塔設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮極端覆冰情況，提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抗冰性能。在運(yùn)維過程中，要加強(qiáng)對(duì)輸電塔線體系的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理覆冰問題，以確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。4.3地震荷載作用下的響應(yīng)4.3.1地震波的選取與輸入地震波的準(zhǔn)確選取是輸電塔線體系地震響應(yīng)分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其選取需緊密依據(jù)工程場(chǎng)地的具體條件，確保所選地震波能夠真實(shí)反映該場(chǎng)地可能遭遇的地震特性。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010），地震波的選取應(yīng)滿足頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間等多方面的要求。頻譜特性通常用地震影響系數(shù)曲線來表征，它與場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組密切相關(guān)。不同的場(chǎng)地類別，如堅(jiān)硬場(chǎng)地、中軟場(chǎng)地和軟弱場(chǎng)地等，其土層的性質(zhì)和厚度不同，會(huì)導(dǎo)致地震波在傳播過程中發(fā)生不同程度的反射、折射和吸收，從而使地震波的頻譜特性產(chǎn)生差異。設(shè)計(jì)地震分組則反映了震中距和震級(jí)大小等因素對(duì)地震波的影響。在實(shí)際選取地震波時(shí)，應(yīng)確保所選地震波所處場(chǎng)地的設(shè)計(jì)分組和場(chǎng)地類別與輸電塔線體系所在場(chǎng)地一致，即兩者的特征周期T_g值應(yīng)接近或相同。特征周期T_g的計(jì)算可通過公式T_g=2\pi\timesEPV/EPA得出，其中EPA為有效峰值加速度，EPV為有效峰值速度。有效峰值加速度按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的相關(guān)表格采用，其計(jì)算方法為EPA=Sa/2.5，Sa為阻尼比為5%的加速度反應(yīng)譜在特定周期范圍內(nèi)的平均值。有效峰值速度EPV=Sv/2.5，Sv為阻尼比為5%的速度反應(yīng)譜在特定周期范圍內(nèi)的平均值。除了滿足上述規(guī)范要求外，還可參考實(shí)際地震記錄數(shù)據(jù)庫(kù)，如太平洋地震工程研究中心（PEER）數(shù)據(jù)庫(kù)，從中選取與輸電塔線體系所在地區(qū)地震特性相似的地震波。在選擇時(shí)，要綜合考慮地震波的震級(jí)、震中距、場(chǎng)地條件等因素。對(duì)于處于板塊邊界附近、地震活動(dòng)頻繁且震級(jí)較高的地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先選擇震級(jí)較大、震中距較近的地震波。若輸電塔線體系位于場(chǎng)地條件較為復(fù)雜的山區(qū)，應(yīng)選擇在類似山區(qū)場(chǎng)地記錄的地震波，以更好地反映實(shí)際地震作用。將選取的地震波輸入有限元模型時(shí)，需要借助專業(yè)的有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等。在ANSYS軟件中，可通過其自帶的命令流或圖形用戶界面（GUI）來實(shí)現(xiàn)地震波的輸入。以命令流方式為例，首先需要將地震波的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)整理成特定的格式，一般為文本文件，文件中每一行代表一個(gè)時(shí)間步的加速度值。然后，使用ANSYS的TIME命令定義時(shí)間步長(zhǎng)和總時(shí)間，通過VREAD命令讀取地震波加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，并將其賦值給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)自由度。在GUI操作中，可在“LoadStepOpts”菜單下選擇“Time/Frequenc”選項(xiàng)，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)和加載時(shí)間。接著，在“Loads-Apply-Structural-Inertia-Acceleration”路徑下，選擇“GlobalCartesian”選項(xiàng)，將地震波加速度時(shí)程數(shù)據(jù)加載到模型的整體坐標(biāo)系中。通過這些操作，即可將地震波準(zhǔn)確地輸入到有限元模型中，為后續(xù)的地震響應(yīng)分析提供激勵(lì)。4.3.2輸電塔線體系地震響應(yīng)規(guī)律在地震作用下，輸電塔會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的水平和豎向地震響應(yīng)。水平地震響應(yīng)是導(dǎo)致輸電塔破壞的主要因素之一，其位移響應(yīng)隨地震波特性和結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性的變化而顯著改變。當(dāng)輸電塔的自振周期與地震波的卓越周期接近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致輸電塔的水平位移急劇增大。以某實(shí)際輸電塔為例，其自振周期為0.8s，當(dāng)輸入的地震波卓越周期為0.75s時(shí)，在地震作用下，輸電塔塔頂?shù)乃轿灰七_(dá)到了0.5m，而在其他地震波作用下，水平位移一般在0.2m左右。這種大幅的水平位移會(huì)使輸電塔的塔身承受巨大的彎矩和剪力，容易導(dǎo)致塔身構(gòu)件的屈服和斷裂。在水平地震力的作用下，輸電塔各構(gòu)件的內(nèi)力分布也會(huì)發(fā)生明顯變化。塔身底部的主材由于承受著整個(gè)塔體的重量和地震力，會(huì)產(chǎn)生較大的軸力和彎矩。橫擔(dān)與塔身連接部位也會(huì)受到較大的剪力和彎矩作用，這些部位是輸電塔在水平地震響應(yīng)中的薄弱環(huán)節(jié)，容易發(fā)生破壞。豎向地震響應(yīng)雖然在一般情況下對(duì)輸電塔的影響相對(duì)較小，但在某些特殊情況下，也不容忽視。當(dāng)輸電塔位于地震波豎向分量較強(qiáng)的區(qū)域，或輸電塔的結(jié)構(gòu)形式對(duì)豎向地震力較為敏感時(shí)，豎向地震力可能會(huì)導(dǎo)致輸電塔的基礎(chǔ)出現(xiàn)上拔或下沉現(xiàn)象，影響輸電塔的穩(wěn)定性。豎向地震力還可能使輸電塔的構(gòu)件產(chǎn)生軸向拉力或壓力，與水平地震力產(chǎn)生的內(nèi)力相互疊加，進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜性。塔線之間的相互作用對(duì)輸電塔線體系的地震響應(yīng)有著重要影響。導(dǎo)線的存在改變了輸電塔的動(dòng)力特性，使輸電塔的自振頻率和振型發(fā)生變化。由于導(dǎo)線具有一定的質(zhì)量和剛度，它與輸電塔之間存在著相互的約束和作用力。在地震作用下，導(dǎo)線的振動(dòng)會(huì)通過連接點(diǎn)傳遞給輸電塔，使輸電塔承受額外的荷載。當(dāng)導(dǎo)線的振動(dòng)與輸電塔的振動(dòng)發(fā)生耦合時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致輸電塔的地震響應(yīng)增大。在某一地震工況下，考慮塔線相互作用時(shí)，輸電塔塔身底部的彎矩比不考慮塔線相互作用時(shí)增加了20%。塔線之間的相互作用還可能引發(fā)導(dǎo)線的舞動(dòng)和跳躍，這不僅會(huì)對(duì)導(dǎo)線本身造成損傷，還會(huì)對(duì)輸電塔的連接部位產(chǎn)生沖擊荷載，進(jìn)一步威脅輸電塔線體系的安全。4.3.3震害案例分析以2011年日本東日本大地震中輸電塔線體系的震害為例，此次地震震級(jí)高達(dá)9.0級(jí)，對(duì)當(dāng)?shù)氐妮旊娝€體系造成了嚴(yán)重破壞。在受災(zāi)區(qū)域，大量輸電塔倒塌，導(dǎo)線斷裂，導(dǎo)致大面積停電，給當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活帶來了極大的影響。通過對(duì)震害現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)地震響應(yīng)導(dǎo)致的破壞模式主要包括塔身倒塌、構(gòu)件斷裂和連接部位失效等。許多輸電塔由于在地震作用下承受了巨大的水平地震力，塔身發(fā)生嚴(yán)重傾斜，最終倒塌。一些輸電塔的主材和斜材在地震力的作用下發(fā)生斷裂，這是由于地震力超過了構(gòu)件的承載能力。連接部位失效也是常見的破壞模式之一，輸電塔的節(jié)點(diǎn)連接部位在地震力的反復(fù)作用下，螺栓松動(dòng)、焊縫開裂，導(dǎo)致構(gòu)件之間的連接失效，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)的破壞。從抗震薄弱環(huán)節(jié)來看，輸電塔的底部和橫擔(dān)與塔身的連接部位是最容易發(fā)生破壞的地方。輸電塔底部作為主要的支撐部位，承受著整個(gè)塔體的重量和地震力，在強(qiáng)震作用下，底部的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，容易出現(xiàn)基礎(chǔ)下沉、塔身傾斜等問題。橫擔(dān)與塔身的連接部位由于受力復(fù)雜，既要承受橫擔(dān)自身的重量和導(dǎo)線的拉力，又要承受地震力的作用，在地震作用下，該部位容易出現(xiàn)螺栓松動(dòng)、焊縫開裂等連接失效問題，從而導(dǎo)致橫擔(dān)脫落，進(jìn)一步加劇輸電塔的破壞。通過對(duì)此次震害案例的分析，可以看出在輸電塔線體系的設(shè)計(jì)和建設(shè)中，應(yīng)充分考慮地震作用的影響，加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，特別是要對(duì)底部和連接部位等抗震薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)，以減少地震災(zāi)害對(duì)輸電塔線體系的破壞。4.4多種荷載組合作用下的響應(yīng)4.4.1荷載組合原則與方法在輸電塔線體系的設(shè)計(jì)和分析中，風(fēng)與覆冰、風(fēng)與地震等荷載組合的設(shè)計(jì)原則至關(guān)重要，其核心目標(biāo)是確保結(jié)構(gòu)在各種可能的荷載工況下都能滿足安全性和可靠性要求。依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）以及《110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50545-2010）等相關(guān)規(guī)范，荷載組合需充分考慮不同荷載的統(tǒng)計(jì)特性、出現(xiàn)概率以及對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度。在進(jìn)行風(fēng)與覆冰荷載組合時(shí)，應(yīng)考慮到覆冰通常發(fā)生在低溫、高濕度的環(huán)境中，且往往伴隨著一定風(fēng)速。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在某些寒冷地區(qū)，覆冰期內(nèi)風(fēng)速一般在一定范圍內(nèi)變化。當(dāng)計(jì)算覆冰工況下的風(fēng)荷載時(shí)，要考慮覆冰對(duì)結(jié)構(gòu)外形的改變，從而導(dǎo)致風(fēng)荷載的變化。覆冰會(huì)增加結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積，改變結(jié)構(gòu)的風(fēng)阻系數(shù)，進(jìn)而影響風(fēng)荷載的大小。因此，在荷載組合中，需綜合考慮覆冰厚度、密度以及風(fēng)的速度、方向等因素，通過相應(yīng)的計(jì)算公式來確定組合荷載的大小。風(fēng)與地震荷載組合則需考慮地震發(fā)生時(shí)的風(fēng)速情況。雖然地震發(fā)生時(shí)的風(fēng)速相對(duì)較小，但在一些強(qiáng)風(fēng)地區(qū)，地震與強(qiáng)風(fēng)同時(shí)出現(xiàn)的概率也不容忽視。在進(jìn)行荷載組合時(shí)，要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡卣鸷蜌庀筚Y料，確定地震作用下的風(fēng)荷載取值?？梢圆捎酶怕式y(tǒng)計(jì)的方法，分析地震與風(fēng)荷載同時(shí)出現(xiàn)的概率，以及在不同概率水平下的荷載取值。對(duì)于重要的輸電塔線體系，可采用較高的概率水平來確定組合荷載，以提高結(jié)構(gòu)的安全性。在計(jì)算方法方面，常用的有線性組合法和概率組合法。線性組合法是將不同荷載按照一定的系數(shù)進(jìn)行線性疊加。對(duì)于風(fēng)與覆冰荷載組合，其組合公式可表示為：S=\gamma_{G}S_{Gk}+\gamma_{W}S_{Wk}+\gamma_{I}S_{Ik}其中，S為組合荷載效應(yīng)，\gamma_{G}、\gamma_{W}、\gamma_{I}分別為永久荷載、風(fēng)荷載、覆冰荷載的分項(xiàng)系數(shù)，S_{Gk}、S_{Wk}、S_{Ik}分別為永久荷載、風(fēng)荷載、覆冰荷載的標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)。在實(shí)際工程中，這些分項(xiàng)系數(shù)的取值根據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)確定，以保證組合荷載的合理性和安全性。概率組合法是基于概率統(tǒng)計(jì)理論，考慮不同荷載的概率分布和相關(guān)性，通過計(jì)算結(jié)構(gòu)在各種荷載組合下的失效概率來確定最不利的荷載組合。在風(fēng)與地震荷載組合中，假設(shè)風(fēng)荷載和地震荷載都服從一定的概率分布，如正態(tài)分布或極值分布。通過對(duì)大量的風(fēng)荷載和地震荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定其概率分布參數(shù)。然后，利用概率組合公式計(jì)算結(jié)構(gòu)在不同荷載組合下的失效概率。概率組合公式通常涉及到多維積分的計(jì)算，計(jì)算過程較為復(fù)雜，需要借助數(shù)值計(jì)算方法來求解。通過比較不同荷載組合下的失效概率，找出失效概率最大的組合，作為最不利的荷載組合。這種方法能夠更準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載作用下的實(shí)際情況，但計(jì)算量較大，對(duì)數(shù)據(jù)的要求也較高。4.4.2組合荷載下輸電塔線體系響應(yīng)特性在風(fēng)-冰組合作用下，輸電塔線體系的響應(yīng)呈現(xiàn)出獨(dú)特的特點(diǎn)。與單一荷載作用相比，風(fēng)荷載和覆冰荷載的相互作用會(huì)導(dǎo)致體系的內(nèi)力和變形顯著增大。由于覆冰增加了導(dǎo)線和輸電塔的重量，使得結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的慣性力增大，從而導(dǎo)致輸電塔的位移和內(nèi)力響應(yīng)增強(qiáng)。在某風(fēng)-冰組合工況下，當(dāng)覆冰厚度為10mm，風(fēng)速為20m/s時(shí)，輸電塔塔頂?shù)乃轿灰票葐渭冿L(fēng)荷載作用下增大了30%，塔底主材的軸力也明顯增加。覆冰還改變了導(dǎo)線的外形和剛度，使得導(dǎo)線在風(fēng)荷載作用下更容易發(fā)生舞動(dòng)，這種舞動(dòng)會(huì)對(duì)輸電塔產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊荷載，進(jìn)一步加劇輸電塔的受力。風(fēng)-地震組合作用下，體系的動(dòng)力響應(yīng)特性發(fā)生了明顯變化。地震作用下，輸電塔線體系的自振特性被改變，風(fēng)荷載的作用使得結(jié)構(gòu)的振動(dòng)更加復(fù)雜。在地震波的作用下，輸電塔會(huì)產(chǎn)生較大的位移和加速度響應(yīng)，而風(fēng)荷載的存在會(huì)使這些響應(yīng)進(jìn)一步增大。在某次模擬中，當(dāng)輸入ElCentro地震波，同時(shí)考慮15m/s的風(fēng)荷載時(shí)，輸電塔的最大加速度響應(yīng)比單純地震作用下提高了25%。風(fēng)荷載和地震荷載的作用方向可能不同，這會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在不同方向上的受力更加復(fù)雜，增加了結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。冰-地震組合作用對(duì)輸電塔線體系的影響也較為顯著。覆冰增加的結(jié)構(gòu)重量會(huì)增大輸電塔在地震作用下的地震力，使結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生破壞。在地震作用下，覆冰可能會(huì)脫落不均勻，導(dǎo)致導(dǎo)線的不平衡張力增大，對(duì)輸電塔產(chǎn)生額外的拉力。當(dāng)覆冰脫落時(shí)，會(huì)引起導(dǎo)線的振動(dòng)，這種振動(dòng)與地震作用相互耦合，會(huì)對(duì)輸電塔的連接部位和構(gòu)件造成更大的沖擊。在一些實(shí)際震害案例中，發(fā)現(xiàn)冰-地震組合作用下，輸電塔的連接螺栓更容易松動(dòng)，構(gòu)件更容易發(fā)生斷裂。4.4.3實(shí)例分析以某實(shí)際220kV輸電塔線工程為例，該輸電塔為貓頭型結(jié)構(gòu)，高度為50m，檔距為300m，導(dǎo)線采用LGJ-240/30型鋼芯鋁絞線。利用有限元軟件ANSYS建立該輸電塔線體系的精細(xì)化有限元模型，準(zhǔn)確模擬輸電塔和導(dǎo)線的力學(xué)行為。在模型中，輸電塔構(gòu)件選用BEAM188梁?jiǎn)卧?，?dǎo)線采用LINK10索單元，并賦予相應(yīng)的材料屬性和實(shí)常數(shù)。在進(jìn)行荷載組合模擬時(shí)，考慮風(fēng)-冰組合工況和風(fēng)-地震組合工況。對(duì)于風(fēng)-冰組合工況，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，設(shè)定覆冰厚度為15mm，風(fēng)速為25m/s。通過覆冰增長(zhǎng)模型計(jì)算出覆冰荷載，再結(jié)合風(fēng)荷載模擬方法得到風(fēng)荷載時(shí)程，將兩者同時(shí)施加到有限元模型上。計(jì)算結(jié)果表明，在風(fēng)-冰組合作用下，輸電塔塔頂?shù)乃轿灰七_(dá)到了0.25m，塔底主材的軸力為1.5×10^5N，分別比單一風(fēng)荷載作用下增大了20%和15%。對(duì)于風(fēng)-地震組合工況，選擇符合當(dāng)?shù)貓?chǎng)地條件的ElCentro地震波作為地震輸入，同時(shí)考慮10m/s的風(fēng)荷載。將地震波加速度時(shí)程和風(fēng)荷載時(shí)程同時(shí)施加到有限元模型上。模擬結(jié)果顯示，在風(fēng)-地震組合作用下，輸電塔的最大加速度響應(yīng)為0.5g，比單純地震作用下增大了10%。塔底的彎矩也明顯增大，達(dá)到了1.2×10^6N?m，表明風(fēng)-地震組合作用對(duì)輸電塔的動(dòng)力響應(yīng)有顯著影響。通過對(duì)該實(shí)際工程案例的分析，直觀地展示了組合荷載作用下輸電塔線體系的響應(yīng)計(jì)算過程和結(jié)果。結(jié)果表明，組合荷載作用下輸電塔線體系的響應(yīng)比單一荷載作用下更為復(fù)雜和嚴(yán)重，在工程設(shè)計(jì)和分析中必須充分考慮多種荷載組合的影響，以確保輸電塔線體系的安全可靠運(yùn)行。五、基于響應(yīng)分析的輸電塔塔線體系設(shè)計(jì)與優(yōu)化策略5.1現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估現(xiàn)行輸電塔線體系設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)是保障輸電塔線體系安全運(yùn)行的重要依據(jù)，它們?cè)陂L(zhǎng)期的工程實(shí)踐中不斷發(fā)展和完善，為輸電塔線體系的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維提供了明確的指導(dǎo)。然而，隨著輸電塔線體系建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以及面臨的自然環(huán)境和荷載條件日益復(fù)雜，現(xiàn)行規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)對(duì)復(fù)雜荷載方面的合理性和局限性也逐漸凸顯出來。在合理性方面，現(xiàn)行規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)充分考慮了輸電塔線體系在常見荷載作用下的安全性。以風(fēng)荷載為例，規(guī)范依據(jù)不同地區(qū)的氣象條件，對(duì)基本風(fēng)速進(jìn)行了分區(qū)，為風(fēng)荷載的計(jì)算提供了基礎(chǔ)。通過規(guī)定風(fēng)荷載的計(jì)算方法，如基于風(fēng)速時(shí)程模擬的方法，能夠較為準(zhǔn)確地考慮風(fēng)荷載的隨機(jī)性和脈動(dòng)性，從而確保輸電塔在風(fēng)荷載作用下具有足夠的承載能力和穩(wěn)定性。對(duì)于導(dǎo)線覆冰荷載，規(guī)范根據(jù)不同地區(qū)的覆冰情況，制定了相應(yīng)的覆冰厚度標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定了覆冰荷載的計(jì)算方法，考慮了覆冰對(duì)輸電塔線體系重量增加和結(jié)構(gòu)外形改變的影響，為輸電