高壓輸電塔震害及其抗震研究現(xiàn)狀

高壓輸電塔震害及其抗震研究現(xiàn)狀

1災(zāi)害應(yīng)急及災(zāi)害防治難點(diǎn)電力在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。電力系統(tǒng)在地震中一旦遭到破壞,不僅會造成巨額的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失,還會引發(fā)火災(zāi)等次生災(zāi)害,對地震救災(zāi)和應(yīng)急恢復(fù)也會產(chǎn)生極大的困難。高壓輸電塔是電力系統(tǒng)輸電線路部分重要組成設(shè)施,直接關(guān)系電力系統(tǒng)正常功能的實現(xiàn)。本文總結(jié)分析了國內(nèi)外破壞性地震中高壓輸電塔的震害及其抗震研究現(xiàn)狀。2輸電塔的分類50年代初,我國在東北地區(qū)興建了第一條220kV高壓輸電線路,開始使用鐵塔。繼而70年代在西北建成的330kV高壓輸電線路到80年代初建成的平武500kV高壓輸電線路,工程中都大量使用鐵塔。目前我國除西北外已經(jīng)基本奠定了以500kV高壓輸電線路為主的電力網(wǎng)架格局,運(yùn)營中的500kV高壓輸電線路總里程達(dá)26000多公里,330kV高壓輸電線路8600多公里,220kV高壓輸電線路128000多公里。在通常情況下,除跨越大的河流、山谷外,每公里約有2至3座輸電塔,輸電塔方面投資約占整個線路投資40%左右,輸電塔數(shù)量之多和投資之大顯而易見。輸電塔從輸電回路、導(dǎo)線布置形式、使用功能特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)力學(xué)特性不同,會有多種分類方法?；诮Y(jié)構(gòu)力學(xué)特點(diǎn)可分為自立式塔、拉線式塔和大跨越塔等。自立式塔和拉線式塔相比,耗鋼量稍大,但若考慮占地等綜合經(jīng)濟(jì)因素,自立式塔要優(yōu)于拉線式塔。3輸電線路的震害高壓輸電塔主要承受導(dǎo)線、避雷線及塔本身的最大風(fēng)荷載及垂直荷載,其次是導(dǎo)線、避雷線覆冰荷載及相應(yīng)風(fēng)荷載,地震僅作為偶然荷載考慮。通常認(rèn)為輸電塔重量較輕,相對地震而言,水平向更多由風(fēng)荷載起控制作用,也就是說高壓輸電塔具有較好的抗震性能。早期震害現(xiàn)象也證實了這一點(diǎn)。日本電器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查委員會(1980)詳細(xì)調(diào)查了日本60～70年代地震中電力設(shè)施的破壞情況,其中高壓輸電塔震害一般發(fā)生在IV度(日本氣象廳烈度,近似于我國的VII度)以上區(qū),破壞率大約為0.2%。震害主要表現(xiàn)為傾斜,其次為構(gòu)件損壞,還有斷線、混線和絕緣子震壞。場地涉及平原、沙地和山地等。1995年日本Kobe地震中,總計約有20座輸電塔發(fā)生基礎(chǔ)沉陷,塔身傾斜,另有部分輸電塔的絕緣子震壞,但基本都可維持正常的使用功能。1座結(jié)構(gòu)形式與輸電塔相近的通信塔的2根構(gòu)件受彎或受壓屈服,雖然震害輕微,但就地震對此類結(jié)構(gòu)破壞來說,認(rèn)為是不同尋常的。美國1971年SanFernando地震和1989年LomaPrieta地震,輸電塔抗震性能較好,破壞的主要是一些混凝土電線桿。1994年Northridge地震,幾座輸電塔遭到破壞,在大多數(shù)破壞的輸電塔都可見到基礎(chǔ)部分損壞。另外,震害調(diào)查認(rèn)為,輸電塔的破壞程度依賴于地震地面運(yùn)動強(qiáng)度和抗震設(shè)計因素。我國1975年海城地震,在營口、盤錦、鞍山等地的多座跨河高塔發(fā)生了震害,主要與場地不穩(wěn)定和基礎(chǔ)設(shè)計有關(guān)。震害現(xiàn)象為:場地液化、基礎(chǔ)不均勻沉陷和塔身傾斜與基礎(chǔ)損壞,其中低樁承臺基礎(chǔ)要好于高樁門架式承臺基礎(chǔ)。1976年唐山大地震中,電力系統(tǒng)輸電線路的震害較輕,主要波及220kV及以下高壓輸電線路,塔大多為鋼筋混凝土Π型雙桿塔,有拉線式和自立式兩種。震害主要表現(xiàn)為:拉線桿塔的拉線松弛;少數(shù)桿塔基礎(chǔ)下沉、移位,桿身傾斜;導(dǎo)線發(fā)生混線、短路和絕緣子震壞等。震后這些線路一般都可繼續(xù)運(yùn)行。地震對輸電線路破壞最嚴(yán)重的是我國1999年臺灣發(fā)生的集集地震。中遼開關(guān)站嚴(yán)重破壞和輸電塔、線路破壞(特別是345kV超高壓輸電線路受損28條)使南電無法北送,造成臺灣漳化以北地區(qū)完全斷電,直接和間接經(jīng)濟(jì)損失難以估計。表1.1給出了輸電線路的破壞統(tǒng)計。震災(zāi)調(diào)查報告認(rèn)為,輸電塔震害原因主要有兩點(diǎn):(1)鐵塔設(shè)計通常由風(fēng)荷載控制,地震荷載常常被忽略;(2)因滑坡、斷層地表破裂造成345kV高壓輸電塔大規(guī)模損壞。需指出斷層地表破裂造成輸電塔破壞在1992年美國的Lander地震和1999年土耳其Kocaeli地震也有發(fā)生。據(jù)震災(zāi)報告估計,地震破壞的輸電塔完全修復(fù)或改建完畢,可能需要2-3年時間。綜上所述,高壓輸電塔及導(dǎo)線體系震害可歸納為以下幾點(diǎn):(1)因山體滑坡、場地液化和不均勻沉陷引起的震害;(2)因地震斷層地表破裂、地面變形引發(fā)的輸電塔震害;(3)因結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計不足產(chǎn)生的構(gòu)件震害,主要表現(xiàn)在集集地震中;(4)因地震反應(yīng)過大,導(dǎo)線相互接近發(fā)生短路、斷線震害,絕緣子震壞。對前兩種震害,宜加強(qiáng)輸電塔選址和基礎(chǔ)抗震設(shè)計工作;對后兩種震害宜加強(qiáng)抗震分析和抗震措施工作。4高壓輸電塔體系地震反應(yīng)方法研究高壓輸電塔體系是由導(dǎo)線和鐵塔連接而成的空間連續(xù)體,地震作用下將表現(xiàn)為空間耦合反應(yīng),相鄰塔架、絕緣子及導(dǎo)線相互影響,特別是導(dǎo)線是幾何非線性(包括初始軸力和大變形)相當(dāng)強(qiáng)的構(gòu)件,對其進(jìn)行詳細(xì)地震反應(yīng)分析難度較大,一般都尋求簡化的分析手段。高壓輸電塔(導(dǎo)線)體系抗震研究可分為兩部分,一是高壓輸電塔體系自振特性的計算,二是地震反應(yīng)分析。前者是地震反應(yīng)分析和抗風(fēng)分析的基礎(chǔ),殷惠君等對輸電塔導(dǎo)線體系自振特性和抗風(fēng)研究進(jìn)展進(jìn)行了很好的總結(jié),限于篇幅,本文主要側(cè)重介紹抗震分析研究工作。Maeno等針對日本超高壓(1000kV)輸電試驗線路進(jìn)行了詳細(xì)的測試與分析,主要結(jié)論有:(1)輸電塔基礎(chǔ)可以采用簡單的集中質(zhì)量模型模擬,并因輸電塔質(zhì)量較輕,大多數(shù)場地可近似按基礎(chǔ)固定計算;(2)導(dǎo)線對輸電塔平面外(側(cè)向)自振特性影響較小,對平面內(nèi)(縱向)自振特性影響較大;(3)輸電塔可用空間桁架模型或采用簡化的串連集中質(zhì)量模型模擬;(4)通過將導(dǎo)線簡化為多個鉸接的直桿,并忽略導(dǎo)線軸力變化影響使側(cè)向振動與縱向振動分離,建立了輸電塔-導(dǎo)線體系耦合模型,認(rèn)為具有足夠精度;(5)通過對未考慮抗震設(shè)計的輸電塔體系地震時程分析,認(rèn)為可以抵御峰值為400Gal的地震作用。另外,測得的輸電塔的阻尼比,第一振型為0.3%左右,第二振型稍大,最大為1.75%,與通常認(rèn)為的2%～3%相差較大,可能是由于塔比較高(97m),相對較柔的原因。美國在70年代末,針對1200kV超高壓輸電試驗線路也作過類似工作,認(rèn)為輸電塔可采用空間桁架模型或框架模型分析,測得塔(高45m)的阻尼比為1.5%～4%。Taskov等設(shè)計了一種阻尼器,可降低導(dǎo)線在地震和風(fēng)載下的反應(yīng),并進(jìn)行了振動臺試驗研究。Suzuki等發(fā)展了一種輸電塔-導(dǎo)線耦聯(lián)分析模型,導(dǎo)線簡化為彈簧與相鄰塔架互相連接,質(zhì)量集中于塔頂橫擔(dān)相應(yīng)位置,塔簡化為串連多質(zhì)點(diǎn)等效梁模型?？紤]相鄰塔同相振動、反相振動和相鄰塔為剛體3種情況,給出了一種頻域分析方法,通過與考慮行波效應(yīng)的多點(diǎn)輸入反應(yīng)譜分析真實結(jié)果對比,上述結(jié)果恰好是反應(yīng)的極值。論文還給出了高壓輸電塔架基于簡化梁模型的抗震設(shè)計方法。我國學(xué)者王前信、陸鳴和李宏男將導(dǎo)線側(cè)向簡化為垂鏈,縱向簡化為懸鏈分別建立了輸電塔導(dǎo)線體系側(cè)向和縱向地震反應(yīng)分析模型。應(yīng)該說該模型與Maeno等提出的模型是相近的,即都是在小變形假定和忽略導(dǎo)線軸力變化條件下對導(dǎo)線幾何非線性的一種線性近似。李宏男等進(jìn)一步推廣了該模型并進(jìn)行了振動臺試驗驗證,對高壓輸電塔體系抗震問題進(jìn)行了深入研究,涉及土結(jié)構(gòu)相互作用、地面轉(zhuǎn)動分量作用等,還結(jié)合分析給出了考慮導(dǎo)線影響的界限跨度和輸電塔等效附加質(zhì)量系數(shù)供輸電塔簡化抗震設(shè)計使用。Ghobarah等建立了細(xì)致的高壓輸電塔和導(dǎo)線體系空間模型,考慮了導(dǎo)線初始軸力和大變形影響,研究了在多點(diǎn)地震動輸入下,導(dǎo)線和塔的側(cè)向反應(yīng),地震動輸入模型考慮了行波效應(yīng)和相干效應(yīng)。表明:(1)地震動一致輸入模型不能代表導(dǎo)線最大位移反應(yīng)時情況,多點(diǎn)輸入可導(dǎo)致導(dǎo)線很大的位移和塔的慣性力;(2)地震波速是影響導(dǎo)線最大位移反應(yīng)的最主要因素;(3)地震動相干效應(yīng)與行波效應(yīng)相比,對體系反應(yīng)影響更大;(3)可忽略因側(cè)向地震作用在導(dǎo)線上產(chǎn)生的拉應(yīng)力。以上研究都是針對自立式塔,Kempner等對拉線式塔建模問題進(jìn)行了動力試驗與理論分析。通過以上總結(jié)可以看出高壓輸電塔體系抗震研究的發(fā)展趨勢:(1)分析模型逐漸由平面走向空間,由線性走向非線性(含材料和幾何非線性),考慮因素也逐漸由單一塔的強(qiáng)度安全轉(zhuǎn)向體系的功能安全(如限制導(dǎo)線最大位移);(2)地震動模型由一致輸入走向空間多點(diǎn)輸入,含行波效應(yīng)、場地效應(yīng)和相干效應(yīng);(3)從震害看,基礎(chǔ)抗震及地面斷層位移等影響研究仍相當(dāng)薄弱。目前我國高壓輸電塔抗震設(shè)計主要依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)“電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范(GB50260-96)”和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“110-500kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程(DL/T5092-1999)”。前者規(guī)定自立式鐵塔在8度及以下時不進(jìn)行抗震驗算,大跨越塔和塔高超過50m的自立式鐵塔可采用振型分解反應(yīng)譜法,通常取2～3個振型,后者除維持上述規(guī)定外,與其配套的“架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定”又強(qiáng)調(diào)“當(dāng)?shù)卣鹆叶仍?度以上時,鐵塔的基礎(chǔ)應(yīng)考慮抗震驗算,并考慮地基的穩(wěn)定和液化問題”。在計算模型方面,僅考慮單個塔的反應(yīng),不考慮導(dǎo)線、避雷線等影響。臺灣集集地震輸電塔破壞嚴(yán)重,斷層地表破裂及位移和強(qiáng)