1 绪论
1.1 输电塔-线体系研究背景
随着我国社会经济的大前进，电力已然成为我们在日常生活中非常重要的一部分。而在电力中，架空线路作用非常明显，输电塔作为架空线路电力导线支架最常见的一种形式，是高压输电线路中不可或缺的[1]，它保证了输送线路的安全。
输电塔-线体系是由多基输电塔、多根导（地）线、绝缘子串及各个金具连接而成的。输电杆塔的高度从几十米甚至上百米，电缆线跨度有几百米甚至上千米。该体系一旦遭到破坏则会导致整个供电系统的崩盘、瘫痪，不仅影响了人民的正常生活秩序，甚至会发生火灾危害人民的生命、财产安全，更甚影响国家的生产建设、国民的经济发展 [2]。由此可见，输电塔-线体系作为高负荷电能输送的载体，担负着国民经济生产与人民群众日常生活的重要使命，是生命工程线。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 输电塔及塔
线体系静力分析及风振响应研究现状 对于输电塔与塔-线体系的静、动力（风振）响应分析，国内外开展了深入的研究，经过研究后发现，静力分析中要研究的主要是稳定性问题，而对于动力分析中，输电单塔在风振作用下的响应比加入导线后输电塔-线体系风振作用下的响应要简单得多。导线是典型的非线性振动、大位移小变形的结构体系，因此输电塔的风振响应分析并不能代表整个体系的响应分析，输电塔-线体系具有复杂的耦合性，动力响应分析难度大，虽然国内外研究也较早，但是研究仍不成熟。因为输电导线具有很强的非线性，对输电线的分析也要十分精确。
我国对输电塔-线体系的风振动力特性研究也较多，东北石油大学的高红旭[7]研究了酒杯型输电塔在不同工况下的处理方法，根据设计的规程分析了静力风对杆塔的影响以及覆冰、地基沉降等静力学特征，以及脉动风对该输电塔的影响；西南交通大学的侯亿晖[8]设计了气弹模型风洞试验与刚性模型测力试验两种，将试验数据进行对比分析，得到了对结构最不利的风向角。山东大学的曾玉洁[9]等人研究了在风工况的作用下考虑杆件屈曲失稳问题对整个结构影响，甚至发生倒塌等问题，展开了深刻的研究，了解体系在风荷载下的倒塌的机理，对比分析了 0°与 90°不同风向角下的动力响应，计算出风振系数，并与其规范进行了对比，并模拟了体系倒塌的情况，并总结倒塌的机理，在此基础上提高了输电塔-线体系的稳定性。兰州大学的曾明正[10]等人对不同风向角下的静态风作用下，输电单塔与塔-线体系两个体系进行研究，可知塔线体系在 90°风向角时，塔-线体系的反应要大于单塔的反应，其余风向角作用下，均为单塔反应大于塔-线反应，并对比了 90°最不利风向角动力风与静动力作用下两者的不同，可知静力分析结果偏小，输电塔设计还应参照动力分析进行设计；GU Ming[11]等人利用风洞实验的方法，对比了不同塔型在静力荷载作用下位移的变化
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2 多工况下输电塔的静力响应分析
2.1 输电塔模型建立
2.1.1 建模规定
建模假定：（1）假设地基、基础与塔身无相互作用，忽略其对塔体的影响；（2）忽略其他辅助设施，假设该模型全由杆件构成；（3）假设塔体杆件的计算长度为模型中节点距离[36]，不考虑真实连接情况。
选用的笛卡尔直角坐标系模拟分析：三维坐标的原点为输电塔底中心点，X 为与塔体垂直且与导线成 90°角方向；Y 向与导线平行；Z 为由塔底向塔顶的垂直方向，在数值模拟中，塔架计算模型从±0 标高处向上建模，塔体的杆件均使用梁单元，在塔底采用刚性支座，约束所有自由度，杆件单元采用梁单元既可以传递轴向的拉压力，又可以传递横向的弯曲力，本文利用 BEAM4 单元空间梁理论[37]来进行模拟。
2.1.2 建模实例
本论文以陕西省电力设计院对西安某地点 110kV 输电塔典型设计为研究背景，进行模拟研究，该工程选取猫头直线塔（ZMC），塔身主材采用 Q345 钢，辅材采用 Q235 钢、Q345 钢，且杆塔钢材均采用角钢组合。总高度为 41.5m，呼高为 36m，根开为 6.05m，塔头高为 6.5m。
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2.2 输电塔设计标准及设计工况
2.2.1 输电塔设计标准
输电塔与导线在设计时是由不同设计者设计，将荷载转化为静力荷载施加到输电塔上，在进行后续动力特性时，应先对输电单塔进行验证，与其输电塔设计行业通用软件TTA 进行对比分析，输电塔通用设计软件 TTA（Transmission Tower Analysis），是输电塔设计的专业软件，满足《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（SDGJ94-90）、《66kV 及以下架空电力线路设计规范》（GB50061-97）、《火力发电厂土建结构设计技术规定》（SDGJ3-79）以及美国土木工程师协会 1986 年颁布的《输电铁塔设计导则》（英文名称：Guide for the Design of Steel Transmission Towers）等规范和规程[38-41]。其具有对多塔高、多接腿及高低腿等进行自动组合分析的功能，设计标准参数完全对用户开放和精度满足工程使用等特点。对于高度小于 70m 以下的铁塔应用众多且适用性好[42]。
2.2.2 输电塔设计工况
设计输电塔在时需要考虑塔重、风荷载、覆冰荷载、断线荷载以及起吊荷载等 33 种组合荷载。对于风荷载的施加，是将塔身按照不同高度的风振系数进行分段，每段风载标准值按设计规范计算，不同风向风载按照分配系数分到 X、Y 上，将最终计算出的风载施加到塔身节点上，导地线荷载利用电气专业所提供的“初始荷载”作用在杆塔上。本文利用自编程序将荷载转化施加到塔身节点上。
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3 输电塔-线体系建立及动力特性分析研究 ................................. 23
3.1.1 绝缘子模型 ........................................ 23
3.1.2 输电导线找形原理 ............................. 24
4 风场的基本理论与脉动风模拟 ......................................... 35
4.1 风场基本理论与特征 ................................ 35
4.1.1 风力等级 .................................... 35
4.1.2 风的基本特性 .................................... 35
5 输电塔-线体系的风振响应时程分析 ............................ 49
5.1 风振响应准则 .................................... 49
5.2 输电杆塔及输电塔-线体系风振响应分析方法 .......................... 50
6 输电塔-线体系的风振响应控制研究
6.1 输电塔-线体系结构振动控制分类
输电塔-线体系按控制的方式分为：被动控制、主动控制、半主动控制[75-79]。
主动控制：完全需要外界控制，需要外界的能量才可发生作用，投资与维护的费用偏高。主要有：主动质量阻尼器（AMD）、可变摩擦轴承等。
半主动控制：利用结构振动往复相对的速度或变形，最大程度实现主动最佳控制力，主要有：AVS 与 AVD。
被动控制：构造简单且造价低，它不需要外部的力量，控制力由结构自身的运动而产生。被动控制的种类很多，主要有：隔振技术、吸能技术、耗能技术三种。
（1）隔振技术：
隔振技术又称为基础隔振，通过在结构与基础之间的空间中设计能够滑动或者具有柔性的层，阻断地震中能量的传播，防止或减弱对结构的破坏，通过中间这一层的设置，使结构的自振周期发生改变，增大了自身的阻尼，对地震的能量有了良好的耗散能力。
（2）吸能技术：
吸能减振技术主要是利用吸能装置来吸收结构在外荷载作用下振动而产生的能量，降低结构振动。吸能装置主要有协调质量阻尼器（TMD），调频液体阻尼器（TLD）。运用最多装置为 TMD[80]，TMD 有装置构造简单，工程造价低等优点，故得到了广大的应用。
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7 结论与展望
7.1 结论
本文研究分析多种工况下输电塔及塔-线体系的动力特性，进行对比分析，提出风振控制的方法，得到的具体结论如下：
（1）在多工况下输电塔静力分析研究中，结果表明考虑塔体重力二阶效应的大变形理论与小变形弹性理论最大位移情况相差较小，误差均在 5%以下，说明二阶效应对输电塔影响小，工程计算中可以忽略其影响，正常弹性计算可满足精度需求；在同工况下，模拟分析结果与 TTA 对比分析可知，两者轴力变化相差较小，位移随着塔身高度的增加而增大，较大位移情况主要发生在塔头且最大影响工况为风工况，说明风工况是影响塔体位移变化的重要因素；轴力随着塔身高度的增加而减小，轴力最大处发生在塔腿，且压力为主控制力；考虑并分析了弯矩的二阶应力，可以看出弯矩二阶应力对其总应力贡献的结果较小，基本在 10%左右；对于 TTA 不考虑弯矩情况下，两者相比，在横担及塔身下部靠变坡处附近结果，仅存在较小差异。以上结果分析均可说明本文创建的精细化有限元模型具有较高的有效性，计算精度相对较好，能满足后续动力特性分析与脉动风荷载模拟的要求。
（2）对单塔与塔-线体系进行动力特性分析，考虑了导线与输电塔的耦合作用，对比分析了两者之间的自振频率、周期与振型。结果表明：塔-线体系的动力特性比较复杂，导线属于长周期结构，频率低振型密的结构。在塔-线体系的模态分析中，导线先开始发生振动，随后塔身整体出现振动及局部振动加强，且在同阶自振频率中，塔-线体系要远远小于单塔，说明塔-线体系耦合性强。
（3）不同脉动风速下，由单塔与塔-线体系的响应研究可知：风速越大，单塔和塔-线体系的反应均越剧烈；塔身越高，各响应数值在 X、Y 向均增大；塔-线体系的 X 向位移、加速度的最大值、均方根值均大于单塔，塔-线体系的特殊部位横担与塔腿上的轴力亦大于单塔。说明在风荷载作用下，单塔仅自身发生动力响应，而塔-线体系中不单单输电塔体自身在风荷载作用下产生动力响应，导线亦有动力响应，故而对杆塔产生拉力，两者的耦合性会使得塔-线体系的位移与应力明显增强，因此，本文建议输电塔设计时不宜忽略导线影响。塔-线体系的耦合性导致输电塔-线体系方差小于单塔方差，体系较为稳定。在 Y 向时，单塔仅会产生极小的变形，可不考虑，X 向的各个响应数值均大于 Y 向的数值，可见在 90°最不利工况时，导线增大了该体系的受风面积，且导线轻柔特征促使了 X向时导线与单塔自身耦合十分剧烈。
参考文献（略）