輸電塔-線體系地震響應分析方法研究進展

董利虎，宋丹青

(1.沈陽工業大學 電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京100084)

1 研究背景

我國能源資源與負荷中心呈明顯不均衡分布，大量的煤炭、水能資源分布在西北、西南地區，但電能需求相對集中地分布在東部經濟發達地區[1]，為此我國提出了“西電東送”的電力發展戰略。輸電塔-線是輸送電能的載體，是連接大型能源基地和用電地區的重要紐帶?！笆奈濉逼陂g，多條輸電線路工程將相繼核準、開工和建設[2]。

隨著特高壓輸電線路工程建設規模的不斷擴大，輸電線路的檔距及輸電桿塔高度朝著更大、更高的方向發展，這意味著輸電線路不可避免地要跨越地震頻發區，地震將會對輸電塔-線體系與電網的安全可靠運行造成更嚴重、更廣泛的破壞[3]，給人民生活帶來諸多不利影響。在國內外，地震造成輸電塔線倒塌、傾斜等情況時有發生。1976年我國河北唐山大地震[4]造成輸電鐵塔地基下陷、傾斜或倒地，一些絕緣子完全爆裂。1994年美國Northridge地震[5]主要造成高壓輸電線路中的輸電設備損壞，少數輸電塔遭到破壞。1995年日本阪神地震[6]造成20座輸電塔傾斜破壞，架空輸電線路中有11座輸電塔傾倒。1999年我國臺灣省南投縣集集鎮發生大地震[7]，使變電站、發電廠、輸電塔線等多處受到嚴重破壞，其中最顯著的是高壓輸電塔線受到破壞。2008年汶川地震[8]的震級達到8.0級，對災區的輸電線路造成了嚴重破壞，致使電力供電系統癱瘓，500 kV及以下的高壓設備破壞嚴重，20多座輸電塔倒塌，多條輸電線路因滑坡或地形變化受損。2013年廬山地震[9]的震中烈度達到9度，造成多條輸電線路受損嚴重或停運。2014年云南魯甸地震[10]造成變電站設施破壞、多條輸電線路處于停運或嚴重受損狀態。

表1給出了國內外地震中部分輸電塔-線體系受損的狀況。由表1可知，地震中輸電塔線耦聯體系的易損性較高。因此，為保證電力系統安全、高效、可靠運行，輸電塔-線體系地震響應分析研究是十分必要和有意義的課題。

表1 部分國內外地震中輸電塔-線體系受損狀況統計[11]

目前，地震作用下輸電塔-線體系地震響應特征的研究已經取得了較多的研究成果，本文針對地震作用下輸電塔-線體系地震響應特征的研究方法進行了總結，并對最新的研究進展及發展趨勢進行了分析，為地震作用下輸電塔-線體系地震響應特征研究提供研究思路。

2 輸電塔-線體系動力分析模型研究

輸電塔-線體系是由輸電導線連接各個輸電塔組成的復雜空間耦聯體系，具有塔體高、跨度大、柔性強等特點，在強震作用下存在明顯的隨機性與強非線性，因而對這種復雜的空間耦聯體系進行地震響應分析十分困難，需要對其進行模型簡化研究，國內外學者在這方面已取得豐碩的研究成果[12]。

Irvine[13]建立塔-索體系模型，分析了纜索模型結構的動力響應特性。Ozono等[14]根據試驗中塔線體系地震響應的差別提出了兩種動力分析簡化模型，高頻段簡化為塔-線耦聯擺動分析模型，而在低頻段簡化為塔-線多質點分析模型。Tian等[15]將塔架簡化為梁單元，輸電線路簡化為索單元，同時考慮地震波的非相干性與波的傳播效應，研究邊界條件、地震動空間變化及入射角等因素對地震波傳播的影響。徐震等[16]將導(地)線簡化為節點質量，并將其添加到導(地)線與輸電塔連接的部位，通過對結構的倒塌分析確定輸電塔的薄弱環節和倒塌機理，檢測該種簡化模型在輸電塔倒塌分析中的可行性。李宏男等[17]提出了將導線簡化為質點、輸電塔簡化為多自由度體系的多質點模型，給出了考慮導線振動影響的塔線體系縱向振動簡化計算方法，并將縱、側向地震作用下的輸電導線振動分別簡化為懸鏈與垂鏈模型，提出了輸電塔線體系抗震計算的反映譜法。梁樞果等[18]將導線簡化成多剛性連桿，在國內外學者對塔-線體系動力計算模型研究的基礎上，根據塔線結構的動力特性給出用于地震和風振的多自由度分析計算模型。

綜上所述，現有的動力分析模型研究多是將輸電塔線體系簡化為串聯多質點等效梁模型和桿梁混合單元模型，忽略了輸電塔-線體系為復雜空間耦聯結構這一特性，無法體現導地線的空間幾何位置，沒有考慮各類負載的三維空間耦合作用，而且考慮到大跨越輸電塔-線耦聯體系具有塔身高、跨度大的特點，在進行地震響應分析時，有必要采用數值計算方法進行精細化的三維動力分析。

3 輸電塔-線體系地震響應研究方法

3.1 輸電塔-線體系地震響應數值模擬研究

地震作用下，輸電塔-線體系的地震響應表現出明顯的空間耦合性與位移非線性變化。國內外學者通過建立串聯多質點模型等各種動力分析模型，借助有限元軟件對地震作用下單塔和塔線耦聯體系線性與非線性動力響應特性進行分析。以下針對輸電塔-線體系地震響應數值模擬研究進行了總結。

Ghobarah等[19]采用空間桁架模型，分析了多點地震動輸入對輸電線路地震響應的影響。田利等[20]、袁光英等[21]、劉俊才等[22]、Pan等[23]采用模擬生成的地震波，對位于谷底和峰頂的輸電塔線耦聯體系模型進行研究，分析地形變化對塔-線體系的地震反應特性的影響；基于不同失效判別準則，通過對多維地震動激勵下結構倒塌機理研究進而判斷失效桿件的位置與類型；采用已有的判別方法，開展了遠場地震作用下塔-線體系最不利輸入方向的研究。蓋霞等[24]以塔頂峰值加速度、位移等作為評價指標，分析不同地震強度下，地震動持時效應對輸電塔-線體系的結構彈性和塑性響應的影響。孫建梅等[25]采用B-R準則并結合動態增量法，得到了多點與一致輸入條件下臨界失穩荷載系數、臨界失穩節點位移、臨界失穩桿件軸力等響應參數，指出地震作用下輸電塔的塔頭、橫擔等位置為結構的薄弱位置。易思銀[26]、Tian等[27]對近斷層地震作用下大跨越輸電塔-線體系地震響應特征進行研究，給出生成近斷層多維地震動的方法，提出近斷層多維地震動最不利輸入方向的判別方法。潘海洋[28]建立概率地震需求模型，開展了近斷層地震動激勵下塔-線體系的易損性研究，采用節間損傷指數定量評估節間的損傷程度。徐靜等[29]對不同場地條件下的塔線體系，開展考慮樁-土-結構動力相互作用的輸電塔線體系簡化計算模型與動力響應分析研究，得出相互作用效應能夠增加塔體位移與構件應力。田利等[30]通過與考慮剛性地基的塔-線體系對比，得出了考慮樁-土-結構相互作用的輸電塔的薄弱位置。黃增浩等[31]研究了呼稱高度對特高壓輸電塔多維地震動特征的影響，得出適當降低呼稱高度或增加耐張塔數量均可提高輸電塔線的抗震能力。

綜上所述，現有文獻主要考慮行波效應、局部場效應、部分相干效應以及地震動入射角度等因素對輸電塔-線耦聯體系的地震響應進行研究，而考慮SSI(soil-structure interaction)效應和跨越斷層地震動作用下輸電塔-線體系動力響應數值模擬研究及輸電塔-線體系彈塑性分析的研究相對較少。

3.2 輸電塔-線體系振動臺模型試驗研究

地震模擬振動臺試驗是通過在振動臺上加載各種形式的地震波來較真實地模擬地面運動及其對輸電塔-線體系的影響作用，因此，振動臺模型試驗可以較好地分析地震動作用下輸電塔-線體系的破壞機理與破壞模式，也可較好地評價塔-線耦聯體系結構整體性抗震能力[32]。目前，地震模擬振動臺試驗已應用于輸電塔-線體系地震響應的研究分析，并取得了一定的研究成果。

Kotsubo等[33]考慮導地線及導地線對相鄰輸電塔的影響，對輸電塔進行了振動臺模擬試驗，得到了地震作用下塔-線耦聯體系的地震響應特征。田利等[34]、Tian等[35-36]通過引入不同的導、地線的修正系數，研究了多維多點地震動激勵下振動臺模型非等比例問題；考慮近斷層地震動速度脈沖特征，引入不同入射角的位移響應比，探討近斷層近場地震波在不同輸入角度下輸電塔-線體系的動力響應，通過對塔線體系進行位移比分析，得出不同地震激勵下塔-線體系最不利入射角存在的差異；開展了空間變化的地震動對大跨越輸電塔-線體系動力響應規律的影響研究，得出地震動的空間變化能夠顯著放大輸電塔的地震響應。辛愛強[37]開展了近斷層與跨越斷層振動臺試驗，得出跨越斷層放大了結構的地震響應，揭示了多維斷層地震激勵下塔-線體系動力響應規律及其倒塌破壞機理。劉文明等[38]以斜坡輸電塔為研究對象，開展斜坡-基礎-塔線體系地震響應振動臺試驗研究，得出坡表具有明顯的放大效應且加速度放大系數與振幅之間存在正相關關系。Wang等[39]基于4個比較模型，利用3個振動臺組成的臺陣對超高壓杯式輸電塔-線體系進行試驗，研究塔-線耦合作用的動態特性。李鋼等[40]、謝強等[41]、Liang等[42]對特高壓塔-線體系縮尺試驗模型進行了振動臺試驗，提出了一種滿足動力特性與慣性力相似要求的模型設計中相似比的重新標定方法，選取不同類型的地震動作為輸入，通過懸掛質量塊等效導地線的方法，研究地震動過程中質量效應對塔體動力反應的影響，利用鋼絞線模擬導地線，研究輸電線的非線性振動對輸電塔減震的效能。魏文輝等[43-44]對考慮地震動水平-搖擺耦合分量作用的輸電塔-線體系地震響應特性進行振動臺試驗，研究表明地震動水平-搖擺耦合分量會造成塔體產生一定程度的非對稱位移響應。

輸電塔-線體系振動臺模型試驗研究能夠較好地模擬結構倒塌破壞機理，同時也可以驗證數值模擬結果的準確性，但是，鑒于輸電塔-線體系跨度大、塔身高的特點以及試驗設備尺寸有限、模型加工困難等因素，目前開展的輸電塔-線體系振動臺模型試驗研究較少，并且現階段的試驗研究多建立在單個振動臺試驗基礎上，利用多振動臺試驗研究多維多點地震作用下輸電塔-線體系的動力響應分析將成為未來的研究趨勢。

4 結論與展望

本文主要從輸電塔-線體系動力分析模型、數值計算、振動臺模型試驗3個方面，對現有的研究成果進行了綜述和討論。數值計算和振動臺試驗是研究地震作用下輸電塔-線體系地震響應特征的重要手段，但是，單一研究手段的可信度不如多手段研究方法高，其研究范圍也不如多手段范圍廣，這是由單一研究手段的局限性決定的。未來多種研究方法相結合的研究手段將成為一種發展趨勢，這將會在很大程度上避免某一種方法計算結果帶來的局限性，提高計算結果的可靠性及準確性。針對地震作用下輸電塔-線體系的地震響應特征仍需進一步深入研究，主要存在如下問題：

(1)目前許多學者對地震作用下高壓輸電塔-線體系的動力響應特征進行了研究，但是已有的研究成果不夠深入，且針對特、超高壓輸電塔-線體系的地震響應分析研究較少，亟需開展該類型塔-線體系的地震響應特征及其連續性倒塌破壞機理研究。

(2)多次地震災害表明，輸電塔-線體系在地震中的破壞以地基破壞為主，現有的動力力學模型研究多是基于剛性地基假設，忽略了地基與輸電塔線之間的相互作用對結構的動力特性和結構響應的影響，因此剛性地基的假設嚴格意義上講是有誤差的，有必要對考慮地基在輸電塔線體系中的影響進行地震響應特征的研究。

(3)雖然振動臺試驗是一種有效、可靠的研究方法，但是，由于輸電塔-線體系結構和動力問題的復雜性，利用振動臺試驗對輸電塔-線體系地震響應特征進行研究具有一定的局限性，例如振動臺試驗設備尺寸有限，急需利用多振動臺試驗開展多維多點地震作用下輸電塔-線體系動力響應研究。

(4)由于輸電塔是由不同規格的構件組成，構件和整體截面都很小，桿件類型也較多，導致縮尺后規格種類繁多且模型制作材料上很難滿足要求，結構的連接也存在一定的困難，使得振動臺試驗模型不能滿足縮尺比例設計要求，因此需要對輸電塔-線體系中各構件的縮尺比例因子進行研究。

(5)隨著輸電線路建設規模的擴大，由于客觀因素的存在，輸電塔往往無法避免建立在活動斷層附近區域，甚至是跨域活動斷層，目前，關于跨越活動斷層的輸電塔-線體系地震響應分析研究較少。