大跨度输电线路钢塔在空间相关地震动作用下的振动台试验外文翻译资料

英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

工程结构

大跨度输电线路钢塔在空间相关地震动作用下的振动台试验

山东大学土木工程学院，山东济南250061加州理工州立大学土木与环境工程学院，圣路易斯奥比斯波，加利福尼亚州93407

摘要：

与传统的民用结构相比，电力传输系统的输电线路跨越宽阔的河流或峡谷的跨度可以大得多(例如，超过1000米)。支撑这种超长跨度输电线路的钢塔不可避免地会受到空间相关的地震动，以及支撑塔与输电线路之间的耦合作用。然而，在目前特大跨度输电线路支撑塔的抗震设计中，并没有考虑地震动空间变化的影响。本研究以跨越中国第二长河(世界第五长河)的输电系统为研究对象，研究地震动空间变化对特大跨度输电线路支撑塔地震响应的影响。利用振动台对样机进行了缩尺实验模型的测试。考虑波道效应、相干损耗效应和局部场地条件的影响，采用空间相关的地面运动作为震台试验的输入。结果表明，空间相关的地震动可以显著地放大塔的反应，这种效应在地震分析和设计中不可忽视。测试数据库的基础上,提出了实证模型修改的加速度响应,成员压力反应和最大位移响应的支持非常大跨度输电线路塔统一的地面运动的保守估计系统的反应在空间相关地面运动具有相同的大小。2016年爱思唯尔有限公司保留所有权利。

1. 介绍

输电系统通常由一组支撑输电线路的钢格塔组成(即从发电厂向变电站输送电力的导体和地线。由于现代生活对电力的依赖，电力传输系统需要覆盖几乎所有的区域(不可避免的是，地震活跃区)。与大多数建筑结构在地震中受到均匀激励不同，电力传输系统在地震中更可能受到空间变化的地面运动的激励，因为它们通常扩展到一个大的区域。

虽然已有研究开发了改进的模型来量化空间变化的地震动对土木结构地震反应的影响[1-16]，但在输电系统支撑塔的抗震设计中，并没有考虑地震动的空间变化。迄今为止，对输电系统的研究非常有限，尤其是实验工作。最近的一项振动台试验表明，与相同震级[17]的均匀地震动相比，空间变化的地震动会在输电系统的支承塔中引起更大的动力响应。但是，应该认识到，该试验采用的试验模型仅代表“普通”输电系统(沿系统的输电线路跨度为400米)。目前还不清楚从调查中观察到的数据趋势是否仍然适用于一个特大跨度输电系统的支撑塔。请注意，当系统跨越宽广的河流或山谷时，极长的输电线路(可能超过1000米)是必要的。

与“普通”输电系统相比，超长跨度输电系统中的支撑塔在地震分析方面值得更多的关注，主要有三个原因。

首先塔大跨输电线路的支座具有较大的支座重力负荷和无功质量。此外，为了安全起见，通常需要在传输线以下有最小的垂直间隙。为了满足超长跨度输电系统的净空要求，其支撑塔必须要高得多。此外，输电线路越长，支撑塔基础处的地震动变化越明显。因此，研究地震动空间变化对特大跨度输电线路支撑塔响应的影响是一项迫切的研究需要。

针对上述关键知识缺口，本课题组实验研究了地震动空间变化对特大跨度输电系统输电塔响应的影响。具体地，我们构建了一个代表由三跨输电线路和四个支撑塔组成的原型的实验模型，并使用振动台进行了测试。本研究的试验结果有助于建立一个数据库，以展示空间变化的地面运动对支撑塔地震响应的影响，并改进大跨输电线路的抗震设计。以下部分描述了原型的基本信息、实验模型的设计和构建、空间相关地面运动的开发、测试设置、仪器、测试结果的解释和讨论，以及设计建议的综合。

2. 选择原型

由于本次研究的重点是特大跨度输电系统的支撑塔，所以在输电线路长度大于1000米的系统中，选择了该样机。此外，原型的选择是从震区以上的系统中进行的，并根据最近的设计准则进行设计。此外，为了开发实验模型，在具有详细设计信息的候选系统中确定了原型。

因此，选择了中国山东省的一个220千伏输电系统。整个系统延伸约58.4公里，设计时考虑到50年内超过10%的地震危险。原设计中考虑的峰值加速度(PGA)为0.2 g。考虑到在振动台试验中不可能考虑整个传动系统，本研究只选取由3跨输电线路和4座支撑塔组成的传动系统的一部分作为原型。图1为原型。如图所示，该原型包括三个跨度的输电线路(分别为294米、1118米和285米)。内部跨度的原型(即。，在图1中被指定为跨度2)是最长的，它实际上跨越了黄河(中国第二长河，也是世界第五长河)。此外，原型由四个塔组成，如图1所示，四个塔被指定为塔1 - 4。1号塔和4号塔的成员结构与SDF5A相同，而2号塔和3号塔的成员结构按照《输电杆塔和发射塔[18]命名规则》归类为SKT12。与1号塔和4号塔相比，2号塔和3号塔要高得多，它们支撑着非常大跨度的输电线路。因此，研究团队重点对塔2和塔3进行了实验模型和仪器的开发。支撑塔标高如图2所示。如图所示，2号塔和3号塔由两个横臂组成，高度分别为102米和112.5米。两根地线支撑在每个塔的顶部。上、下横臂分别支撑2、4根导线。地线和双芯导线分别为OPGW-180和LHBGJ-400/95。表1列出了地线和导线的特性。原型中所有的支撑塔都是由Q235或Q345钢管制成。注意，Q235和Q345钢的名义屈服强度分别为235 MPa和345 MPa。关于塔中组件尺寸的详细信息在[19]的其他地方有介绍。

3.实验模型的设计与构建实验模型在中南大学实验室进行了测试。

该实验室有三个相同的6自由度振动台阵列，用于多点激励下的大跨度结构试验。每个表的有效载荷为30吨，大小为4米?4 m，最大行程250mm，最大速度1m /s，输出频率0.1 Hz ~ 50hz，输出加速度沿水平方向可达1.0 g。当沿同一方向对齐时，相邻表的间距可达50米。此外，实验室只能容纳15米高的标本。

考虑到上述约束条件，研究团队决定采用缩小尺度的实验模型作为原型。考虑到原型包括4个支撑塔，而实验室只有3个振动台，并且考虑到本次调查主要针对支撑特大跨度输电线路的塔，故决定将实验模型的塔2和塔3放置在振动上在实验室坚固的地板上放着桌子和安装塔1和塔4。注意，这样的测试设置在实验模型的跨1和跨3的传输线远端施加了近似边界条件。

为了复制原型的动态响应，设计了与原型相似的实验模型。在实验模型的设计中，利用相关物理量的标度因子，实现了实验模型与样机的相似。这里，物理量的比例因子定义为实验模型的数量与原型的数量之比。请注意，比例因子是根据白金汉pi;定理[20]确定的，并考虑了实验室的空间限制和振动台的输出能力。实验模型所需的质量是根据之前研究[21]中推荐的程序确定的。确定标度因子的逐步步骤类似于以前的调查[17]中使用的步骤，为了简单起见，本文没有详细介绍这种步骤。表2和表3详细列出了实验模型得出的比例因子。如前所述，1号塔和4号塔支撑的是1号塔和3号塔相对短跨输电线路的远端(见图1)，它们不是本研究的主要目标。因此，通过简化模型考虑塔1和塔4。对1号塔和4号塔的简化模型进行了迭代设计，以确保它们在纵向和横向方向上的高度和刚度值与试验模型设计结果一致。塔2和塔3的所有构件均在实验模型中明确构建。图3将2号塔和3号塔的详细模型与1号塔和4号塔的简化模型进行了比较。2号塔和3号塔模型所用钢管的壁厚和直径分别为0.25毫米至0.6毫米和4毫米至31毫米。与原型一致，在2号塔和3号塔的模型中，钢管采用焊接连接。图4为实验模型塔2的构件间连接。实验模型中地线和导线分别使用直径为3.56 mm和2.19 mm的钢丝。此外，在每根钢丝上都安装了不锈钢链，以达到单位长度的人工质量目标。值得注意的是，在实验模型中，安装塔2和塔3的两个振动台之间的距离为50米。

1. 试验装置和仪器如第3节所述，本试验研究采用了两个摇床。

这两个表格是沿着实验模型的纵向排列的。2号塔和3号塔的模型安装在摇床上，而1号塔和4号塔的模型则固定在实验室坚固的地板上。塔模型就位后，将人工块附着在塔模型上。然后，将模拟输电线路的钢丝和作为输电线路人工质量的钢链附加到塔模型上。图5和图6为实验模型塔和输电线路上的人工质量。每次试验前，将振动台调至中性位置，并调整各传输线的预应力，以达到预期的垂度。

如第3节所述，2号塔和3号塔支撑着特大跨度的输电线路，它们的所有结构构件都明确建模。因此，这两座塔被选为仪器。感兴趣的响应量包括2号塔和3号塔的加速度和位移响应，以及这两个塔中选定成员的应力。图7示出了塔2和塔3上的仪器仪表。注意，这两个塔有相同的仪器。如图所示，在2号塔和3号塔的高度安装了加速度计，记录了沿纵向和横向的加速度响应。此外，每个塔的顶部位移也被记录下来。此外，在选择的构件上附加应变计，以抵抗重力载荷和对塔的倾覆力矩要求。

5. 输入地面运动和测试计划

由于缺乏满足本研究独特要求的记录空间相关地面运动(例如，记录站需要距离约1000米)在振动台试验中，人工地震动被合成。值得注意的是，本研究没有考虑垂直地面运动。首先产生2号塔楼底部的水平地震动，然后发展3号塔楼的地震动。影响地震动空间变化的主要因素有三个，即地震波通道效应、相干性损失和各塔基础的局部场地条件。注意，地震波通道效应会导致地震事件中不同位置的输入时间延迟;相干损耗效应捕捉了地震波在非均匀介质中反射和折射的影响;局部土壤性质的差异影响着地面运动的幅值和频率含量。考虑了这三个因素在3号塔楼地面运动产生中的各自和综合作用。表4总结了本次调查的计划试验以及引起地面运动空间变化的假设参数。如表所示，共安排了17次测试。测试1和测试2将波视速度从无穷大改变到1000米/秒，而测试2和测试3将相干性损失类别从“完全”改变到“高度”，这将在下一节详细讨论。其他试验在相应的实际范围内改变了影响地面运动空间变化的三个参数之一(例如，在试验3-9中放大视速度;增加测试3、10和11中的相干性损失;并在试验3和试验12-17中改变塔基的土壤特性。下面简要总结了2号塔和3号塔的地面运动产生的步骤。具体来说，采用Clough和Penzien[22]最初提出的频率相关功率谱密度函数S(x)来生成2号塔楼的地面运动:

其中x =圆频率;S0=功率谱密度函数的强度因子;xgand 1g=代表当地场地条件的因子;和xfand1f=因素产生所需的滤波非常低的频率。因此,xgand 1杜松子酒Eq。(1)选择基于网站2号塔楼的土壤条件和xf, 1 fand S0were调整以匹配与设计相关的功率谱密度函数谱(假定0.2 g的PGA和阻尼比2%的纵向和横向的方向)。在此基础上，根据前人研究中提出的随机程序[23]生成了非平稳的人工地震动。值得注意的是，还有其他一些模型可以产生非平稳的人工地面运动[24-26]。然而，采用Hao等人的[23]模型的原因如下:(1)该模型是该领域发展最早的模型之一，在过去得到了广泛的应用;(2)相对简单，易于实现;(3)它是基于记录的地面运动，采用它有助于最小化一些理想化模型的偏倚结果;(4)该方法已在最近一次对支撑普通跨[17]输电线路塔的振动台试验中得到应用，采用相同的模型可以直接比较结果，为今后的研究提供参考。2号塔的地震动展开后，3号塔的地震动也随之产生。首先，根据假定的土壤性质，确定了xgand 1gin方程(1)。为了获取地震波通道效应，根据假定的视波速(见表4)和两座塔之间的间隔，计算2塔和3塔之间输入时间延迟的大小(见表4)。3号塔在地面运动开始时引入了确定的输入时延。考虑相干损失效应,以下相干函数,,在过去的研究报告(8,27)中定义的功率谱密度函数集成到Eq。(1)的一代人工地面运动。

其中dij=地面上点i与点j间波传播方向上的投影距离;视波传播速度;a、b、c、b =记录地震动[8]的相干函数回归分析得到的系数及其具体值如表5所示。

6.结果振动台试验按计划进行。

实验模型在白噪声的激励下，提取各试验前与纵向和横向方向相关的基频。结果发现，在整个实验过程中，沿纵向和横向方向的实验模型的基频保持不变，这表明在实验过程中，系统保持了预期的完全弹性。注意，2号塔和3号塔的实验模型沿纵向和横向的基频分别为6.63 Hz和6.67 Hz。实验模型的振动频率分别对应于样机在纵向和横向上的基频1.48 Hz和1.49 Hz。

如图7所示，记录的响应量包括所选标高处的峰值绝对加速度、塔顶相对地面的峰值位移和所选构件的峰值应力。人们认识到，在塔的特定高度上的绝对加速度峰值是设计的必要条件一些传输硬件刚性连接到塔上;塔顶位移峰值是评价塔顶整体稳定性和平巷需求的重要指标。

下面首先讨论2号塔和3号塔在均匀地震动作用下的响应特征，然后将讨论扩展到它们在空间相关地震动作用下的响应。实验数据来源于实验模型。注意，如果需要，可以根据比例因子将测试数据转换为原型的测试数据。值得注意的是，塔的加速度和构件应力的比例因子为1.0，如表2所示。因此，实验模型的加速度和应力响应与原型相同。然而，塔体位移的比例因子小于1.0(见表2)，试验模型的位移响应比例低于原型。

6.1。塔在均匀激励下的响应

如表4所示，试验1不考虑波道效应和相干损耗效应(即，试验1采用均匀地震动)。值得注意的是，这种均匀地震动通常用于输电系统的地震评价，在试验1中采用这种地震动来提供参考结果，以比较空间相关地震动的影响。本研究前期进行试验1的另一个重要原因是，连接支撑塔的输电线路是几何非线性的，其响应与支撑塔的响应是耦合的;测试1的测试结果有助于演示电力传输系统的耦合动态行为(这是理解系统在空间相关地面运动下更复杂的耦合动态响应的基础)。图8对比了2塔和3塔的峰值加速度响应。如图所示，在均匀地震动作用下，两塔沿横向方向的加速度响应非常相似;然而，它们在纵向方向上的响应各不相同(尤其是在塔的上部)。纵向和横向观测结果的不一致表明，支撑塔与特大跨度输电线路之间的耦合作用沿纵向方向显著，但沿横向方向可以忽略不计。值得注意的是，支撑塔与输电线路之间的耦合作用也会影响塔在空间相关地震动(即地震动)下的响应。，测试2-17将在第6.2-6.5节中讨论。然而，提取耦合作用的各自贡献和考虑的影响地面运动

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[235208]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word