在空间相关地面运动作用下支撑极大跨度输电线的钢塔的振动台试验外文翻译资料

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在空间相关地面运动作用下支撑极大跨度输电线的钢塔的振动台试验

摘要

与传统民用结构的部件相比，穿过宽阔的河流和峡谷的输电线有更长的跨度（长于1000m），支撑这种超长跨距传输线的钢的输电塔不可避免地受到与支撑塔和传输线之间耦合作用一起的空间相关地面运动的影响。然而，目前支撑大胯输电线的输电塔的抗震设计并没有考虑地面运动空间变化的影响。这项研究专注于跨越中国第二长河（也是世界第五长河）的电力传输系统，以解决地面运动的空间变化对支持超长跨度传输线路的地震响应的影响。对一个缩小的原型试验模型进行了振动台测试。产生的考虑到波通效应、相干损失和局部场地条件的空间相关地面运动被用作振动台试验的输入。研究发现空间相关地面运动可以显著扩大输电塔塔响应，不应忽视在地震分析和设计中的这种影响。基于测试数据库，提出了一种经验模型进行修改支撑来自统一地面运动的极长跨距传输线塔的加速响应、构件应力响应和顶部位移响应，作为在相同振幅的空间相关地面运动下系统响应的保守估计。

关键词：振动台试验；空间相关地面运动；电能传输系统

1. 介绍

电力传输系统通常由一组支撑从电厂分配电到变电站的传输线（即导体和地线）的钢格子塔组成。由于我们的现代生活依赖电，电力传输系统需要覆盖几乎所有的地区（不可避免地也要覆盖地震活动区域）。与大多数建筑结构在地震中受到均匀激发不同，电力传输系统因为跨越较大区域，更可能被地震引起的空间不同的地面运动所激发。

虽然对于发展改进模型去量化空间不同地面运动对民用结构的地震响应已经付出了科研努力，地面运动空间差异还没有考虑到输电塔的地震设计中去。最近的振动台试验显示，与相同震级的空间不变的地面运动相比，空间变化的地面运动可能导致在输电塔中的更大的动态响应。但是，应该认识到在该测试中采用的试验模型只代表了“常规”电力输送系统（跨度连续，达400m）。不清楚的是该调查观察到的数据趋势在极长跨度的输电塔中仍然有效。要注意的是当系统横跨宽阔的河流或山谷时，极长跨度传输线（可能长于1000米）是必要的。

与常规跨度输电塔相比，极长跨度输电塔在地震分析中应该得到更多的关注，主要有三个原因。首先，支持极长距离传输线路的塔架有大得多的来自输电线的重力荷载和反应质量。另外，传输线下方通常需要最小垂直间隙来保证安全性。为了保证间隙要求，在极长距离输电系统中的支撑塔要高得多。此外，当输电线跨越更长距离时，支撑塔的基础上的地面运动往往更不同。因此，调查极长跨距输电塔的地面运动空间差异的影响有着迫切的研究需要。

地面运动的空间变化的影响

着眼于上述关键知识差距，这个研究团队通过实验研究了地面运动空间差异对输电塔的响应的影响。特地建造了一个代表由三跨输电线和四架输电塔原型的实验模型，并使用振动台进行测试。从本研究中的测试结果帮助生成一个数据库来证明空间变化的地面运动对输电塔地震响应的影响，改善长跨输电线的地震分析。以下部分描述原型，设计，试验模型的建造，空间相关地面运动的发展，测试设置，仪器仪表，试验结果的理解和解释，并综合给出设计建议。

1. 原型选择

由于这次调查的重点是极长跨输电塔，原型是在输电线长于1000m的模型中选择的。而且，原型的选择是取自地震区并根据最近设计手册设计的系统。此外，为了开发实验模型，原型必须从鉴具有详细设计信息易使用的系统得到。

结果，中国山东省一个220kV电力输送系统被选中。整个系统跨越大约58.4公里，设计用于50年超越概率为10％的地震灾害。相应的原始设计中考虑的峰值地面加速度（PGA）为0.2g。由于在振动台试验中考虑到整个传输是不可能的，只有由三条传输线和四架输电塔组成的系统的一个部分在这个调查中被当做原型。

图1展示了原型。如图所示，原型包括三条传输线（分别为294 m，1118米和285米）。原型的中间跨（在图1中被称为第二跨）是最长的，实际上穿越了黄河（这是中国第二长河，也是世界第五长河）。另外，原型还由图1中指定的塔1-4组成。塔1和塔4具有相同的构件配置SDF5A，而塔2和3的构件配置根据“传输杆传输塔命名规则”分类为SKT12。与塔1和塔4相比，塔2和3高得多，它们支持极长跨度传输线。因此，研究团队专注于塔2和3的实验模型和仪器仪表的开发。

图2展示出了支撑塔的高度。 如图所示，塔2和3分别由102米和112.5米的两个横梁组成。 俩根地线被支撑在每个塔的顶部。上下支架分别支撑两条和四条导线。 地线和双核导线分别为OPGW-180和LHBGJ-400/95。表1列出了接地线和导线的性质。 原型中的所有支撑塔均由Q235或Q345钢管分别制成。 注意Q235和Q345钢的名义屈服强度分别为235MPa和345MPa。关于塔中组件尺寸的详细信息在其他地方[19]。

1. 实验模型的设计和建造

实验模型在中国中南大学实验室进行测试。实验室里有一列三个相同的为了测试大跨结构多点激励的6自由度振动台。每个表都有一个30吨有效载荷，大小4mtimes;4米，最大行程250毫米，最大速度为1 m / s，输出频率范围为0.1 Hz至50 Hz，输出加速度沿水平方向可达1.0 g。沿同一方向排列时，相邻振动台间距可达50米。而且，实验室只能容纳高达15米的样本。

考虑到上述限制，研究团队决定对原型采用缩小的实验模型。鉴于该原型包括4个支撑塔，而实验室只有三个振动台，也考虑这次调查主要集中在极长跨距传输线的支撑塔，决定将塔2和3的实验模型放在振动台上，把塔1和4安装在实验室强力地板上。注意的是，这样的测试设置在实验模型1跨和3跨传输线远端施加了近似边界条件。

要复制原型的动态响应，实验模型需设计与与原型相似。

实验模型与原型之间的相似性是在实验模型的设计中使用相关物理量的比例因子实现的。这里，物理量的比例因子定义为试验模型的量与原型量的比例。注意比例因子是基于白金汉的定理[20]和考虑到实验室的空间限制和振动台输出能力。在实验模型中要求的质量根据先前试验推荐的过程确定[21]。一步一步确定比例因子的过程就像之前的调查一样[17]，为了简洁在本文中并没有详细介绍这一程序。表2和表3详细列出了最终实验模型的比例因子。

如前所述，塔1和塔4支撑跨1和3的相对短距离传输线远端（见图1），不是本研究的主要目标。这样塔1和4通过简化模型考虑。

对塔1和4的简化模型的设计进行了迭代确保其沿纵向和恒向的高度和刚度值

与实验模型设计确定的一样。塔2和3的所有构件在实验模型中明确构建。图3比较了塔2和3的详细模型与塔1和4的简化模型。用于建造塔2和3模型的钢管壁厚相差0.25mm至0.6mm，直径相差4mm至31mm。与原型一致，使用焊接连接在塔2和3的模型中的钢管。图4显示了塔2实验模型中构件之间的连接。

直径3.56mm和2.19mm的钢丝用于实验中的地线和导线模型。另外还有不锈钢链沿着每根钢丝安装以实现每单位长度目标人造质量。注意安装塔2和3实验模型的俩振动台之间的距离是50m。

1. 试验设置和仪器仪表

如第3节所述，在此试验调查中采用了俩个振动台。这两个振动台沿着试验模型纵向排列。塔2和3模型安装在振动台上，而塔1和4模型固定在实验室的强力地板上。将塔架模型设置在适当的位置后，人造质量被附加到塔模型。 然后，模拟传输线的钢线和作为传输线人工质量的钢链被附加到塔模型上。图5和6展示了附加到塔和传输线实验模型的人造质量。 在每次测试前，将振动台调至中性位置，每条传输线中的预应力调至使传输线达到期望的下垂。

如第3节所述，塔2和3支持极长跨输电线，他们所有结构构件被精确制模。因此，这两座塔是选择用于仪器仪表。响应量包括塔2和3的加速和位移响应

及这俩座塔中选中的构件的应力响应。图7显示了塔2和3的仪器仪表。注意这两座塔有相同的仪器。如图所示，加速度计沿着塔2和3的高度安装去记录纵向和横向的加速度响应。而且，每个塔顶的位移也被记录。此外，应变计贴附在塔上选定的抵抗重力负荷和倾覆力矩要求的构件上。

5.输入地面运动和测试计划

由于符合本研究独特要求的记录的空间相关地面运动的稀缺（例如，记录站需要距离彼此大约1000米），人造地面运动被合成用于振动台。注意，在这项研究中没有考虑垂直地面运动。基底的水平地面运动首先在塔2生成，随后发展到塔3的基底地面运动。有三个主要因素产生地面运动的空间差异，即地震波通道，相干损失和在每个塔基底的局部场地的影响。要注意的是地震波通道效果会导致在一次地震事件中不同位置的输入时间延迟；相干损失效应捕捉到在异质媒介中地震波反射和折射的影响;而局部土壤性质的差异影响地面运动振幅和频率的效果。塔3的地面运动的产生考虑到这三个因素各自和综合的效应。表4总结了这项调查的计划测试，其中包括了造成地面运动空间差异的假想参数。列出了计划的17项测试。

如下面的部分将详细讨论的，测试1和2波的表观速度分别为无穷和1000m/s，测试2和3相干损失类别分别为“完全损失”和“高度损失”。其他测试分别有影响地面运动空间变化的三个参数中的一个参数在相应实际范围内的差异（例如在测试3-9放大表观速度;在测试3，10，11中增加相关损失;并在试验3，测试12-17中改变塔基的土壤性质）。以下简要总结了塔2和3产生地面运动的过程。

具体来说，以下频率依赖的功率谱密度函数S（x），最初由Clough和Penzien提出[22]，被采用在产生塔2的地面运动中去：

在这里：

w =圆频率

S0 =功率谱密度函数的强度因子;

wg和xi;g =代表局部场地条件的系数;

wf和xi;f =产生期望极低频滤波的系数。

因此，等式（1）中的wg和zeta;g根据塔2场地土条件进行选择，wf，zeta;f和S0被调节以去适应于设计谱协调的功率谱密度函数（其假定PGA为0.2g，在纵向和横向上的阻尼比均为2%）。然后，根据先前调查中提出的随机过程产生非固定人造地面运动[23]。请注意，还有其他一些模型生成非固定人造地面运动[24-26]。但是，采用Hao[23]等人的那一个原因如下：（1）它是该领域最早开发的模型之一，过去被广泛使用; （2）相对简单，易于实施; （3）它是基于记录的地面运动，采用它有助于最小化某些理想模型的偏见结果; （4）最近这种方法已被采用在普通跨度输电线[17]支撑塔的振动台试验了，采用相同的模型可以与未来调查的结果直接比较。

在开发塔2地面运动后，相应地生成了塔3的地面运动。第一，基于假定的土壤性质，确定方程式（1）中的xg和xi;g。为了获得地震波通过效应，基于假定的表观波速度（见表4）和两个塔的间隔计算塔2和3之间的输入时间延迟的级别。这样确定输入时间延迟在塔3地面运动开始时被介绍过。为了考虑相干损失效应，生成人造地面运动，以前的研究[8,27]提到过的粘滞方程被集成到在等式（1）中定义的功率谱密度函数中。

在这里

这里

=在地表i和j之间波传播方向的投影距离；

Vapp =地震波传播表观速度;

a,b,c和beta;=从记录到的地面运动相干函数回归分析得到的系数[8]，其具体值见表5。

6.结果讨论

振动台试验按计划进行。在每次测试前，实验模型被白色的噪音所激发，以提取其与纵向和横向相关的基本频率。发现沿着纵向和横向的基本频率在整个实验过程中保持不变，表明系统在测试期间保持和预期一样的完全弹性。注意塔2和3的实验模型沿纵向和横向的基本频率分别为6.63Hz和6.67Hz。实验模型的这种振动频率分别对应1.48 Hz和1.49 Hz的原型分别沿纵向和横向的基本频率。

如图7所示

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