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近断层地震动和等效脉冲对大跨越输电塔线系统的影响
本文的重点是大跨越输电塔 - 线系统（LCTL）对近断层地震动的地震响应，以及简化脉冲是否能够表示近断层地震动中存在的地面运动脉冲对地震响应的影响。评估了前向方向脉冲和闪烁步脉冲对近断层LCTL响应的影响。结果表明，与远场地面运动相比，近断层脉冲状地面运动对LCTL施加了更大的地震响应。当与诸如PGA的简单强度测量相关时，LCTL对近断层运动的响应显示出比远场地面运动的响应更高的散射。此外，地震响应随着近断层地震动的脉冲周期而增加。使用两个新的等效脉冲模型再现了LCTL对前向方向性地面运动和甩动地面运动的响应。结果表明，等效脉冲模型可以捕获近断层记录的重要响应特征。经受前向方向地面运动的LCTL的响应与受到前进地面运动的响应之间存在显着差异。最后，研究了LCTL经受近地脉冲如地面运动的塔线耦合。结果表明，塔线耦合对LCTL对远场地面运动的地震响应的影响比对近断层地震动的响应更为明显。
- 简介
输电塔线系统通常设计用于自重，风荷载，冰载荷和导体断裂产生的载荷。在没有抗震规范的情况下，考虑地震荷载并不是一种做法[1]。然而，在1999年的Chi-Chi地震中，发生了对输电塔线系统的最大破坏。表1总结了地震对输电线路的地震破坏[2]最奇特的灾难与Chi-Chi地震的近断层脉冲状地面运动有关。这个强调了传导线的地震分析对于接近故障脉冲状地面运动的重要性。
尽管如此，对输电塔线系统的地震响应的研究很少[5-12]。Yue等人进行了唯一一项关于传输塔线系统地震响应的研究，该系统受到近断层脉冲状地震动的影响。[9]。在他们的研究中，比较了塔线系统在近断层地震动，人工地面运动和El Centro地面运动激励下的响应。 结果表明，塔对近断层地震动的响应与远场地面运动之间的差异并不明显。然而，结果明显不同于Chi-Chi地震中的地震破坏。
这种差异可能是由研究中使用的短周期传输塔引起的。在他们的研究中建立的塔的基本周期是0.39秒，远远短于近断层脉冲状地面运动的脉冲周期。具有不同基本周期的输电塔对近断层脉冲状地面运动的响应可能存在很大差异。具体而言，大跨越输电塔线系统（LCTL）中的塔对近断层脉冲状地面运动的响应可能与普通输电塔的响应不同。
LCTL是输电线路中最重要的部分。一般来说，LCTL的跨度超过1000米，LCTL的高度超过100米[13]。与普通输电塔线系统相比，LCTL具有更长的跨度和更高的输电塔。因此，它可能对具有低频分量的地面运动更敏感。然而，没有尝试研究LCTL对近断层脉冲状地震动的地震响应。
本研究的目的是确定LCTL在接近断层地震动时的显着地震响应特征用等效脉冲模型表示近断层脉冲状地面运动，并将LCTL的地震响应与近断层地震动的参数联系起来。
- 本研究中使用的地面运动和等效脉冲
断层破裂附近的地面运动可以表现出步进或前向指向的影响。甩动步骤通常产生与故障 平行发生的永久静态位移。前向指向性效应的特征在于在垂直于故障的运动开始时出现大的速度脉冲。尽管它们具有不同的特性，但受到步进效应和前向指向效应影响的地面运动可以通过大速度脉冲来表征，能够造成严重的结构损伤[14-17]。近断层地面运动与远场地面运动不同，因为它们通常包含强相干动态长周期脉冲。图1显示了1999年Chi-Chi地震中记录的TCU052地震动的地面加速度，速度和位移时间历史，以及1940年帝国谷地震记录的El Centro地震动。地面运动TCU052是典型的近断层地面运动。如速度和位移的时间历程所示，近断层地面运动包含在大约12到20秒的时间范围内的大脉冲。两个地面运动的加速谱也显示在图1中。在加速度谱中显示，由近断层地面运动引起的长周期响应大于由远场地面运动引起的长周期响应。很明显，对于长周期结构而言，近断层脉冲状地面运动比远场地面运动严重得多。
2.1、 地面运动
在这项研究中，使用一组具有前向指向性的10个近断层地震动记录来评估LCTL的地震响应。这些地面运动覆盖的脉冲周期范围为0.67至11.86秒，并且断裂距离（从场地到断层破裂面的最近距离）范围为0.24至8.0 km。表2列出了地面运动的基本属性。
为了比较塔线系统的近断层地震响应与远场地面运动引起的响应，在这项调查中也使用了10种广泛使用的远场地面运动。记录的运动的基本属性如表3所示。
2.2、 等效脉冲
如前所述，在断层破裂附近的地面震动的特征在于时间历史中的大脉冲。尽管近断层地面运动非常复杂，但研究[16]已经表明，简单的脉冲表示能够捕获受到近断层脉冲状地面运动的结构的显着响应特征。为了响应在预测结构性能时实现简单脉冲的重要性，已经开展了大量工作来开发表征脉冲运动特殊效应的等效脉冲模型[14,18]。
如果可以引入简单的脉冲模型来表示具有合理精度的近断层地面运动，由于基本周期T与脉冲周期Tp具有特定关系的结构的共同模式，可以极大地促进设计和响应评估的过程。然而，对于严重的塔线耦合，必须在LCTL的地震响应评估中重新评估等效脉冲。
本研究的重点是两个新的正弦 - 余弦波等效脉冲，用于近断层响应评估。其中一个脉冲是前向和后向位移（图2a），表示具有前向方向性的地面运动，另一个是前向位移（图2b），表示具有甩尾效应的地面运动。两个等效脉冲的加速时间历程表示为Eqs。 （1）和（2）。两个正弦 - 余弦波等效脉冲的地面加速度，速度和位移时间历程如图2所示。脉冲完全由两个参数定义：脉冲周期Tp（全速周期的持续时间）和强度测量，它可以是最大脉冲加速度，amax = A，也可以是最大脉冲速度Vmax。两个脉冲的巨大优势是最大加速度和最大速度之间的简单关系。
- LCTL的动态特性
选择LCTL的典型示例用于分析。 LCTL的切线塔总高度为230米，质量为950865.7千克。塔的底部宽度为46米。 在这项研究中，主要跨度通常选择为1700米。主跨的线的下垂/跨度比为0.069。模型中有两根导线（AACSR / EST 4640/290），一根地线（JLB14-340）和一根OPGW（OPGW-350）。导体，地线和OPGW的特性如表4所示。导体与支撑塔的质量比为0.042。
LCTL的FEM模型如图3所示。假设两个塔的所有基点完全固定在基础水平。 基于连接模式，塔架构件采用梁和桁架单元建模[19-24]。导体用链式桁架元件建模。 导体是柔性结构，因此在施加载荷之前应确定其初始形状。在这项研究中，采用动态松弛法来确定导体的初始形状。然而，FEM模型的动态特性是复杂的。为了初步了解LCTL的动态特性，并比较LCTL的动态特性和普通塔线系统的动态特性[25]，也使用了包括一个导体的等效模型，如图4所示。等效模型由集总质量和梁组成。
基于等效模型，研究了LCTL的动态特性。 LCTL的前四个面内模式和前四个面外模式分别如图4（a）和（b）所示。观察到包含在LCTL的低阶模式中的塔没有振动。 很明显，LCTL的低阶模式受传输线模式的控制。对独立塔和耦合系统的有限元模型进行了谐波分析，结果如图5所示。纵坐标表示塔头的位移。在谐波分析中强制频率与结构的固有频率匹配时发生峰值谐波响应。 如图5所示，在同一独立塔的每个固有频率附近存在一组耦合系统的固有频率。采用“分支频率组”[25]来指代这些组。
图6显示了独立式塔架的前五个平面内模式。 图7示出了对应于前两组分支频率的耦合系统的前两组面内模式形状。显然，同一组中的所有模式都包括独立塔的相同模式形状。 为简单起见，从现在开始，每组模式将被称为“模式组”。因此，对应于独立式塔架的模式，存在包括若干模式的耦合系统的模式组，并且相同模式组的所有模式包括独立式塔架的相同模式形状。
表5列出了独立塔的前三个频率和相应模式组的频率。通过比较独立塔的频率和LCTL的分支频率，可以观察到一些差异。
第一频率和相应的分支频率之间的最大差异是6％。 第二频率和相应的分支频率之间的最大差异增加到27％。第三频率和相应的分支频率之间的最大差异是20％。 这些差异表明，塔线耦合严重影响了输电塔的动态特性。
- 对具有前向指向性的近断层地面运动的响应
为了证明LCTL经受近断层地震动的响应特性，10个近断层地面运动和另一组10个远场地面运动被用作输入地面运动，如表2和表3所示。对于分析，近场地面运动记录和远场地面运动记录的PGA值被缩放到0.3g的峰值。
图8显示了由近断层地面运动和远场地面运动引起的LCTL的最大位移和力矩。 近断层地面运动的响应用这些图中的破折号的平均值表示。对于远场地面运动的响应，平均值用实线表示。 该图表明，由LCTL的近断层地震动引起的地震响应远大于远场地面运动引起的地震响应。
可以从图9中针对各种脉冲周期呈现的曲线获得对接近故障地面运动的LCTL的最大地震响应的综合评估。该图表明LCTL对近断层地震动的地震响应随着脉冲周期的增加而增加。当脉冲周期相对较短时，地震响应的幅度差异不那么明显。当脉冲周期相对较短时，地震响应的幅度差异不那么明显。 然而，随着脉冲周期的增加，差异相当快地增加。
另一个重要的观察是，对于大多数近断层记录，最大位移发生在塔的上部，最大力矩发生在结构的基部。当脉冲周期较短时，塔架不同高度的地震响应幅度差异不明显。 然而，随着脉冲周期的增加，差异变得显着。
图10示出了在经受等效脉冲的LCTL的高度上的地震响应的分布。具有前向方向性的等效脉冲和相应的近断层地面运动的参数在表6中给出，其中等效脉冲的峰值速度等于近断层记录的PGV。对于近断层地面运动，可以直接将分布与图9中所示的分布进行比较。 该比较揭示了对近断层脉冲状地面运动的响应与对等效脉冲的响应之间的相似性。
与图9的先前观察一样，对于大多数近断层地面运动，最大位移发生在塔的上部，最大力矩发生在结构的基部。当脉冲周期相对较短时，地震响应的幅度差异对塔的高度不是那么明显。 然而，随着脉冲周期的增加，差异相当快地增加。这种模式与地面运动的观察结果一致。
地面运动和等效脉冲的高度上的地震响应分布的例子示于图3和4中。 显然，经受等效脉冲的LCTL的力矩和位移响应与经受地面运动的LCTL的力矩和位移响应很好地吻合。虽然存在一些差异，但等效脉冲似乎合理地捕获了近断层记录的重要响应特征，特别是地震响应分布对近断层地震动脉冲周期的依赖性。
- 对近断层地面运动的响应具有投掷步骤效应
由于地面运动的标准处理程序通过滤波去除了部分位移，因此具有投掷步骤效应的近断层地面运动的静态位移可能不准确（太小）。为了量化LCTL对具有甩阶效应的近断层地震动的地震响应，本研究中使用等效的甩阶效应脉冲。 图13示出了在经受等效脉冲的LCTL的高度上的地震响应的分布。与前向方向地面运动的响应相同，具有较长脉冲周期的地面运动的LCTL的地震响应幅度大于具有较短脉冲周期的地震响应的幅度。
可以将分布直接与图1和2中所示的分布进行比较。 图9和10示出了具有前向效应效应的近断层地面运动。 该比较证明了对投掷步地面运动的响应与前向指向性地面运动之间的差异。很明显，前向方向性地面运动对于LCTL比对步进式地面运动更具破坏性。 另一方面，图1和图2中的包络形状。 10和13是完全不同的。对于投掷步骤效果，包络的形状是均匀的，并且最大位移发生在塔的顶部。 然而，用于前向指向效应的包络的形状是相当不均匀的。 显然，LCTL对前向方向地面运动的地震响应比LCTL对于前向地面运动的地震响应更复杂。
- LCTL的塔线耦合经受近断层地面运动
对于普通输电塔线系统，动态分析中可忽略导体质量。然而，对于LCTL，跨度相当长，并且在动态分析中不能忽略导体的质量。研究[4-7]已经证明，在输电塔的动态分析中忽略导体将导致不安全。目前，虽然考虑到导体的动态效应，没有关于输电塔呈现方法的代码，但应该考虑LCTL的效果。
研究线路对LCTL作用下近断层地震动切线塔地震反应的影响
比较了独立塔和塔线系统的响应。将结果与经受远场地面运动的LCTL中的效果进行比较。两个近断层地面运动记录和远场地面运动记录的PGA值被缩放到相同的水平用于分析，并且忽略塔的垂直响应。
图14比较了近断层地震动引起的塔线系统的最大位移和力矩分布与独立式塔架的最大位移和力矩分布。独立塔的结果用平均值表示，在这些图中用实线表示。
对于塔线系统的结果，平均值用破折号表示。塔线耦合对接近地震动的LCTL的地震响应的影响可以从图中给出的曲线中获得。结果表明，线条增加了切线塔的响应。对于位移，效果在中间部分更明显。暂时，效果发生在切线塔的基部。
为了比较，经过远场地面运动的LCTL的塔线耦合如图15所示。结果然而，在进行远场地面运动的LCTL中，塔线耦合对位移响应的影响在切线塔的上部更明显。
表明，塔线耦合对位移响应的影响在近断层地震动的切线塔中部更为明显。一般来说，塔线耦合对LCTL对远场地面运动的地震响应的影响比对近断层地震动的响应更明显。
7结论
本文总结的研究探讨了大跨越输电塔 - 线系统在近断层地震动下的重要响应特性。将响应与远场地面运动的响应进行比较。 两个新的等效脉冲用于表示近断层地面运动。分析了线对LCTL中切线塔地震响应的影响。 本研究的结论总结如下：
LCTL对近断层地震动的地震响应远大于对远场地面运动的响应。
近地故障地面运动的LCTL的地震响应随着近脉冲类地面运动的脉冲周期而增加。
新的等效脉冲可以捕获受到近断层地面运动的LCTL的重要响应特性。
前向方向地面运动对LCTL的破坏性比对于步进式地面运动更具破坏性。
塔线耦合对LCTL
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资料编号：[961]
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