地震动水平和摇摆耦合作用下输电塔线体系地震效应研究

For transmission tower-line system under coupled horizontal and tilt ground motions, due to its characteristics of high altitude and low lateral stiffness, the tilt ground motion will result in a significant increase to its dynamic response. If the effects of tilt components of earthquake ground motion are ignored in seismic design calculations, catastrophic damage may occur to such structure system. For now, the recognition of the harmfulness and dangerousness of transmission tower-line system under tilt ground motion is insufficient and relative researches are not comprehensive and in-depth enough. The program aims to make a systematical research on the seismic response of transmission tower-line system under coupled horizontal and tilt ground motions by the methods of theoretical analysis, numerical simulation and shaking table tests. The main studies are: 1.Establishing a method which can use wavelet analysis theory to collect tilt component time history of earthquake ground motion from horizontal and vertical accelerograms records; 2.Deriving the nonlinear dynamic equation of transmission tower-line system under coupled horizontal, tilt angular acceleration and tilt displacement time history; 3.The additional P-Δ effect caused by tilting angular displacement time history, the asymmetric seismic response and hysteretic behavior of transmission tower-line system, etc.; 4.The applied seismic design method for transmission tower-line system under coupled horizontal and tilt ground motions. The research results of this project would provide theoretical basis for the seismic calculations of transmission tower-line system, and applied design method for personals of engineering design.

地震动水平和摇摆耦合作用下的输电塔线体系，由于其结构高、抗侧刚度低等特点，摇摆分量导致其动力响应显著增大，抗震计算时若忽略地震动摇摆分量的作用，将可能导致输电塔线体系的严重破坏。但目前地震工程界对输电塔线体系在地震动摇摆分量作用下的危险性和危害性还认识不足，相关的研究不够全面、深入。本项目旨在通过理论分析、数值模拟和地震模拟振动台试验系统地研究输电塔线体系在地震动水平和摇摆耦合作用下的地震效应。主要研究有：1）采用小波分析理论，从地震动水平和竖向时程记录中提取摇摆分量时程的方法；2）地震动水平、摇摆转角加速度和摇摆位移时程耦合作用下输电塔线体系的非线性动力方程；3）摇摆转角位移产生的附加P-Δ效应、输电塔线体系的非对称地震效应和滞回特性等；4）地震动水平和摇摆耦合作用下输电塔线体系实用的抗震设计方法。研究成果将为输电塔线体系的抗震计算提供理论依据，为工程设计人员提供实用的抗震计算方法。

对地震动水平-摇摆耦合作用下输电塔体系的地震反应进行了系统的研究，完成了项目所要得到的目标，本项目取得的主要研究成果包括：. 1.地震动摇摆分量时程获取方法研究。基于强震时断层附近地面地震动转动分量对单摆式地震仪水平和竖向摆造成的响应差异性，建立采用小波分析获取地震动转动分量的方法。采用离散小波变换探讨未修正地震动水平和竖向分量的局部时频特性，从而获取了地震动转动分量；通过振动台试验验证了基于小波分析的地震动转动分量获取方法的正确性和精度，且相较于基于傅里叶分析的方法，结果与实际情况更加吻合，精度实现了大幅提高。. 2.地震动水平、摇摆加速度和摇摆位移耦合作用下输电塔线体系的地震效应研究。推导了地震动水平、摇摆加速度和摇摆位移耦合作用下输电塔线体系的动力方程，在方程的激励项中以等效侧向力的形式考虑摇摆转角位移产生的附加二阶效应。基于实际输电塔体系进行了缩尺振动台试验，振动台试验采用进行单塔和三塔两线在顺线向作用下的振动台试验，考察在水平、摇摆及水平-摇摆耦合作用下的结构响应。得到如下结论：地震动摇摆分量不可忽略，其对输电塔线体系的地震响应影响较大，其中由摇摆转角位移产生的附加二阶效应会增大输电塔线体系的动力响应并造成塔体产生一定程度的非对称位移效应。. 3.地震动水平-摇摆耦合作用下输电塔线体系实用的抗震设计计算方法研究。进行了地震动水平-摇摆耦合作用下输电塔线体系实用的抗震设计计算方法研究。基于500kV天广送电工程，进行了地震动水平-摇摆倾斜耦合作用下输电塔线体系的动力响应分析，为实用的抗震设计计算方法提供了依据。由实用工程设计和研究结果表明：输电塔悬挂导线后结构自振周期略有增加，但增幅不大；在失稳时刻，作为抗震主要构件的主材发生了部分弹塑性失稳的现象，输电塔在动力工况下的倒塌均是由部分主材失稳引发的薄弱区域杆件部分失效进而造成输电塔整体失稳造成的。