第３６卷第２２期 ２ ０ １ ０年８月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲ１ Ｖ０１．３６ Ｎｏ．２２ Ａｕｇ．２０１０ ・７７・
文章编号：１００９ ６８２５｛２０１０）２２—００７７—０２
输电塔一线结构体系振动响应研究综述
谢刘 王军 黄高琼
摘要：介绍了输电塔线体系振动的基本特点，并对塔线体系振动响应的理论和试验研究进展进行了综合论述，重点阐 述了考虑输电塔线体系耦联作用下的体系设计及振动响应、试验研究成果以及减振控制方法，提出了今后应重点解决的
问题。 关键词：输电塔线体系，塔线耦联，风振反应，风洞试验，风振控制
中图分类号：ＴＵ３９９ 文献标识码：Ａ
高压输电塔一线体系是高负荷电能输送的载体，是重要的生
命线工程。通常情况下，输电塔一线体系对地震和风、导线浮冰
等环境荷载的反应敏感，容易发生振动疲劳损伤和极端条件下的
动态倒塌破坏，它的破坏会导致供电系统的瘫痪，极大地影响人
们的生活秩序、生产建设和抗震救灾工作＿１ｊ。目前国内很多学者
对输电塔线体系的耦合振动进行了多方面的研究，对输电塔在地
震、风载及雷暴冲击风等动力荷载作用下的结构响应分析，同时
也对一些具体情况如绝缘子断裂、覆冰输电塔等进行研究，对高
压输电塔的设计提供了可供参考的简化计算方法。与此同时，国
内外也已开展了一些输电塔线体系的减振研究，但主要是采用调
频质量阻尼器（ＴＭＤ）装置及ＭＲ阻尼器，其他各类减振手段和装
置的应用研究尚待开展。
１理论研究
输电塔一线体系是由高耸的杆塔结构和导线连接组成的一
种高柔度结构，可归结为张力索塔结构。在地震、风、雨和浮冰等
环境荷载作用下，结构动力反应表现为明显的随机性和几何非线
性特征。目前，国内外学者主要从结构动力响应分析、塔线耦联 作用和结构设计等方面研究输电塔一线体系响应机理。
．田利、李宏男等＿２Ｊ基于大跨越输电塔线体系这样复杂的空间
耦联体系，体系自由度庞大，输电塔的高柔特性和导（地）线具有
强几何非线性，并且导（地）线找形计算复杂的特点，针对不同场
地类型提出了考虑导线影响的跨度界限值，并提出了高压输电塔 线耦联体系的简化抗震计算方法。
王昕、楼文娟和徐伟等 Ｊ基于Ｃｈｅｎ和Ｌｅｔｃｈｆｏｒｄ的冲击风风
场模型和准定常假设，提出了作用于输电塔的雷暴移动冲击风风
荷载模型。对某一实际工程中的典型输电塔结构建立空间有限 元模型，分析冲击风风荷载对输电塔的作用特性，得到了冲击风
作用过程中输电塔总体风荷载随时间变化，并出现作用方向基本
相反的两个峰值。 邓洪洲、司瑞娟等ｌ４ Ｊ针对特高压大跨越输电塔跨越档距大、 塔体高且负荷重的特点，从材料选取、导线排列方式、结构动力特
性以及风振响应等几个方面对１ ０００ ｋＶ特高压双回路跨越输电
塔进行分析，总结了所研究塔形的动力特点，对其风振系数进行
了计算和讨论，并根据动力特性分析提出了结构设计中风振系数
的取值方法。 沈国辉等＿５ Ｊ以某大跨越输电塔为例，输电线路中的绝缘子由
于外界多种因素作用可能会发生断裂，致使导线跌落，在导线下
落过程中将对输电线路产生持续的动力冲击作用，采用有限元方
法建立了塔线模型，并对导线的跌落过程进行模拟。直线跨越塔
的有限元模型见图１。
图１ 直线跨越塔的有限元模型 ２试验研究
高压输电塔的动力响应的试验研究还不多，是近年来才开展
起来的，主要包括地震模拟振动台试验、风洞试验和现场实测等
研究手段。 李宏男等＿６Ｊ进行的输电塔一线体系模拟地震振动台试验，选
用具有不同代表性的地震动作为输入，模拟了不同场地条件下导
线对输电塔侧向和纵向振动地震反应的影响程度。试验模拟在 验证理论计算模型、导线对输电塔地震反应的影响以及理论计算
结果的合理等方面取得了理想的试验效果。
Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｎ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔａｌｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ
ＬＩＮ Ｓｈｕ－ｙｉ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ｐｌａｎ ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ａｎｄ ｐｌａｎ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ
ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ．Ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔａｌｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ｒｅｇｕｌａｒ ｐｌａｎ ｈａｓ ｍｏｒｅ ｕｎｉｆｏｒｍ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｆｏｒｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ
ｌｏａｄｓ，ｉｔｓ ｔｏｒｓｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｓｍａｌｌｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｅｃｕｒｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔａｌｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｐｌａｎ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｌａｎ
收稿日期：２０１０—０４—０４ 作者简介：谢刘（１９８５一），男，工程师，６３６８０部队司令部工程处，江苏江阴２１４４３１
王军（１９８３一），男，助理工程师，上海ＡＣＯ原构设计咨询有限公司，上海２０００００ 黄高琼（１９８４一），男，重庆后勤工程学院建筑工程系硕士研究生，重庆
４０００００ ．７８． 常年￣ｇ ２８２月Ｎ 山 西建筑
同济大学邓洪洲教授等人＿７ Ｊ，曾在国家重点实验室风工程馆
ＴＪ一３边界层风洞进行了江阴大跨越输电塔线体系气弹模型风洞
试验，用自由振动法测得单塔和塔线体系的自振频率和阻尼比，
并进行了多个风速下单塔、塔线体系在均匀流场和紊流场中的风 洞试验。
张庆华、顾明、黄鹏等ｌ８ Ｊ应用高频测力天平技术，对两种典型
格构式输电塔塔头模型进行了不同紊流度下的风洞试验，得到了
结构各个方向受到的风力系数的平均值和根方差。讨论了风力
系数随风向的变化规律，以及紊流度和塔头外形对风力的影响。
结果表明，两种输电塔塔头的平均风力以顺风向风力为主，而顺、
横风向和扭矩向脉动风力都较大；紊流场对塔头模型平均力系数
影响很小，基本可以忽略。
３减振研究
输电塔线体系由于导线与输电塔的相互作用，形成了复杂的
空间耦联振动体系，其在强风作用下的动力反应较为显著，采取
有效的措施减小输电塔线体系的风致灾害已经引起工程界的广 泛重视。 陈亦等＿９ Ｊ以江阴长江大跨越输电线路塔为工程背景，采用多
个ＭＴＭＤ和粘弹性阻尼器（ＶＥＤ）对主塔架进行联合控制。计算
表明，输电线路塔在ＭＴＭＤ和ＶＥＤ联合控制下，减振效果良好，
ＶＥＤ的耗能效果显著且稳定，而ＭＴＭＤ在选取合适的阻尼比和 自振频率时也能起到明显的制振作用。
瞿伟廉等＿１ ０＿以合肥翡翠电视塔为工程背景，研究ＭＲ智能 阻尼器对电视塔结构风振反应的控制效果。计算实例结果分析
表明：ＭＲ智能阻尼器是高耸电视塔结构风振反应的一种十分有
效的半主动控制装置，两种控制策略都能起到很好的控制效果；
对结构位移的控制效果随着阻尼器刚度的增大而略有增长，对结
构加速度的控制效果则正好相反（见图２）。
图２ ＭＲ阻尼器的力学模型
陈波、郑瑾、瞿伟廉等ｌＩｉ Ｊ研究了输电塔线体系基于磁流变
（ＭＲ）阻尼器的风致振动控制问题。采用多自由度模型建立了输
电导线的动力分析模型，针对输电塔线体系的平面内振动和平面
外振动分别建立了塔线耦联体系的受控运动方程。并提出一种
固定增量半主动控制策略。数值分析表明，ＭＲ阻尼器有效地抑
制输电塔结构的风振反应：通过合理地选取ＭＲ阻尼器及可控
ＭＲ流体的参数，可以获得最佳的减振效果。
４研究展望 １）输电塔体系在使用过程中遇到各类荷载条件下的动力响
应不能做到及时监测，对于输电塔的安全有着十分重要的意义， 因此对于输电塔体系的健康监测也将是一个研究重点。
２）由于输电塔线体系的耦联关系的复杂性，目前国内外规范
有给出考虑导线和地线影响的输电塔抗震设计方法，研究在不同
地震动强度和不同场地条件下，考虑导线影响的输电塔间界限跨
度，总结出可供工程应用的简化抗震设计方法，是今后值得研究的
方向之一。 ３）在采用多自由度模型研究输电线的动力特性时，绝缘子的
合理简化模型及塔线体系的耦联影响究竟有多大等问题尚待进
一步研究。
４）由于输电线塔体系的耦联振动非常复杂，理论和试验研究
的紧密结合是解决这一问题的有效途径，根据输电塔一线体系的
耦合效应、强非线性以及动力荷载的空间相关性等特点，对单塔、
多塔一线体系进行气弹模型风洞试验，可测试其自振特性和揭示
其动力响应变化规律，得出不同风速作用下的风振响应特性，进 而推断导线对输电塔风振响应的影响大小和变化规律。
５）塔线体系的减振研究则有更多的工作尚待进行，已有研究
表明，悬吊质量摆和ＴＬＤ（或ＴＬＣＤ）的控制措施是减小高柔度结
构振动的经济而有效的方法。但大跨越输电塔与导线是空间耦
联的振动体系，与通常的高柔度结构有很大的不同，可专门进行
研究，现实上各类减振装置的设计制作和试验研究也有很多工作
亟待开展。
参考文献：
［１］ 王肇民．塔式结构［Ｍ］．北京：科学出版社，２００４． ［２］ 田利，李宏男．高压输电塔一线耦联体系的实用简化抗震
计算方法口］．振动与冲击，２００８（１ｏ）：２７．
［３］ 王昕，楼文娟，徐伟．雷暴冲击风对输电塔的作用特征
［Ｊ］．华中科技大学学报，２００８（１２）：２０—２１．
［４］邓洪洲，司瑞娟．特高压大跨越输电塔动力特性和风振响应 分析［Ｊ］．建筑科学与工程学报，２００８（１２）：２３—３０．
［５］ 沈国辉，何运祥，孙炳楠，等．绝缘子断裂对大跨越输电线路
的动力效应［Ｊ］．浙江大学学报，２００８（１１）：３５—３６． ［６］ 李宏男．国家自然科学基金项目“大跨越高压输电塔线体系
抗震研究”技术报告［Ｒ］．大连：大连理工大学，２００３．
［７］ 邓洪洲，朱松晔，陈晓明，等．大跨越输电塔线体系气弹模型
风洞试验［Ｊ］．同济大学学报，２００３，３１（２）：１３２—１３７．
［８］张庆华，顾 明，黄 鹏．典型输电塔塔头风力特性试验研
究［Ｊ］．振动工程学报，２００８（１０）：４５２—４５７．
［９］ 陈 亦．大跨越输电线路塔的振动控制［Ｊ］．特种结构，
２００１，１７（３）：４３—４６． ［１０］瞿伟廉，朱晓辉．两种半主动ＭＲ阻尼器对电视塔的风振
控制［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００５（１）：４４—４６．
［１１］ 陈波，郑瑾，瞿伟廉．基于磁流变阻尼器的大跨越输电
塔线体系风致振动控制［Ｊ］．振动与冲击，２００８（３）：７１．７４．
Ｒｅｓｅａｒｅｈ ０ｎ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ
ＸＩＥ Ｌｉｕ ＷＡＮＧ Ｊｕｎ ＨＵＡＮＧ Ｇａｏ－ｑｉｏｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｈａｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ
ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｅ ｓｙｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈｅ
ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｉｎ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｍｉｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｌｉｎｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ，ｗｉｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ，ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｔｅｓｔ，ｗｉｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ