Research Progress on Wind-Induced Collapse of Transmission Towers

输电塔作为电力输送的重要设施，承担着输电线路的支撑和稳定运行的重要功能。然而，输电塔风致倒塌破坏事故频频发生，给电力传输系统带来了严重的影响和损失。这些事故不仅会导致输电线路破坏，造成大面积停电，还会给周边环境和人员带来潜在的安全风险。总结了几例比较典型的风致倒塔事故，如表1所示。

此外，研究人员还对输电塔的设计规范开展了理论探讨。李敏生等^[9]对比了中国在1979、1990、2002和2012年4种版本中输电线路导地线风荷载计算方法，指出220 kV及以下输电线路的风荷载计算不采用导地线风荷载调整系数的规定严重低估了导地线风荷载。章东鸿等^[10]以理论知识为基础，推导了导地线风振系数的相关计算公式，并指出规范中导地线风荷载计算方法低估了导地线的阵风效应，导致其计算结果偏不安全。王振华^[11]研究了输电塔的体型系数和角度风荷载系数，并将中国规范与美国、欧洲、日本、澳洲、IEC规范进行对比，发现中国规范低估了角钢塔体型系数。

根据以上事故分析、规范对比及理论研究，可将事故发生的原因分为荷载因素和抗力因素，荷载因素包括自然环境中的环境荷载，突发性恶劣气象中的不确定性荷载等；抗力因素包括铁塔自身存在薄弱点，如铁塔部分杆件安全裕度不足等。除此之外，还存在输电塔设计标准偏低、相关技术研究存在局限性、输电线路设计时考虑不足等影响因素。

全尺寸真型试验是验证输电塔在特定荷载水平下力学性能的最可靠方法，它能完全反映实际结构的受力特性，实验结论可靠。但由于其成本过高，加载难度较大，试验周期长，真正完成全过程模拟试验且取得理想结果的较少。

Fu等^[12]制作了230 kV全尺寸直线塔，并对其设计了8种不同风荷载加载工况进行载荷试验，试验结果表明：塔架在工况8（90°极端风，过载）的条件下发生过载，约115%载荷水平下倒塌，且初始失效位置塔腿的失效概率为8.74%，其进入塑性状态的概率达到92.00%。Albermani等^[13]对275 kV双回路输电线路的新塔设计进行5种静态全横风荷载条件下塔架响应的非线性分析，研究表明：在荷载系数k = 0.96时，铁塔下部塔腿部分支撑构件屈曲，导致主材的屈曲，进而致使输电塔倒塌。Gao等^[14]对某输电塔进行了7种加载工况下的全尺寸试验，研究了铁塔的失效位置和关键部位的受力特点，试验加载完成后发现，位于塔腿与基础连接处的塔腿底部支撑构件，其刚度发生了明显的突变。第7种工况（45°过载风）的结果表明，试验塔受损的主要位置是塔腿上部第2段的主要构件。Liu等^[15]通过对比某输电塔的全尺寸试验的结果与唯象滞后模型（PHM）在ABAQUS中的模拟结果，验证了PHM的准确性和可靠性，同时，试验塔在0°极端风荷载工况下的试验结果表明，塔腿构件的屈曲破坏是输电塔倒塌的主要原因。

以上全尺寸真型试验的研究表明：塔身下部塔腿部分支撑构件的屈曲破坏可能是引起输电塔倒塌的主要原因之一。通过总结上述4类风致倒塔的真型试验，建议将塔腿构件列入输电塔薄弱点重点关注范围。在后续研究中，可进一步探讨如何加强该部分的支撑作用。

从经济性、合理性和方便性考虑，不便开展足尺模型研究。相比现场实测方法，风洞试验在研究时采用缩尺模型，在人员、物资和时间上均较为节省，同时也可以人为地调节和改善试验条件，因此具有较大的优势。此外，考虑到塔线体系中导线对输电塔的影响，学者们开展了对塔线模型的相关研究。郭勇等^[16]以某大跨越输电塔工程为研究对象，采用离散刚度法制作了塔线体系的气弹模型，进行了单塔和塔线体系的气弹模型风洞试验，对塔线体系的风振特性进行了研究，试验结果表明：塔线体系阻尼的增加将降低共振响应，而迎风面积的增大将大幅提高背景响应。谢强等^[17]按照气弹模型相似理论模拟了1000 kV同塔双回输电线路的五塔四线模型及其边界条件，研究比较了单塔和塔线体系在均匀流场和紊流场的风致响应，结果表明：相比单塔，塔线体系气动弹性模型的自振频率有所降低，但阻尼大幅度增加，且塔腿部位在紊流场的动力响应远大于均匀流场的静力响应。

除对导线影响作用的研究外，横风向、扭矩向的风荷载对输电塔的影响也引起了学者们的注意。楼文娟等^[18]按照相似准则制作了角钢输电塔的气弹模型，研究了角钢塔在台风风场下的风振特性，结果表明：除了塔身整体双向弯曲振动外，塔头还发生了明显的扭转振动，各工况下横担端部测点的加速度响应约为相近高度塔身的1.56～2.45倍。张庆华等^[19]采用高频天平测力风洞试验的方法，对多回路高压输电塔模型横担外伸长度等参数对体型系数的影响进行了研究，结果表明：在30°～45°风向角下横担结构的平均升力系数达到最大值，且横担的脉动风荷载在顺、横、扭方向都较大。横担外伸长度最大模型的最大升力系数接近−0.6，横担外伸长度最小模型的最大升力系数仅为−0.3。静风力主要以顺风向风力为主，而顺、横风向和扭矩向脉动风力值均不能忽略，但相关格构式输电塔结构规范中，均未考虑横、扭风向风力对结构的影响。

综上，风洞试验研究成果表明：输电塔自振频率受导线的影响较小，但塔线体系较单塔而言，其阻尼大幅增加；除受顺风向荷载影响外，输电塔还受横风向、扭矩向风荷载影响，但相关研究较为薄弱，建议增加该方面的研究。此外，楼文娟等^[20]设计制作了220 kV角钢输电塔的1∶2.5的刚性节段模型，在均匀湍流场中进行测压风洞试验，并将体型系数的试验值与国内规范相比较，结果表明：中国规范取值偏小，建议进一步完善。

随着大数据和信息技术的发展，数值模拟在输电塔设计及事故模拟中的应用越来越广泛，成为了设计优化的有效工具。它不仅能够节约输电塔设计的时间和成本，还能有效地模拟输电塔倒塌的过程，便于探究风致倒塌的原因及应对措施。

在输电塔风致倒塌事故中，风荷载是导致事故发生的主要因素。因此，从根源出发，模拟出实际事故中的风荷载模型，是提高输电塔抗风能力以有效规避灾难发生的方法之一。

根据建筑结构表面的风压积分，可以得到3种风力成分，即顺风向风力、横风向风力和风扭矩。顺风向效应在多数结构抗风设计中起着控制作用。通常将建（构）筑物所处的大气边界层中的来流风分为平均风和脉动风。在工程实际应用中，瞬时风速可看成平均风速和脉动风速的叠加。常用的风荷载计算方法有标准法（根据国家或地区的建筑风荷载标准进行计算）、风洞试验法和数值模拟法。数值模拟方法的优点相对较多，受到学者们的高度重视，并得到迅速发展。近年来，已有大部分学者对风荷载模型的模拟展开研究。张琳琳等^[21]基于功率谱密度函数的谱表现方法，采用Davenport谱生成了目标风场的脉动风速时程，并叠加相应位置处的平均风速，得到了目标场地的风场。冯康等^[22]利用考虑高度变化的Kaimal风速谱作为目标功率谱模拟输电塔的脉动风速时程，采用自回归模型的线性滤波法（AR法）模拟水平方向0°、45°和90°的风速时程。王炎铭^[23]利用MATLAB软件，采用谐波叠加法生成了脉动风速时程，并根据规范中规定的风速风载转换关系得到了风荷载时程。孟令星等^[24]利用Davenport功率风速谱，采用谐波叠加法模拟10 m高处的平均风速为30 m/s、40 m/s、50 m/s、55 m/s、60 m/s、65 m/s时，输电塔各高度处的脉动风速时程。可见，中国《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）中所采用的Davenport谱被广泛应用于脉动风风荷载模拟中，除此之外，还有Kaimal风速谱、Harris风速谱等。常见风速功率谱的特点整理如表2所示。

虽然有关风荷载模拟的研究较多，但有关超标准风荷载模拟的研究较少。张志强等^[25]采用极值III型威布尔分布推算出了当地50年重现期内的极值风速，并利用石沅台风风谱模拟了风速脉动风，研究了输电线路在台风作用下的抗风性能。An等^[26]应用改进的遗传算法（IGA）求解台风风场模型。Snaiki等^[27]基于一个先进的物理学飓风模拟模型，提出了一个混合风险响应、数据驱动和物理信息的框架，用于评估几种气候情景下飓风对脆弱地区和社区输电线路造成的损害。El Damatty等^[28]针对如何模拟F2级龙卷风对格构式直线塔结构临界作用的荷载工况展开研究，开发并验证了相应的模拟程序。Zhu^[29]等提出了一种新的输电塔在下击暴流下的易损性分析框架，可预测风灾，改善输电塔抗风设计。朱晓虎等^[30]指出，结构设计规范中尚无下击暴流强风荷载的设计方法。而杨风利等^[31]采用Vicroy风速剖面模型，计算得到了内陆和沿海地区典型输电塔在下击暴流作用下的风荷载，为下击暴流设计规范的计算提供了参考。

另外，与风洞试验的研究方向相似，部分学者指出，风荷载模型的研究还需考虑其横风向特征等其他因素。王荣鹏等^[32]研究了角钢输电塔在侧向横风作用下的动力响应问题，发现输电塔在侧向横风作用下将同时产生侧向和纵向的风致振动，其中侧向振动峰值要明显大于纵向振动峰值。吕洪坤等^[6]总结得出，对有长横担结构等横向结构特征明显的输电塔进行风致响应分析，应考虑风速水平向空间相关性的影响。

综上，风荷载模型的研究众多，其中，脉动风模拟大多采用Davenport风谱，模拟方法常采用谐波叠加法或线性滤波法。但是，超标准风荷载的相关研究相对较少，且无相关设计规范。极端天气高发区的天气状况等因素也与普通地区不同，因此，极端天气多发地区输电塔的设计需根据当地的具体情况来定，后续的研究可针对超标准大风的风荷载模拟、设计方法等展开。关于具体的风荷载模型是否需要考虑除顺风向以外的其他因素，还需根据实际情况进一步探讨。为方便研究，总结了典型超标准大风的定义及特征^{[1, 30]}，供后续研究参考，如表3所示。

铁塔模型的模拟是研究输电塔风致倒塌内因不可或缺的一步。传统的有限元软件有ANSYS、ABAQUS、NASTRAN，SAP等，除传统有限元方法之外，普渡大学丁承先教授等提出了基于向量力学的有限元模拟方法。卢哲刚等^[33]概述了向量式有限元的基本原理和有关计算步骤，并比较归纳了向量式有限元与传统有限元方法的不同之处。姚旦等^[34]以某大跨越格构式输电塔为例，进行向量有限元的风致响应分析，并将其所得结果与传统有限元计算所得结果进行比较，研究表明：向量式有限元法的计算效率比传统有限元高，该文算例中计算时间相差约20倍，建议可以使用向量式有限元求解输电塔的倒塌问题。

常用的2类模拟输电塔的有限元软件及其常用模拟单元、单元特点和可模拟部件如表4整理所示^{[3, 21, 24, 35-37]}。针对模拟的单元，陈建稳等^[35]以某典型输电塔为背景，采用数值分析方法，进行了梁杆混合模型与梁模型的建模，并对计算结果进行了对比分析，研究表明：同一工况下梁杆混合模型与刚架模型的轴力、应力结果相应之比集中在1.002～1.020区间内，可见梁杆混合模型受力结果稍大于刚架模型，混合模型结构设计偏于安全。吕洪坤等^[6]基于该研究总结得出，采用杆单元模拟输电塔结构的主斜材，其精度较差；对输电塔模型采用全梁单元，其刚度偏大。因此，在建立输电塔模型时，可采用梁杆混合模型，即对需要承受弯矩和扭矩的主、斜材使用梁单元进行模拟，对只承受轴向作用的辅助材使用杆单元进行模拟，可满足实际工程需要。大部分学者均采用该方法对输电塔模型进行模拟研究，至于采用何种软件的何种单元能最大程度地模拟出实际的输电塔模型，还有待进一步的研究确认。

除此之外，针对铁塔某部分受力性能的研究，在模拟时可采用实体单元。例如，输电塔结构加固的有限元模型可采用多尺度模型，即对重点关注的杆件采用更精细的实体单元建模，其余杆件仍保留原来的梁、杆单元。李军阔等^[38]针对输电塔的失效模式，提出了一种输电塔无损加固方案，并采用多尺度模型对加固前后主材的轴压承载力进行了数值模拟。

在数值模拟中，主、斜材以及辅助材与主、斜材之间的连接均为刚性连接，辅材间的连接为铰接。但在实际模型中，输电塔和钢结构的节点连接均属于半刚性连接范畴^[35]。陈廷君等^[39]对比了杆塔主要杆件受力的理论计算结果与试验实测值，研究表明，应力值较小时，部分测点实测值与理论计算相对误差较大，由此分析得出，理论计算时节点统一视为铰接，导致实际传力与理论计算有一定的差异，实测应变和计算值存在差异。因此，钱程等^[40]围绕单元之间的半刚性模拟方式对输电塔风致响应模拟计算的影响展开研究，发现对于最大弯矩和最大扭矩，在铰接体系时为0，对于刚接体系时最大，研究表明：节点转动刚度对输电塔弯矩和扭矩的影响较大。因此，在输电塔的有限元建模中，建议对节点进行半刚性连接的建模，以提高计算精度。

综上，除了采用传统有限元方法模拟输电塔，还可以采用向量式有限元方法，其计算效率优于传统有限元；模拟输电塔时，建议采用梁杆混合模型进行模拟，并考虑单元节点的半刚性连接。有关输电塔模型模拟优化的文献较少，如何模拟出与实际输电塔更相符合的模型，还有待进一步探讨研究。

现行规范下，输电塔在设计时规定的风振系数，除了能满足弹性阶段输电塔构件在脉动风作用下的应力响应，还能准确评估输电塔的位移响应。但是，规范采用风振系数的拟静力方法不能全面反映脉动风对输电塔的动力响应^[41]。因此，学者们对输电线路开展了动力分析，包括单塔模型和塔线体系模型。

1）单塔模型

传统研究中，研究人员多采用单塔模型分析输电塔风振特性。姚旦等^[34]采用向量式有限元建立单塔模型，研究其在突加脉动风荷载作用下的倒塌过程，研究表明：倒塌原因为输电塔背风面中下部斜材受压失稳变形。Li等^[42]采用增量动力分析和显式时间积分算法对单塔模型进行连续倒塌分析，研究表明：输电塔倒塌是从腰部附近的水平支撑构件开始。宋子良等^[43]利用有限元软件ABAQUS对35 kV输电塔模型在风速为40 m/s，施加90°风向角的荷载条件下进行数值模拟，研究表明：塔脚与塔身连接处背风面主材易发生失稳破坏。单塔模型风致倒塌的原因主要是自身杆件失稳破坏，且不排除输电塔设计时考虑不足等情况。Patil等^[44]采用东北NASTRAN有限元软件对400 kV S/C卧式结构杆塔进行了建模和分析，研究表明：系统中部分区域存在几何不稳定性，且存在塔架设计时考虑不周的可能。宋雪祺等^[45]采用谱分析方法分析了高阶振型对4个典型大跨越输电塔位移和基底剪力的影响，研究表明：塔的扭转振型对塔架位移响应贡献很小，对于特高压大跨越塔，高阶振型对于塔的基底剪力影响较大，风振响应计算时应至少考虑二阶弯曲振型的贡献。张庆华等^[46]以500 kV单回路酒杯型输电塔为例，将规范计算所得风荷载与风洞测力试验所测风荷载进行比较，并计算结构的风致响应，对比分析得出，随着线路安全等级的提高，等效静力风荷载可能偏于不安全。Vettoretto等^[47]对单塔模型进行的线性分析和非线性缺陷分析，结果表明：经受过大的风力就可能导致输电塔的倒塌，认为在输电塔建造时未充分考虑当地条件的精确荷载假设。

2）塔线体系模型

以上研究均以单塔模型为主，忽略了输电线的作用。在输电线路设计过程中，风荷载一般按静力风考虑，但脉动风作用下铁塔与导线之间的动力耦合作用无法被完全忽视。因此，研究一定风荷载作用下塔线体系的风振响应十分重要。学者针对不同的风荷载模型与塔线体系模型的组合开展了大量研究。

金传领等^[48]以江苏东台35 kV倒塌输电塔为研究对象，建立了单塔及塔线体系模型，并分别进行模态分析、瞬态响应分析及屈曲分析，结果表明：塔线体系的最大拉应力、最大压应力、最大位移较单塔而言，分别增加了23.01%、37.84%和44.02%，即导线对输电塔在台风荷载下的位移响应影响最大。李小芳等^[5]利用ANSYS对ZM4输电塔线体系模型施加了垂直线路90°的风荷载，研究表明：塔身中下部斜材为其薄弱环节，同时认为导线在强台风荷载作用下的剧烈摆动导致输电塔与导线间的耦合作用增大，对输电塔结构抗风能力造成了很大影响。毕文哲等^[37]研究的是下击暴流作用下的一塔两线模型，并得出了输电线的强烈舞动引起大量斜材和少量主材相继发生屈曲是输电塔倒塌的主要原因的结论。伍川等^[49]利用ANSYS有限元软件建立了塔线体系的三维精细化模型，通过施加不同工况的风荷载，对输电塔进行有限元分析，结果表明：输电塔的薄弱杆件位于塔身和塔腿的部分单元。朱云祥等^[3]分析了0°和90°风向角下单塔和塔线体系输电塔的风振效应，研究得出单塔和塔线体系的输电塔的风振系数均远远大于设计规范值，90°风向角下塔线体系输电塔顶的位移风振系数达到3.025，远超规范推荐的1.456。在后续研究中要进一步重视塔线体系中导、地线的耦合效应分析。张志强等^[25]利用石沅台风风谱模拟脉动风作用，同时采用推算的15年重现期风速，进行静风等效作用求解，将两个风荷载分别加到所建的一塔两线模型上，对比两者结果得出：输电塔采用静风等效作用进行设计很可能导致构件受压失稳。因此，输电塔在设计时需考虑脉动风的放大作用。张琳琳等^[21]采用ANSYS建立了三塔两线模型，利用Davenport谱生成目标风场，对模型进行抗风动力响应分析，结果表明：塔线体系中输电塔顺风向最大位移及最大轴向压应力较规范拟静力分析均明显增加，即中国现行输电塔抗风设计方法有待进一步改进。贺博等^[36]对比了塔线体系模型在0°、45°、60°和90°风向角理论与数值静力响应分析的结果，研究表明：相比规范拟静力结果，铁塔位移增大约3%，最大轴向压应力增加约4%，计算结果较实际规范有所增加，认为现行铁塔的抗风设计规范存在一定的局限性。张庆华等^[50]基于高频测力天平风洞试验的结果，采用模态叠加法，计算了500 kV单回路酒杯型输电塔的风致响应。结果表明：输电塔结构顺风向和横风向脉动位移响应、加速度和基底弯矩值都较大，横风向响应值甚至大于顺风向。Deng等^[51]将格构式悬垂塔的缩尺模型简化为等效质量-梁-索系统，并在塔架和导线上施加准稳态空间风力，实现了数值模拟，结果表明：对于不带导线的塔，动态加速度在均方根值或频谱含量方面均不会随入射角发生显著变化；对于带导线的塔，导线上的纵向力与横向力有很大不同，由于导线的额外作用，塔架的动态加速度在不同轴线和不同风力作用下表现出不同的特征。

综上，在脉动风作用下导线与输电塔之间的动力耦合作用明显，导线对塔架的风振响应及动态加速度的影响较大，因此，在进行倒塌模拟研究时，建议采用塔线体系进行模拟研究。

总的来说，人们对输电塔风致倒塌破坏的原因、影响因素、倒塌过程等进行了大量的试验研究和数值模拟，并取得了丰硕的研究成果，得到了不少有助于实际工程发展的研究结论，总结如下：

1）风致倒塌事故发生的原因分为荷载因素和抗力因素，荷载因素包括自然环境中的环境荷载，突发性恶劣气象中的不确定性荷载等；抗力因素包括铁塔自身存在薄弱构件等。除此之外，还存在输电塔设计标准较低、相关技术研究存在局限性、输电线路设计时考虑不足等影响因素。

2）全尺寸真型试验是反映输电塔在特定荷载水平下力学性能的最可靠方法，在条件允许的情况下，可采用全尺寸真型试验的方法进行研究。塔身下部塔腿部分的构件屈曲可能是引起输电塔倒塌的主要原因之一，建议将塔腿构件列入输电塔薄弱点重点关注范围。在后续研究中，可进一步探讨如何对塔腿构件进行加强。

3）除受顺风向荷载影响外，输电塔还受横风向、扭矩向风荷载影响，但相关研究较少，需对这方面进行深入研究。

4）对风荷载模型的研究较多，但有关超标准大风风荷载模拟的研究较少，且无相关设计规范。极端天气多发地区输电塔的设计需根据当地的具体情况来定，建议后续可针对极端天气的风荷载模拟、设计计算方法等开展研究。

5）除传统有限元模拟方法外，可采用向量式有限元方法进行模拟。建议采用梁杆混合模型，节点采用半刚性连接，更贴合工程实际。但针对采用何种软件的何种单元能最大程度地模拟出实际的单塔或塔线模型，还有待进一步的深入研究。

6）在结构风振响应及动力分析方面，导线对于输电塔的动力作用不容忽视。在单塔及塔线体系模型模拟方面，采用塔线体系进行研究更贴合实际。目前脉动风作用下的塔线体系风振动力响应研究较多，有关极端天气下风致倒塌的模拟研究相对匮乏。此外，单塔模型的高阶振型影响，以及塔线模型的风向角影响是不容忽视的因素，有待进一步研究。