【研 究 論 文
l
UDC :624.
97 :624.
042.
7;620.
1 日 本 建 築学 会構造 系 踰文 報 告 集 第 353 号・
昭和 60 年7 月多
ス
パ
ン
鉄
塔
一
送
電 線
系
の
動
的
応
答 特性
に
関
す
る
研
究
正 会 員 正 会 員 正 会 員小
前
牧
園
田
野茂
潤
平
*滋
* *稔
* * * §1.
序近 年
,UHV
(Ultra
High
Voltage
>鉄 塔などの ように送 電 容量の 増 加に伴 う 送 電 線荷 重の増 大や鉄 塔 本 体の 大 型 化が見ら れ る が, この よ う な傾 向は鉄 塔
一
送 電 線 系 の力 学 的挙動に少な か らず 影 響 を 及ぽ すこ とが予 測 され る。 送 電線 単体 (あ るい は ケー
ブル )や 鉄 塔 単 体の力 学 的 特性につ い ては多くの 研 究1)・
eL3)が あるが,
鉄 塔一
送 電 線 の連 成 系に関す る報 告は少な く未 解明の部分が多い。
例え ば,
送 電線架 設の前後で鉄塔 (特に耐 張 型 鉄 塔 ) の常 時 微 動 計 測を す る と,
架 設 後の塔体変位 等の パ ワー
スペ ク トル に は架 設 前 (鉄塔 単体 ) とは異 なっ た ピー
ク が発 生 する な ど明ら かに送 電 線付加の 影響と 思 わ れ る実 測デー
タ の報 告3),
4 }が あ る が,
現 在の所その メ カニ ズム は 十 分に は明 らか にされ て い な い。本研究の 目的は こ れ ら多ス パ ン鉄 塔
一
送 電 線 系の 基本 的な動 的 応 答 特 性 を 解 明 することで あ り,一
直線上に配 列され た均 等ス パ ン の単 純なモデル に つ い て解 析す る。
送 電 線は曲 げ剛 性が微 弱で,
引 張 力によ る幾何 学 的 非 線 型 剛性が支 配的な構 造で あ る。
そ の力学的挙 動は複 雑 で あり,
解 析 手 法に工夫を要す る。
これ まで の研 究では,
i
)送 電 線 部 を多 質 点 系に離散化し,有 限 要素法 (変 位 法 )で解く4L5 ) 。 「i
) 送電 線部を周波数依 存の等 価バネに置 換し て解 く6)・
1) 。 な どの手法 が 試 み ら れて い る。
i
)の手 法は, 解 析 精 度 を上げる目的で過 度に細かい離 散 化 をするとマ トリック ス サ イ ズ が巨 大 化し, 計 算 労 力が増す割に必 要な情 報が 得に くい欠 点 が ある。
岩 間ら5)の 手 法は送 電 線 を 多 質 点 系に離散 化す る点で の に属す る が,
自 由 度の低 減をは か る ため連 成 系の周 波 数 応 答 関数 を求め,
フー
リエ 変換 により応 答 計 算を行っ てい る。 しか し, こ の手法で は支 本 論の一
部は昭 和59年10月日本 建 築 学 会 大 会に発 表 t 九州 大 学 応用力学 研究所 助 手・
工修 t# 九 州 大学 助 手・
工博 # # 〇 九 州 大 学 教 授・
工 博 (昭 和59年12月7日 原 稿 受 理 日,
昭 相60年3月7日改 訂 原稿 受 理日,
討 論 期 限 昭 和 60年10 月 末 日 } 配 的 振 動モー
ドの 選択 基 準が ない。
これ に対 し, 小 坪 ら6}・
71はの の手法 を採 用し,
送 電線応 答の支 配 的なモー
ドを 選 択 す る基準 を 示 し,
地 震 入 力に対し自 由 度を低 減 でき る興 昧深い手法 を述べ てい る。
こ の手 法に基づ き数 例の 鉄 塔一
送 電 線 系の解 析 を行っ てい る が,
地 震 波 を 外 力とし てい る の で低 周 波 数 域で の振 動モー
ドを求めるに と ど めて い る。 ま た,
こ の 手 法では送 電 線 部に作 用す る 風 荷 重による応 答は計 算し が たい。 本 報で はネッ ト構 造に対 し て開 発さ れた混 合 法8L9 ),
101 を解 析手 法 として採 用 する。
こ の手 法は変 位 法 同 様,
マ ト リックス法に属するが, 変 位 法 と 異な り変 位一
ひずみ 関 係が 省 略され る こ と な く厳 密に 取 り扱え る9 )。
し た がっ て幾 何 学 的 非 線 型 剛性 が, 部 材 分 割 数 を 少な く して も, 精 度 良く求まる こと が期 待しうる。 そ こ で モ デ ル の単 純 化に際し て は,
解 析 精 度を損わな いよ うに送 電 線 要 素 分 割 数を最 小 限にお さ え ること と す る。 最 初に要 素 分割数の精度に及ぼ す影響を検 討す る。 次に,
こ の手法を単純なモ デル に適用 し,
固有値 解 析 お よ び周 波 数 応 答 解析を行い, 送電線 付加が 鉄塔 単体の 動 的応答特性に 及 ぼ す影 響 を検討す る。
特に, 単体 鉄 塔 の固有周波数近傍に連 成 系 鉄塔の固有周 波 数がばらつ く 現 象に着 目し,
その メカニ ズム を考 察す る。 な お,ス パン直 角 方 向の挙 動や碍 子 連,
多 回 線,径 間 差,
高 低 差,
水平角 等の影 響 も重 要な課 題で あるが,
本 研 究 では系の基本性状の把握を 目的と し てお り, こ れ ら因子 を すべ て捨 象し ,一
直線上に配 列 さ れ た均等スパ ンの面 内 振 動に 限 定して論じ た。
§2.
混 合 法に よる蓮 成 系の運 動 方 程 式 2・
−
1 連 成 系の静 的つ り合い状 態 送 電 線 部は その変形 挙動におい て幾 何 学的非線型性が 支 配 的であ るの で棒 要素を用いた 混合 法s)・
s )・
101を適用 す る。 こ こで は連 成系の解析手 法を述べ る ことが 目的であ るの で,
混 合法自体は簡単に述べ る。 解 析の展 開にあ たっ て は 次の 仮 定 を お く。
1} 鉄 塔 部の変位は線型範囲 と す る。
2
) 送 電 線お よ び鉄塔は面 内 振 動 を行 う。 な お, こ の手法の 3次 元 解 析へ の拡 張は本 節を参 考に容一
48
一
NII-Electronic Library Service 易に行え る。 送 電線お よ び 鉄塔の各節点 変位ベ ク トル を両者の 境 界 節 点と その他の 内部 節 点とに分けて次の ようにお く。 C Tow Uf Us
uc
−
,
uT°w= …・
・
〔1) UB Ut こ こ に,
uf ;送 電 線の内部節 点変位ベ ク トル 麗
1
°
ω
;鉄 塔の内部節 点 変位ベ ク トル UH ;送 電線と鉄 塔の境界節点変位ベ ク トル 混 合 法8}・
9)に よ ると,
送 電 線 をm 個の棒 要素で モデル 化 し た場 合の静 的つ り合い状 態を求める式は次の よ うに な る。
.
か
詈
籌
一F
呂一
・(・− 1,
・,…,
・)……
(2−
a}a
・(uc・一
素
島一
・ ・β一
1,
・,
…,
m )一
(2−
・) こ こ に,Pp
;部材軸力,
F
&;節点 外力,
L
, ;部 材 長,
EAo
;部 材 軸剛性,
m ;部材 数,
n ;自 由度で あ る 。 送 電 線 自重は外 力 と し てFE
に算 入 す る。
δ, は 部 材の 伸 び を示し次 式で表され る。
δe(uc)
=
1
(x
、−
xL十 u 詈一
uf ) ! 十(Yz2Y1
十 v詈一
vf)21巷 こ こ に,
一
KX2
−
XL)3 十〔 y2一
γ且)ユ 2 }T…・
・
……・
・
(3) X‘,
Yti初 期 仮 定 座 標 包9
,
v負 変 位一
方,
鉄 塔 部 材は は り要 素で近 似し,
式 (1)に対応 して次の よ うに剛性 方 程 式 を 構 成し た。 Ut T°
w Fr Tew o 〔K
「° り…
=
一
.
.
+…
こ こ に,
Us Fn P,・
・
…
r7
…
(4)K
τ゜ 丗 ;鉄 塔 部 剛性マ ト リッ クス 所 ゜ 巴鉄 塔 内 部節点 荷 重ベ ク トル 鵐側
;境 界 節 点 荷 重ベ ク トルP
,;送 電 線か ら加わ る静 的 外 力ベ クトル (F
‘曜
は P,以 外の荷 重を示す。
) 通常の 混 合 法では式 (2) をNewton−
Raphson 法で 解く だ けであるが,
こ こ で は式 (4} を連 立し鉄 塔 部と の連 成 を考 慮 し な けれ ば な ら ない。
そ こ で, 境 界 変 位の 適 合条 件 を用い以 下の アル ゴ ルズム で解いた。
第i
ス テッ プの近 似 解をuC[il,
pm ,
修 正ベ ク トル をAuc
[i],
AP
エeと す る と, 式 (2
)よ り次 式が導かれ る 9)。
〔
Al, iA ,2AlliAt2
〕掛
麟
… こ こ に,
Alt
;棒要 素の幾何 学 的 非線型 剛 性マ ト リッ ク スe A、
1;節 点変 位と部 材 変 形の 関 係を表す 変 位一
ひずみマ トリッ クス で,
変 形 後の部 材 軸 の方向余弦を要 素とす る。
An ;変 形後に お け るつ り合い マ トリッ ク ス で,
A,2=
ASl A、,;構 成 方 程 式の係 数を表すマ ト リッ クス で,
次の ような対 角マ トリッ クス であ る。
.
422=
じ一
IL
βノ(E
渦β)L
〕i
) uCliJ か ら送 電 線 部 材 軸 力P
「i〕 を求め る。
iD
式 (4)の鉄 塔の剛性 方程 式UiT
°
vai] 〆F7
σ ωo
〔
KTow
〕.
.
.
一
一
一
=
一
一
t−・
一
十
一
一
一
・
・
・
・
・
…
(4 )
’
ux]FE °
w P, のPe
が r )で既 知 と な るの で 麗髫〕’
が求まる。
i
の境界 節点変位の修 正ベ ク トル ム醪 を次 式よ り求 め る。 嘘L α顕』 4μ1‘1
・
…・
・
・
………・
…・
…・
…・
…・
・
…
(6
)iv
)式 (5)にi
の で既 知とな っ た △曜 を代入 し,
△麗押 を求め る。 V ) 第 (i
+ユ)ステッ プの uc[t+v を 次式よ り求め る。
uc“
+
U= ucu〕 +AuCti)・
………・
………tt………・
(7 ) 以 下, i
)〜
v )の手 順を繰 り返 し,
11Auell
=o
と な る まで収 束 さ せて,
静的つ り合い状 態を求め る。
2−
2 連 成系の運 動方 程 式 送 電 線 部の運 動 方 程式 を まず 作 成する。 送 電 線の静 的 つ り合い状 態で の変位,
軸 力,
荷 重 を uSC,
PS,
FSC とし,
動 的つ り合い状態で の変位,
軸力,
慣 性 力 を含 めた外 力 を 各々 use+dC,
ps
+ ρ,
Fsc
+fC−
mcdc 〈f;外 力 } と し, 式 〔2
)の対 応す る各 項に代 入し,
軸 力 を消 去す る と次 式が求ま る10)。
魚
讐
∂勗(蠧
d9 躍 ・d
・ )一
(F
含c十f8
−
Med 呂);
O・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(8) (a= 1,
2,
…,
n) 式 (8
)を usc でTaylor
展 開し,
静 的つ り合い式 (2) を代入 して整理 す る と次のよ うに な る。〔
MC
〕髭dCI
十〔i
【C〕idCI
十1
「(dC
>=
ifCI
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
〔9)ここ に
,
〔
K
・ ]一
鵬 〕一
〔
爵
警
(
誓
鰐
躍 )+ ∂
響
)∂響
)
〕
・
…・
一 ・
……・
(1
・)V
{dC
);dC
に関す る2
次 以上の項。 式 (10
)の第1
項は幾 何 学 的 非 線 型 剛 性 (式 (5)の 通の,
第2項は弾 性剛性にそ れ ぞ れ対 応し て い る。
微 小変位を仮定す る と,r
(dC
)= e とみな しうる の で 静 的つ り合い位 置 近 傍での 振 動を支配 す る方程 式は次の一
49
一
N工 工一
Eleotronio Libraryように な る
。
盪’ C
OfI
c 〔S
曜c)一
・
・
十[KC)…
=
lf
,1
……・
・
………
(11
)de
輪一
方,
鉄 塔の運 動 方 程 式 を一
般 的にdeT
°w d, 「°w 〔1ilaTett
{〕・
一
・
+〔K7° つ・
・
一
=
1
’7脚
i
・
…
(12) 幽 面 と仮 定す る。 境 界 節 点 変位は dS=
鵡σ
四…………・
・
t−…・
…一 ・
……・
・
…・
・
…
(]3) だ か ら,
式 (11
),
(12) を 重ね合わせ る と,
連 成 系の運 動方程式吻c+ 「°
nttc
’ 「e「u +〔KC+ 「°e
dC・ 「・ ω=
膨 +7 四・
一・
…
一一・
・
・
…
一・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
9
(14 } が得ら れ る。
こ こ に,
添字 c+To
ω は鉄塔部と送電線 部 を重畳 し た もの を示し,dC
+
「°ω
は,
ゴ7
ぜc+Tow = 礎6・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
一
一
tt・
・
・
…
tt
・
・
tt・
(15 )Cl1
°w と おいたもの である。 2−
3 変 位お よび張 力の周 波 数 応 答関数 こ こ では,
式 (14)の運 動 方 程 式に減 衰 項 を 加えた次 式を考え る。〔
uaC
’ 「° つdic
+T・w +〔c・ +T° 円 δc+T・w 十〔KC
“ 「°uO dC“ 「°w=
lfC
+T°Wi…・
…・
・
………
(】6
) 式 (16)の定 常 応 答 解を求める ため 」ρc+ 「o”→ ∬e」ω眞…
7r・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
一・
・
一・
…
(17−
a) ぜ‘ ÷「脚→
儡(ω)〜ω・
…・
・
…一 ・
…一 ・
…・
・
(17−b
) (1
;単位マ トリッ ク ス,
ノ;虚 数 単 位 } と お く と,
連 成 系の変 位の周 波 数 応 答 関数マ トリックス 刪ω)が次の よ うに求ま る。 烈 ω)=
1
〔KC
’Tew〕+ノω〔c
σ +T° 門一
げ 〔i
)ffC
+
「° 吻i
’
”・
・
…
−9・
・
・
・
…
9・
・
・
・
・
・
・
・
…
9曁
…
(ユ8}一
方,
送 電線 部の動的つ り合い状態にお け る変 位 (uC s +dC
)と軸 力 (pcs
+プ )を式 (2−b
)の対応する各 項 に代入 す る と 次 式 を得る。
L
,δ・(ucs+
d‘
)』
瓦
(pss
+P呂)=o
(β=
1t2,
…
,
肌 )・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
一・
・
tt・
・
(19) 式 (19
) をcacsに関し て Taylor展 開 し,
静 的つ り合い 式 (2−b
)を代入 し て整 理す ると 次式 を得る。
・葺
一
勢
薯
∂響
)df
表一1
鉄塔モ デル 特性値=
1▼
2,
卩
・
・
,
m >・
・
・
・
・
・
…
tt・
・
…
’
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(20 ) こ の式 をマ ト リッ クス表 示す る と,
次の よ うにな る。・
・
一〔
警
〕
ん 1睥 ・・
……・
一 ・
…・
………
(・・) こ こ・,… ,(・ CSI−
〔
∂δβ(ucs> ∂Ui〕
・ あ・,
・ れ ・式 ・・) で定 義さ れ た変 位一
ひずみマ トリック スで あ る。
し た がっ て,
送 電 線 張 力の周 波 数 応 答 関 数マ トリッ クスff5
(ω} は式 (ユ8)の 定 常 解を式 (21)に代入 し,
次 式の よ う にな る。HS
(・)一
〔
警
」
轟1(柵 ・)・
……・
・
………
(22
) こ こ に,
齡 (の は変 位dC
に対 応 する周 波 数 応 答 関 数マ ト リッ クス である。
§3,
解 析モデル の設 定 3−
1 解 析モデル ま ず 図一
1 (a)に示す骨 組 を 持つ 鉄 塔を 図一1
(b
) の質 点 系モ デル に置 換す る。
表一
ユ に そ の特性値を示す。
その振 動モー
ドを 図一
1 (c)に,
固有 周 波 数 を表一
2に 示 す。 こ の鉄 塔を一
直線上に配 置し,
各 鉄 塔 最 上 部 質 点 問 を送 電 線で連 結 す る。
本 報で は耐張型鉄 塔をモ デル化 の対 象と してお り 送 電線と 鉄塔間を直 結す る。 送 電 線は鋼心 アル ミ撚線ACSR
240
(単位長重量 λ=
O.
011]kg
/cm,
軸剛性EA
= 2702.
2 ton) を 想 定 す る。
日 頃 ぴ.
ひ い「
12 〔a) 骨組図 345 × 丶、
〆
\
! 曳 \ 丶 6−
lst−一
一
一
一
2nd− ・
−
3rd Nass No.
1 2 34
56
Hei ht(m)55 .
548
.
6841
.
5534。
4727
.
3419
.
02
Weigh し(し)3 .321
。
292.
592.
113.
083.
38 !’
丶\
〉
ノ
ノ
(b) 質点系モ デ ル {C) 振 動モ デル 図一
1 鉄 塔 単 体モ デル 表一
2 鉄塔単体固有周波 数Tower
Mode
No
。f
[
Hz
]
1
1
。
37
2
4
。55
3
9
。31
4
16
。
29
5
21
。
95
6
26
。
37
一
50
一
NII-Electronic Library Service L
L
一
(a)Model A L L一
『
一
一
(b) Model B 図一
2 連 成 系モ デ ル パ ラメー
タ と して の送 電 線 本 数H
はこの ACSR240
の 本数に相当す る が,
解 析に際して は 1本の断 面 積と単 位 長 重 量 を と もにH
倍 し て一
括して処理 する。
し た がっ て,
実 質的に は鉄塔間 を1
本の送 電 線で連 結さ せ ること にな る。
実 際の連 成 系は多数の連 続ス パ ンか ら な る が,
実 用上 適切 な モデルがいか な るものであるか を検 討す る ため図一2
に示す よ う な2種 類の モ デル を設 定する。
系の両 端 を 固 定 し た もの を 「モデルA
」,
鉄 塔 支 持したものを 「モ デルB
」と す る。
以後の計算では, こ の両モ デル に関し,
送電線の分 割 数N ,
サ グ比γ,
送 電 線 本 数H ,
スパ ン 数S
等の パ ラメー
タの影 響 を検 討する。
多数の モ デル を整理 する ために モデル の条 件をコー
ド 化し,
/ ◎ / ◎ /o
と 四つ の条 件 を/で区 切っ て表 示す る。 こ こ に,
;モデル の種 類,
形状を示す。
◎;サグ比 γを示す。 (例:7=0,
05
の時 「05
」) ◎;S ,M ,L
とか き各々送電線本 数H =
1,
5,ユ0を表 す。
IX,
y ,
Z
と か き各々送電線分割数N
; 5 , 10,
20を表す。
ス パ ン数S
は偶 数 個に と り,
主に中央鉄塔の挙動に 着 目する。
以 下に,
モデル A,
B で用いた仮定を列 記す る。
1) 無 応 力 時の送 電 線の初 期 仮 定 形 状を カ テナリ
ー
曲 線とする。 2) 各ス パ ンの送 電 線 の 水平射影長さ を 1V等 分し節 点を決め,
節点間の曲線分の 自重を各 節 点に半 分ず つ ふ り分 ける。
/ が いし 3) 連 結 部 碍子, スペー
サー
等 の付 属 物は無 視する。
4) 支持点 間に傾斜角は なく す べ て同レベ ルと す る。
5) ス パ ン長 L とし て標 準 的 な L=
300m を 用い全スパ ン均等 にする。
通 常,
使 用さ れてい るサグ比 と は送電 線がつ り合っ た後の中 央 点 垂れ下がり量とス パ ン長の比を意 味す る。
し か し,
本 解 析で用いる 混合法では送 電 線 自重 を加え た後 に静 的つ り合い形 状が決 定しサグ 比は未 知 量と して取り扱わ れ る。
そ こ で本 報で は,
つ り合い前の無 応 力 状 態でカテナ リー
曲 線 形 状 を 仮 定 し,
その垂れ下が り量とス パ ン長の比 を もっ てサ グ 比 とし以後 の 計算を整 理し た。 特に通 常の意 味の サグ比を考え る時は 「つ り合い後のサ グ比 」とこと わ るこ とにす る。
3−
2 送 電線分割数の検討 解 析 精 度 を損わ ない よ う な必 要最小限の離 散化 の規準 を 得る ために,
送 電 線分割数に対す る解の収束性 を 以下 の ように検 討し た。
図一
3,
4は それ ぞれ両 端 固 定送電線の中央 点鉛直撓 み Vmid お よ び材 端 張 力に及 ぼ す 部材分 割 数の影響を 示 すもの である。
サ グ比 γ=
0.
02,
0.
05,
0.
10につ い て 検 討し,
すべ て6
分 割 前 後で収束す ること が分か る。 図一
4の 印はつ り 合い 後のサグ比に対 応 す る カ テ ナ リー
解の材 端 張 力 を示す もの で十 分に収 束し た 混合 法によ る(
も
H ・ミ
( o岩
) 〉)
ぢ
Φ 日8
轄冠
。。苫
7.
6.
5 .
21
Y =0.
02 o 246810 20 Number of elements 図一
3 中 央 点 鉛 直撓みに及ぽす 部材 分 割 数の影 響一 51 一
N工 工一
Eleotronio Library2
.
(
口 o ご 1qOH ω 昌 Φ 0.
15.
(
N 国)
10 あ O 口 O 耳 σ の H 網F
) H 郎 H , ρ 国 e.
246810 20Number of elements
図
一
4 材 端 張 力に及 ぼ す 部 材 分 割 数の影 響 (○;混合 法,
;カテ ナ リー
理論解〕一
〇 b冖
冖
一
一
「
O σ一
幽
一
α o一
一
〇 15.
M。del AR
I=
O・
05 巴 H≡
53
岳10・
a_
−
q−_
−
9_一
一
_一
一一
P−.
言 o o o一
_
_
田 Natural frequency of馴
a single tower 窟 ℃.
−
e..
一
。_一
一.
.一
つ.
.
目 5
・
蟹 o o o o l x 竃 ♪竃
2 5 10 20 Number of elements (N) o,
値 と カ テ ナ リー
理 論 解 と お お む ね一
致 してい る。
図一5
は連 成系鉄塔の固 有周波 数に及ぼ す送 電 線部材 分割数の影響 を示す。
こ こ に 「連成系鉄塔の固有周波数」 とは中 央 着 目 鉄塔に変形が生 じ た 時の固 有 周 波 数 を さ す。
サグ 比 γ=
・
O.
05
, 本ua
H
=5
, スパ ン数S
=2
の モ デルA ,B
にっ い て検 討し た。
図 中,
○,
×等の 記 号 は振 動モー
ドの種 類を示す もの で後に詳 述する。
図に よ り モ デル A,
B とも約 5−
10分 割で十 分 収 束し て い る こと が分か る。 図一
6 (a)は単体送 電 線の張 力の周 波 数 応 答 関 数に及 ぼす 分 割 数の影 響 を 示 す。 図一
6 (b)に示 す よ うに送 電 線は両 端 固 定と し (サ グ比 γ=
0.
05,
減 衰 定rCt
hq=
0.
02 ),
ス パ ン の 4分の 1点に正弦 波を入力し,
最 右 端 要 素の張 力の周 波 数 応 答 関 数 を求 めた。
後 述す る ように 低 周 波 数 域で の細かい ピー
クは送 電 線 横 波の影 響,
高 周 波 数 域で の一
定 間 隔の ピー
ク は縦 波の 影 響と考え られ る。 本論の 目 的は高 周波 数 域 を含めた巨視 も一」
&一一噂
巳一
一一一一一一
B−・
Medel BX=
O・
05H≡
5 e__
9
___
8
_
___
___
名_
曁
8−−
9−一
一8−一
一
一一一一一
8−一
o o o o一
一
℃ x」
}
嗄つ
π
ぴ・
IHFI 210 }oI 2 5 10 20 Number of elements (N) 且oo 且D’
【一
210 0.
図一
5 連 成 系 鉄 塔の固有周波 数に 及 ぼ す部 材分割 数の影 響ー
3
hq
雷
D、
02 ff=
4 的な系の動 特 性 を把 握 する ことに ある が,
図は 30Hz まで分 :[1
数 N=
8程度で十分な 精 度が ある こと を示す。 以 上の 検 討に より,
分 割数N
= 10を採 用 すれ ば,
静 的お よ び動的挙動を 十 分把 握 できるもの と判断 し,
以 後の 主 な 計 算で は N=
・
10の分 割 数を用い る。 §4,
連成系の動 的挙 動4
一
エ連成系の 自 由振動特 性 (a> 送 電 線 単 体および鉄塔単体の 自由 振 動 特 性 §2の解 析 手 順に従い計 算を行っ た。 送 電 線 単 体 (サグ比 γ
=
・
O.
05
)の固 有 周 波 数 を表一
3上欄に示 す。
その振 動 モー
ドの例 雄2030.
0 冒212
ff=
8 FREOUENC 了〔HZ} (a) を 図一
7に示す。 図 中,
点 線は実 変 位モー
ドを表し,一
点 鎖 線は水 平 方 向 変位だ け を鉛 直方 向に 示し たもの であ る。
以 後の振 動モー
ド図 で は すべ てこの方 法で表 示す る。
横 波(送 電線 部材直角方向に変位 する波)の示 す 振 動モー
ドを横 波モー
ド,
縦 波 (送 電 線 部 材軸 方 向に変位する波 ) の そ れを 縦 波モー
ドと呼ぶ ことにす る と,
低 周 波 数 域に 横 波モー
ド,
高周波 数 域に縦 波モー
ドが卓 越し て い る。
表一
3下 欄にサ グを有する送 電 線と同じス パ ン, 同材 料の弦の基 本 周 波 数 (横 波∫『,
縦 波fD
を示す。
サ グ を有す る送 電 線の固有周波 数は横 波,
縦波各モー
ドの低 次 数で はf
『やff
の整 数 倍に近い 値を とる、
一
般にケー
ブルの 自 由振 動において は,
サグ比 や材料(b〕 加 帳 点
,
応 答 要素 位 置 図一
一
6 単体送 電 線 の 張 力の周 波 数 応答 関数に及ぼ す分 割 数の影 響 (周 波数 刻みAf・
=
O.
05 Hz) 定 数に依存して,
あ る 次 数 の対 称モー
ドか ら高 次の対 称モー
ドに遷 移しつ つある モー
ドが存 在する こ と が知 ら れて い る】〕 。 計 算に使 用一 52 一
NII-Electronic Library Service 表
一
3 送 電線 単体固有周 波 数および 弦の基 本 周 波数 (ACSR 240,
EA‘
2702.
2tQn,
λ=
0.
Olll kg/cm.
γ=
0.
05.
N=
IQ) Mode No.
f[Hz ] 1 O.
282
0 .
39
3
0.
53 4 0.
62 5 0.
73 6 0.
79 7 0.
85 8 0.
89 9 1.
OO
10 8.
10 ll 15.
93
12 23.
39 1330 .
2714
36.
41 15 41.
66 ユ6
45.
89 17 49.
02 18 51。
06 ∈王
・
侃 4遭
r8.
14 し たACSR
240
の サ グ 比 7=0.02,
O.
05
に つ い て 分 割 数N
= 20 に して 固 有値計算を行っ た と ころ,
図一8
(a)に 示す よ う な 遷移しつ つ あ るモー
ドが見ら れ た。
γ=O.
02
では 1 次か ら3 次へ,
γ = 0.
05
で は 7 次か ら9
次へ 遷移しつ つ ある。
以 後,
簡 単の ため遷移しつ つ ある モー
ドを 「遷 移モー
ド」と呼ぶ ことにす る。
連 成 系に お い て も遷 移モー
ドが見 ら れるが,
そ の特 性に っ い て は後 述す る。
1〔
… ω300
〔M
〕1
〔
… の一
鬥ODE
しCOOE
:Cl
/02
/S
/Z
MODE NO.
;2
FREO .=
0 .
4096 〔HZl300
{M
】」
■
r「
.
.
一
.
−
s’
’
.
・
’『
’
孱
一
’
、
丶噛
.
/ 1”
「
丶丶・
ノ
M
〔ユDEL
ε00E
;C1 /05/S/Z
MODE NO.豐
7
FREO .
=1.0318
〔HZl
600
〔M
)1
冖
≡ O の ←丶
丶一
一
_
一
一
_
.
.
_
_
.
_
.
・
・
一・
”
鬥00ELCODE
:B
/02
ノ ト1
/Y
MODE
NO .=
1
FREO.=
0 .2507
工HZ
[600
〔M
〕 (b) 連 成 系 (2ス パ ン)の 自由 振 動 特 性 2ス パ ン の モ デル A,
B につ い て,
サグ比 γ および 送 電 線 本tw
H を変 化さ せ,
連 成 系 鉄 塔の 固 有 周 波 数に こ れ ら が及ぼ す影 響を検 討す る。パ ラ メー
タ は γ=
0,
02,
0.
05,0.
10、H =1,5,10
の範 囲で変化さ せ た。 図一9
に連 成 系 鉄 塔の 固 有 周 波 数に 及 ぼ す サ グ 比の 影 響を示す。
先に定 義し た よ うに, 図一
9で は中央着目鉄 塔 が 変 形し た場 合のみを プロ ッ トし てい る。
図一
9の○ 印に対 応する振 動モー
ドの例を 図一
10に示 す。
図一
10の送 電 線 水 平 変 位 (一
点 鎖 線 )に着目す れば, これ ら○ 印はすべ て明らか に送 電 線 縦 波 振 動 を生 じ て い る。
図一
9の ×印に対 応する振 動モー
ドの例 を 図一
8 (b
} に示す。
着 目鉄 塔に わずか に変 位 (矢 印 方 向 〉が生 じて いる。
着目鉄 塔の隣 接スパ ン送電 線は と もに遷移モー
ド を示 し, 互いに逆 位 相 をとる ことが分か るg こ れ らの固 ≡ 300田] ≡1
〔
Σ〕
の の ←・
・
一
一噛
、.
鹽
丶_
一’
H、_
!
/,
’
「
一
髄
、
鬥ODEL
CODE
:B
/05 /M
/了 MOOE NO.
ニ5
FREO .=
0 .
4774
CHZ
〕 (b) 図一
8 送 電 線 単 体およ び連 成 系の遷移モー.
ド 有周波 数は すべて鉄 塔 単 体1次 固 有 周 波 数よ り低い。
ま た,
送 電線 縦 波が 生 じ る振 動モー
ドの固有周波 数(図一
90 印〉のサ グ 比によ る変 化は小 さい。一
方, 横 波 遷 移モー
ドを示す 連成 系鉄 塔の固 有 周 波 数 (図一
9×印 ) の次数 を見る と サ グ比に より異な っ て お り, 送 電線 単体 の遷移モー
ド同 様,
サグ比へ の依 存性 が 強い。
な お,
図一8
(a)は各 サグ比に対 応する送電 線単体の 遷移モー
ドであるが,
サ グ比 γ=
0.
05の時は連 成系の 遷移モー
ドと異な っ て お り,
両 者は必 ずし も一.
致 し ない よ うであ る。 30D〔H,一
_
一
一
m 曽
噺
〆 冖ODELNODEFREO.
嵳 虹噛1『一
CODE:
〔1〆05!S/T NO.
E
T囗
O.
275D 匸HZI 30DtM)【
… 月ODEし COOE;
CI!051S / 了 鬥ODE 閥Op2 IO FREO.
【
87io40 〔HZ[ 300〔M)
[
≡鬥ODEL CODE
≡
匸1〆05〆S〆Y M口DE NO.
=
2 FHE囗.
=
D.
3日81【HZ卩 ∋OOtM〕 門00EL CODE;t互〆05〆5〆 丁 門00E NO.
齧
Ll FREO,
‘
15.
9ヨ ヨ9匚HZP ヨ00[剛 ぎ V =.
.
.
.一
へ’
tf’
『
’
〜丶・
,
”r一
一
一
一
MOO 巳L CODE;C1〆05/S/Y nODEL CODE
,
C」〆05!S!了 hDOE NO.
=
3 hOOE NO.
=
匚2FREO
,
囗
0.
5268tH11 FRED.
;
23,
3日33【HZ) 図一
7 送 電 線 単体 振 動モー
ド 図一
11に送 電線 本数 が 連 成系鉄塔の 固有周波 数に及ぼ す影 響を示す。 鉄 塔 単 体の固 有 周 波 数 近 傍に数 個の連 成 系 鉄 塔 の 固 有周波 数が生 じ,
本 数H の増 加に つ れ て こ れ ら固有 周 波 数 群の上下 幅が見 か け 上広が る傾 向が ある。 以 後,
簡 単の た め,
n 次 単 体 固 有 周 波 数 近 傍の運 成 系 の 固有周 波数 群を 「n 次 分 岐 周 波 数 群 」 と呼ぶ ことにする。 分 岐 周 波 数 群の振 動 モー
ドの一
例 を 図一
10 (b
)に示す。
縦 波モー
ドを示す一
点 鎖線に着目 すれば,一
53
一
N工 工一
Eleotronio Library15 10 5
(
図 =)
あ O 口 Φ 5 σ 』 噛 H 邸 臼 づ θ 邸 乞 0,
0.
02 0,
05 0.
10 Sag ratto (Y) {a) 図一
9 15(
N =)
10 5 む 岳 コ9
自 冨 h5 冨 0.
D.
02 0,
05 0.
10 Sag ratio (了》 {b) 連 成 系 鉄 塔の固有 周 波 数に及ぼ すサ グ比の影響 分 岐し た固有 周 波 数は各々異なっ た縦波モー
ドを生じて いる。
(c) ス パ ン数の影響 モ デルA
,B
(サ グ比 γ‘0.05
, 本tWH
・
=5,
分 割 数 N=
5)につ い て スパ ン数S =
2,
4,
6と変 化さ せ スパ ン数の影 響を調べ る。
図一
12に,
連 成 系 鉄 塔の固 有 周 波 数に及ぼすス パ ン数の影 響 を示す。 (縦 波モー
ドの現 れ た分 岐 周 波 数 群の み を示す。
)スパ ン数の 増 加にと も ない 各次の分 岐 周 波 数 群の個 数が増 加す る傾向が あ る。 こ れ ら分岐周波数群に対 応 する振 動モー
ドの例 (4
ス パ ン) を図一13
に示す。 そ れ ぞ れの 固 有 周 波 数は異なっ た縦 波モー
ドを 生 じてい ること が 分か る。
4−
2 変 位お よ び張 力の周 波 数 応 答 特 性 図一14
の モ デル A,
B を 対 象に,
任 意 加 振 点に正 弦 波入力し た時の 変位お よび送 電線 張 力の周波 数応 答 特 性 につ い て考察する。 こ の 際, §2−
3で 定 式 化し た変位お よび張 力の周 波 数 応 答 関 数 (以 後,F .
R .F .
と略称) を適 用す る。 用い た モデル は §3−
1の もの と同じで あ る がこ こ で は 計算の対象を2ス パ ン,
サグ比 γ・
・
O.
05
の もの に限定 し た。
送 電線 本 数H=
1,
5,
10と変 化さ せ,
変 位や張力 のF .
R .
F .
を 求 め た。
加振 点,
応 答 点, 応 答要素の位 置 を図一
14に示 す。
な お,
鉄塔と送 電 線で は減 衰 機 構 が まっ た く異 なり,
解 析にも そ れ が 反映さ れ る ことが望 ま しいが,
こ こ で はすべ て の モー
ドに等し くモー
ド別 減 衰 定 数he
・・
O.
02と仮 定し物理座標に変 換す る手 法を用 い る]1〕 。 ま た,
周 波 数 刻み Af=
0.
05
Hz
でF .
R 、
F .
を 求め た。
図一
15に送 電 線 単 体の 張 力の F.
R .F .
を示す。 低い 周 波数域で ピー
ク が密 集し, 高い周 波 数域で は ほ ぼ等 間 隔の ピー
クが現れ る。
表一
3お よ び 図一
7の結 果か ら, 低 周 波 数 域の ピー
ク は横 波モー
ドが卓越する振 動 を, 高 周 波 数 域の ピー
クは縦 波モー
ドが卓越す る振 動を表すも の と考え ら れ る。
図一16
は鉄塔 変 位のF .R .
F
.
に及ぼす 送 電 線 本 数の 影 響 を示す。鉄塔単 体の ピt ク周 波 数 近 傍に連 成 系の ピ
ー
クが数個 生 じ, 送 電 線 付 加の影 響が現れ て い る。 これ ら分岐し た ピー
ク周 波 数は図一
11 (b
)の連 成 系 鉄 塔の固 有 周 波 数 と一
致する。
文 献 4)では,
モデル B に相 当する実 規 模 試 験 線 (鉄 塔3基,
均 等ス パ ン長300m
)にっ い て実 測 を行い共 振曲線や振 動モー
ドを求めてい る。
これによ る と鉄 塔 単体の場合より連 成 系の共 振 曲 線には 多 くの ピー
ク が現れ, 鉄 塔 単 体 各 次の振 動モー
ドに各々複 数の 連 成 系の固有周 波 数が対 応しており,
鉄 塔が同一
モー
ド で振 動 する場 合で も,3
基の鉄塔間の位 相 関 係が異なれ ば, 違う固有周波数を有す る と報 告 され ている。
これ ら の事 実は,上記解析結果な ら びに図一
10 (b
)の振 動モー
ドなどに よ く符 合し て い る。
(以 後,
鉄 塔 単 体 n 次 ピー
ク周波 数近傍に お け る連 成 系の ピー
ク群を 「冗 次分岐 ピー
ク群」と略 称 することにす る。
) 図一
16を見る と,
送電 線 本 数の増 加に伴い 各 次 分岐 ピー
ク群の幅が 広 が る傾 向が見られ図一
11 (b
)の傾 向 に一
致して い る。
また, 送 電線付 加に より,
鉄 塔 単 体の 固有 周 波 数ピー
クより分 岐ピー
ク群の ピー
ク高さが低く な る傾 向が 認 め ら れ,
単一
の ピー
クが分岐ピー
ク群に変 化する こ とに より,
い わゆる resonance sensLbiLity が 低下 す る よ う で あ る。
図一
17にほ ぽ 同一
位 置に ある送 電線 張 力と変 位のF .
R .
F .
を 示 す。 す な わ ち,
応 答 要素の 張 力 のF .
R .
F .
と そ の両節点の変 位のF .
R .F .
を求め た。 高 周波 数域で ピー
ク の減 衰が共 通して見ら れ る。 低 周 波 数 域に相 対 的な高 周 波 数 域の減衰は,
張 力のF .
R .
F .
で 約 10分の 1, 変 位のF .
R .F .
で約 100分の 1であり,一
54
一
NII-Electronic Library Service 600 〔鬥 }
一
トー一一一
一
一一一一 一一
ニー
:一
:一
:=一
:一一
一
=@.一
・{
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可
\ 一慧≡壬 三
ヨ
ー 一h
、’
MOOEL
CODEIA
/05/卜^Y
鬥00ENO
.19
FREO .=
2
.344kHZ
】0
〔鬥〕2
諺
I
s −・
一
・
一
・
一・一一
・一
一 一・ 一 一 ・ t「00EL CODE :^05
/M
/了MOD
@NO . = 20FREO .=
D5i72
〔HZ
)600
〔鬥〕i
lii
工
’
” 一=
==一’P
;E
”’C
− ”MODEL
CODE
:A
/05
/M
/Y
MODE
NO
、冨22
F
O
響=8
.5018
〔HZ
】 600 〔M〕 Σ:
.
^
.
酊
s ‘@
:一一一一一 一一一…一一一ン 鬥EL
CODE
:A
/05
/卜1
/T
MO
口E
NO
.=23
FREO 。 ニ 9.5653 〔HZ 〕 (
a
) モデルA
600
【目〕600〔
鬥
】 1…
一・
一.
_.
_.
__
._
_
、
一
一
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・
k
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_ . _,
_
. _ . ._・
一
・
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Σ
lil
Xdi
=
−
fS
‘
=
;
−丁
甬
1
、一一・〜一一一…’一一一一一 .一一 ・一 ノ’MO
口EL
COOE
:B/05/M/Y
MOOEL CO口
E
:B
/05
/M
/Y
卜100E
NO
.=19
MOOE
NO
.=22
FREO
.;1
.2382
〔HZI
FREO
.=4
.3992
[HZ
】600
〔M]600
〔M 〕
It4T
=xf
≡≡;帚工丶、一・一一一一一一 一一一__一 ト100EL
COOE :B
/05
/卜1
/了 MO口
ELCOOE
:B
/05
/M
/Y
MOOE
NO
.=20
MODE
NO
.=23
FREO
.=2.
0250
〔HZI
FREO
.= 4.5344
〔HZ
〕600
〔鬥〕600
‘卜1
〕 諭i
− 一 ・一≡≡三一一一…彡稲工一一話!〜一一一 鬥00EL
CODE
:B/05 /M/了
MODEL
CODE
:B
/05
/M
/了 卜10DE
NO
,=.
MODE
NO
.=24
FBEO
.; 2 .7397
【HZ
@
FBEO
.=4
.7410
工HZ}
(b) モデ
ル
B図一
10
振動モード(2
スパン〕隠
(
国 霞)
m 5 hO 口 づ び Φ 』 ← H 弱 』 ゴ ρ 醇 Z0 1 5 10 醤umber of cables (H) (a) 図
一
11 15.
(
N =)
10 5 』 O 口 O コ び ω 臼 脳 H 網 』 づ ρ 邸 Z 0.
15(
N 巴 10 5 ho 口 Φ 5 σ Φ 螽 ( 邸 h コ P 硲 O.
1 5 上O Number of cables (H) (b} 連成 系鉄塔の固有周波 数に及 ぼ す送 電 線 本 数の影 響 2 4 6 Nu 皿ber of spans (S) 〔a} 図一
12 15.
(
N 国)
m 5 防 O 口 Φ ゴ び Φ 』 旧 H 邸 h5 尸 “ 窺 0.
2 4 6Number of spans 〔S)
〔b) 連 成 系 鉄 塔の固 有 周波 数に及 ぼ すス パ ン数の影 響 張力の F
.
R.
F.
は高周 波 成 分の寄 与が比較 的 大き い こ と が 分 か る。
鉄 塔 本 体に外 力と し て は た ら く送 電 線 付 加 の 影 響 を変 位のF .R .
F.
に よ れば 送 電 線 振 動の低 周 波 成 分の み 評価すれ ば充 分 と し が ち だ が,
張 力のF .R .
F .
に よ れ ば高 周 波 成 分も 無 視 で き ない と思われ るQ§5
.
結 合 振 子モデル と の 力学的相 似 性比 較 的高い 周波 数 域で は送 電 線の 縦 波 振 動が支配的 で
,
単 体鉄 塔 固有 周 波 数 近 傍に連成系の固有周波 数が数 個 (分岐周波 数 群 )生じ る現象が見ら れ る。
この現 象が いか な るメカニ ズム に より生じ るの か を本節で考 察す る。
こ こ で,
ス パ ンpa
S
個か ら な る運 成 系の簡 単なモ デ ル化 を考え てみ よう。 各 鉄 塔を1
質点バネー
マス系とみ な し,
各送電線を質量 を持たない バ ネと仮定する と, 図一
18の よ う なモ デル と な ろ う。
これ を以 後 「結合振 子 モ デ ル」と呼ぶ ことにするL2)。
図一
18の π番 目の 質 点に対 する運 動 方 程 式は次の よ うにな る。
參
一一
卸
・崙
(u・
・
]
−
u・
1
一
崙
(Un−
Un−
1)………・
…・
…・
(23
) こ こ で,
単 位長当た り定 常 波の位 相 角 を波 数k
, 系の固 有 振 動 数をω で表すと 上式の一
般解は次の よ う に な る。
un(t)
=
cos (ωt十q)〔Ci
sin nkL 十C2
cos nhL 〕・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
一・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(24 ) こ こ に,C
、,
C
, は境 界条 件で定ま る定 数であ る。 ω と kの間に は次の関 係が ある。
w2
一
芳
・笠
・…与
・
・
…・
・
…・
………・
・
…・
(25
) こ の よ う にω をk
の関数とし て与え る関係は一
般に 「分 散 関 係」と呼ば れて いる]e)。
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56
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7837〔HZ[ 〔b) モデル B 図一
13 振 動モー
ド (4ス パ ン} O.
1L 0・
IL {h }モ デル呂 冖一
(cljz1EUittPl イ: 図一
14 加振 点,
応 答点 お よ び応 答 要 素位 置 10 Io Io 1D 1Hel 1 】o 10 臣 100 10−
1 鞏 OO h『 e 口、
e20 図一
15 30.
O FHEOUENC 了 〔lll1 送 電 線 単体張 力 の 周 波 数応 答 関 数 LO o.
図一
16 30.
0 「HEOUENに了tHl卩 鉄 塔変位の周 波 数 応 答 関数に及 ぼ す 送電 線 本 数の影 響 こ こ で,
モ デルB
の鉄塔 部を1
質点のバ ネー
マ ス系 にな お し た もの を考え,
§2
の手法で 自由振 動 解 析を行 い相 当す る結合 振 子モ デル と動 的 特 性を 比較 して み よ う。
計 算に用い た モ デル B と結 合 振 子モ デル はともに 6 ス パ ン,
ス パ ン長 L=
:
300 rn,
両 端 弾 性 支持と仮 定し た。
鉄 塔に相 当す る部 分の質量M −
15.
77 ton,
バ ネ定 数 K=0.366
ton/cm を用いた。 モ デルB
の送 電 線に相 当す る 部 分は軸 剛 性EA
=13511.
O
ten,
単 位長 重 量 λ=
0.
05kg
/cm (H =5
に相 当}を使 用す る。 結 合 振 子モ デル の 結 合 バ ネ 定 数K ’
=EAIL
=13511.0
/30000=0.
45 ton/cm を 用い る。
図一
19は モ デルB
(鉄塔 部 1 質点)の鉄塔 単体 1 次 固 有 周波数近傍に現れ る縦波モー
ドの 周波 数一
波数分散 関 係をプロ ッ ト し た もの であ る。
こ こ に,
モ デル B の 波 数とは,
送電線単 位長さに含まれ る縦波位相 角であ る。 同 図 に式 (25 )で求ま る結 合 振子モ デルの分散関係をX 印で示す。
波数h
= Oの 時を除きモ デルB
の 固有周波 数が結 合 振 子モ デル の それ より高いが,h
の増加にっ れ一
57
一
N工 工一
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