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        國際電力工程中不同標準的設(shè)計風(fēng)速計算方法

        2012-02-08 05:47:44李興凱王堯丘海珊
        電力建設(shè) 2012年8期
        關(guān)鍵詞:時距粗糙度比值

        李興凱,王堯,丘海珊

        (河北電力勘測設(shè)計研究院,石家莊市 050031)

        0 引言

        隨著國際電力工程的增多,設(shè)計標準成為設(shè)計人員必須面對的一個問題。在電力工程中,設(shè)計風(fēng)速對建筑物的造價影響很大,例如輸電線路桿塔的荷載主要是塔身風(fēng)荷載、導(dǎo)地線風(fēng)荷載、導(dǎo)地線張力、導(dǎo)地線覆冰、桿塔自重、導(dǎo)地線自重等,特別是輕冰區(qū)直線塔主要桿件的承載受大風(fēng)影響更大。設(shè)計風(fēng)速越大,鐵塔質(zhì)量也越大,工程投資也會越大。因此,如何在不同設(shè)計標準下合理確定設(shè)計風(fēng)速的取值對電力工程安全運行和降低工程造價均具有重要意義。

        國際電力工程的標書中規(guī)定采用的設(shè)計標準一般為美國標準、國際標準,或者不低于本國標準。本文針對美國標準ASCE/SEI 7-05—2006《Minimum design loads for buildings and other structures》[1]、國際標準IEC60826—2003《Designcriteriaofoverhead transmission lines》[2]和我國相關(guān)標準GB 5009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(2006年版)[3]中設(shè)計風(fēng)速計算方法存在的差異進行比較和分析,并通過統(tǒng)計試驗的方法對不同標準進行分析研究,為以后的國際電力工程勘測設(shè)計工作提供參考。

        1 研究內(nèi)容

        設(shè)計風(fēng)速主要涉及6個方面的問題:(1)地面粗糙度;(2)設(shè)計高度;(3)平均風(fēng)速時距;(4)重現(xiàn)期; (5)選樣方法;(6)試線線型。其中,國際上大多數(shù)國家在選樣方法和試線線型方面比較一致,本文針對設(shè)計風(fēng)速的前4個問題進行比較和分析。

        2 地面粗糙度

        地表越粗糙,風(fēng)能消耗越厲害,平均風(fēng)速也就越低。粗糙度的不同,影響著平均風(fēng)速的取值,因此需要對平均風(fēng)速規(guī)定一個共同的標準。GB 5009—2001和IEC 60826—2003均將地形類別分為A、B、C、D 4類,ASCE/SEI 7-05—2006推薦了B、C、D這3種地形類型,地面粗糙指數(shù)α取值見表1。

        表1 地面粗糙指數(shù)α取值Tab.1Value of ground roughness index α

        目前大多數(shù)國家的氣象站位于城市的郊區(qū),周圍一般空曠平坦或有少量低層房屋。3個標準對基本風(fēng)速的規(guī)定中GB 5009—2001的B類地形為“田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)”,IEC 60826—2003的B類地形為“只有少數(shù)障礙物的鄉(xiāng)村”,ASCE/SEI 7-05—2006的C類地形為“平坦或空曠的鄉(xiāng)村地區(qū)”。由各標準對地形的描述可知,基本風(fēng)速的地形類型是一致的;在粗糙度取值上,GB 5009—2001的B類地形和IEC 60826—2003的B類地形α均取0.16,ASCE/SEI 7-05—2006的C類地形α取1/6.5(0.154),3個標準基本一致。

        3 平均風(fēng)速時距

        風(fēng)速統(tǒng)計時距不同,所求得的平均風(fēng)速自然亦不相同。在國際上很多國家的風(fēng)荷載標準中,標準時距的取值并不一致。GB 5009—2001和IEC 60826—2003中規(guī)定基本風(fēng)速的統(tǒng)計時距為10 min,ASCE/SEI 7-05—2006中規(guī)定的基本風(fēng)速統(tǒng)計時距為3 s。

        3.1 我國對風(fēng)速時距轉(zhuǎn)換的研究

        我國關(guān)于不同風(fēng)速時距轉(zhuǎn)換的研究成果如下式:

        式中:vt為統(tǒng)計時距為t的平均風(fēng)速,m/s;v為10 min平均風(fēng)速,m/s;t為時距,s。

        文獻[4]給出了瞬時風(fēng)速v1與10 min風(fēng)速v的轉(zhuǎn)換關(guān)系,見表2。

        表2 瞬時風(fēng)速與10 min風(fēng)速的轉(zhuǎn)換關(guān)系Tab.2Conversion relation of instantaneous wind speed and average wind speed in 10 minutes

        3.2 IEC 60826—2003中風(fēng)速時距的轉(zhuǎn)換關(guān)系

        IEC 60826—2003中提供了時距為t的平均風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速關(guān)系曲線,見圖1。在曲線上查得vt/v600(v600表示時距為10 min(600 s)的平均風(fēng)速),即可求出10 min平均風(fēng)速。

        圖1 時距為t的平均風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速關(guān)系曲線Fig.1Relation curves of average wind speed between t and 10 minutes

        3.3 ASCE/SEI 7-05—2006中風(fēng)速時距的轉(zhuǎn)換關(guān)系

        ASCE/SEI 7-05—2006中提供了時距為t的平均風(fēng)速與1 h的平均風(fēng)速關(guān)系曲線,見圖2。在曲線上查得vt/v3600、v600/v3600(v3600表示時距1 h (3 600 s)的平均風(fēng)速)即可得出10 min平均風(fēng)速。

        圖2 時距為t的平均風(fēng)速與1 h的平均風(fēng)速關(guān)系曲線Fig.2Relation curves of average wind speed between t and 1 hour

        3.4 不同標準時距轉(zhuǎn)換結(jié)果的對比

        根據(jù)以上標準分別整理出不同時距的平均風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速的比值,結(jié)果見表3。

        由表中結(jié)果可知,各標準對不同統(tǒng)計時距風(fēng)速換算的比值相差不大,誤差一般小于5%。

        4 設(shè)計高度

        風(fēng)速隨高度而變化,離地越近,由于地表摩擦能量消耗較大,平均風(fēng)速也就越低。工程設(shè)計中一般要求提供某一高度的設(shè)計風(fēng)速。GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/SEI 7-05—2006中對基本風(fēng)速的規(guī)定中標準高度取10 m。GB 5009—2001和IEC 60826—2003中不同高度風(fēng)速與10 m高風(fēng)速的轉(zhuǎn)換公式為

        表3 不同時距平均風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速比值Tab.3Average wind speed ratio of different time and 10 minutes

        式中:vh為高度h處的風(fēng)速;v為高度10 m處的風(fēng)速; α為地面粗糙指數(shù)。

        ASCE/SEI 7-05—2006中不同高度的風(fēng)速與10 m高風(fēng)速的轉(zhuǎn)換公式為

        由ASCE/SEI 7-05—2006中不同時距t的風(fēng)速vt與平均1 h風(fēng)速v3600的轉(zhuǎn)換關(guān)系,查得v3600/v3= 0.65,式(2)轉(zhuǎn)換為

        式中:v3600為高度10 m處平均1 h風(fēng)速。vt/v3600,等式左側(cè)乘以,等式右側(cè)乘以vt/ v3600,式(2)轉(zhuǎn)換為

        因此,ASCE/SEI 7-05—2006中給出的不同高度的風(fēng)速與10 m高風(fēng)速的轉(zhuǎn)換公式也可以用式(1)來表示。

        5 設(shè)計風(fēng)速重現(xiàn)期

        結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計要求提供某一重現(xiàn)期的設(shè)計風(fēng)速作為設(shè)計依據(jù)。重現(xiàn)期越長,保證率也就越高,說明結(jié)構(gòu)的安全度越高。GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/SEI 7-05—2006對基本風(fēng)速的規(guī)定中重現(xiàn)期均為50年一遇。

        5.1 國內(nèi)對設(shè)計風(fēng)速重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換的研究

        根據(jù)國內(nèi)研究成果[5],推算不同重現(xiàn)期的風(fēng)速比值可參考表4。

        表4 不同重現(xiàn)期的風(fēng)速比值(中國)Tab.4Ratio of wind speed in different return period(China)

        5.2 IEC 60826—2003中重現(xiàn)期的轉(zhuǎn)換關(guān)系

        IEC 60826—2003中給出了150年一遇、500年一遇風(fēng)速與50年一遇風(fēng)速之間的比值,見表5。

        表5 不同重現(xiàn)期的風(fēng)速比值(IEC 60826—2003)Tab.5Ratio of wind speed in different return period(IEC 60826-2003)

        5.3 ASCE/SEI 7-05—2006中重現(xiàn)期的轉(zhuǎn)換關(guān)系

        ASCE/SEI 7-05—2006給出了風(fēng)速v<44.7 m/s時,不同頻率風(fēng)速與50年一遇風(fēng)速的比值,見表6。

        表6 不同重現(xiàn)期風(fēng)速比值(ASCE/SEI 7-05—2006)Tab.6Ratio of wind speed in different return period (ASCE/SEI 7-05—2006)

        5.4 重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換結(jié)果對比

        通過給出的任意3個重現(xiàn)期的比值,進行目估試線(線型采用極值Ⅰ型)即可求出不同頻率風(fēng)速與50年一遇風(fēng)速的比值,結(jié)果見表7。

        表7 不同重現(xiàn)期風(fēng)速的比值Tab.7Ratio of wind speed in different return period

        由表7可知,各標準中不同重現(xiàn)期風(fēng)速的比值相差不大,誤差一般小于5%。

        6 統(tǒng)計試驗對比分析

        (1)方案1。利用計算機模擬1 000組年平均最大風(fēng)速系列,每組風(fēng)速系列有50年數(shù)據(jù),分別計算10、20、30、50、100年一遇平均最大風(fēng)速,結(jié)果見表8。

        (2)方案2。假設(shè)1 000組年平均最大風(fēng)速系列的高度為15 m。按照各標準中的方法將1 000組風(fēng)速換算為10 m高風(fēng)速,地形類型分別按照表9中的4種組合考慮,然后分別計算10、20、30、50、100年一遇平均最大風(fēng)速,計算結(jié)果見表9。

        (3)方案3。假設(shè)1 000組年平均最大風(fēng)速系列統(tǒng)計時距為3 s,按照各標準中的方法將1 000組風(fēng)速換算為10 min平均風(fēng)速,然后分別計算10、20、30、50、100年一遇平均最大風(fēng)速,計算結(jié)果見表10。

        (4)方案4。假設(shè)1 000組年平均最大風(fēng)速系列統(tǒng)計時距為3 s、高度為15 m,地形類型按各標準基本風(fēng)速類型考慮,按照各標準中的方法將1 000組風(fēng)速換算為10 m高10 min平均風(fēng)速,然后分別計算10、20、30、50、100年一遇平均最大風(fēng)速,計算結(jié)果見表11。

        表8 不同重現(xiàn)期風(fēng)速的均值(方案1)Tab.8Average wind speed in different return period(project 1)

        表11 不同重現(xiàn)期風(fēng)速的均值(方案4)Tab.11Average wind speed in different return period(project 4)

        7 結(jié)論

        (1)GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/ SEI 7-05—2006中對基本風(fēng)速的規(guī)定中標準高度均為10 m。GB 5009—2001和IEC 60826—2003中不同高度風(fēng)速的轉(zhuǎn)化公式相同。本文通過對ASCE/ SEI 7-05—2006中不同高度風(fēng)速的轉(zhuǎn)換公式的推導(dǎo),得出與GB 5009—2001和IEC 60826—2003一致的公式形式。

        (2)GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/ SEI 7-05—2006對基本風(fēng)速的規(guī)定中重現(xiàn)期均為50年一遇。各標準中不同重現(xiàn)期風(fēng)速的比值相差不大。統(tǒng)計試驗結(jié)果與各標準計算結(jié)果基本一致。

        (3)GB 5009—2001和IEC 60826—2003均將地面粗糙度分為A、B、C、D 4類,通過對比,4種地形類型的規(guī)定是基本相同,只是A類和D類地面類型的粗糙度取值存在較小差距。通過統(tǒng)計試驗研究,粗糙度不同所造成的設(shè)計風(fēng)速相對誤差一般小于1%。

        (4)ASCE/SEI 7-05—2006將地面粗糙度分為B、C、D 3類,通過對比,其中D、C、B類地形分別與GB 5009—2001和IEC 60826—2003中的A、B、C對應(yīng)一致,只是在取值上存在較小差距。通過統(tǒng)計試驗研究,粗糙度不同所造成的設(shè)計風(fēng)速相對誤差一般小于1%。

        (5)GB 5009—2001和IEC 60826—2003中規(guī)定的基本風(fēng)速的統(tǒng)計時距均為10 min,而ASCE/SEI 7-05—2006中規(guī)定的基本風(fēng)速的統(tǒng)計時距為3 s。通過各標準中時距轉(zhuǎn)化關(guān)系的分析和比較,各標準中不同統(tǒng)計時距風(fēng)速換算的比值相差不大;通過統(tǒng)計試驗研究,粗糙度不同所造成的設(shè)計風(fēng)速相對誤差一般小于5%。

        (6)根據(jù)方案4的統(tǒng)計試驗結(jié)果,可知利用不同高度的不同時距的風(fēng)速系列計算10 m高10 min設(shè)計平均風(fēng)速,各標準的計算成果相對誤差一般小于5%。

        [1]ASCE/SEI 7-05—2006 Minimum design loads for buildings and other structures[S].America:America Society of Civil Engineers,2006.

        [2]IEC 60826—2003 Design criteria of overhead transmission lines[S].Switzerland:International Electrotechnical Commission,2003.

        [3]GB 5009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范:2006年版[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

        [4]中南電力設(shè)計院,華東電力設(shè)計院,中國電力工程顧問集團公司.電力工程水文氣象計算手冊[M].武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2010:397-414.

        [5]田啟明.涉外電力工程水文氣象中幾個問題的討論[J].電力勘測設(shè)計,2010(增刊):69-71.

        (編輯:馬曉華)

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