王振華，金曉華

(廣東省電力設(shè)計研究院，廣州市 510663)

0 引言

隨著我國大量的工程設(shè)計公司走向國際，了解和掌握國內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的差異對我國的電力建設(shè)以及參與涉外工程均有重要意義。風(fēng)荷載是輸電塔設(shè)計的控制荷載［1-3］，而文獻(xiàn)［4］已被國際業(yè)界廣泛采用，因此了解和掌握文獻(xiàn)［4］中輸電塔風(fēng)荷載的計算方法至關(guān)重要。

我國輸電線路荷載規(guī)范主要包括文獻(xiàn)［5-7］，文獻(xiàn)［8］將文獻(xiàn)［5］與文獻(xiàn)［9-11］進(jìn)行了了對比，分析了體型系數(shù)、風(fēng)壓高度系數(shù)等參數(shù)的計算差異;文獻(xiàn)［12］僅比較了文獻(xiàn)［5］與文獻(xiàn)［4，10］中風(fēng)壓高度變化系數(shù)的區(qū)別。文獻(xiàn)［4］較文獻(xiàn)［9］在輸電塔風(fēng)荷載的計算方法和參數(shù)取值方面有所改進(jìn)，如基本風(fēng)速、陣風(fēng)響應(yīng)因子、地形影響因子和斜向風(fēng)計算方法等，因此有必要將我國規(guī)范與文獻(xiàn)［4］在輸電塔風(fēng)荷載計算方面進(jìn)行詳細(xì)的比較與分析。

1 基本公式

我國規(guī)范中的桿塔風(fēng)荷載計算公式為

式中:Ws為風(fēng)向與桿塔塔面相垂直時桿塔風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值;W0為基本風(fēng)壓;μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);μs為構(gòu)件的體形系數(shù);βz為桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù);B為覆冰時風(fēng)荷載增大系數(shù);Af為構(gòu)件承受風(fēng)壓投影面積。

文獻(xiàn)［4］中輸電線路結(jié)構(gòu)的設(shè)計風(fēng)荷載為

式中:F為風(fēng)方向的風(fēng)荷載;γw為重現(xiàn)期荷載調(diào)整因子;Q為空氣密度常數(shù);Kz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);Kzt為地形影響因子;V50為50年重現(xiàn)期3 s陣風(fēng)風(fēng)速;G為陣風(fēng)響應(yīng)因子;Cf為風(fēng)力系數(shù);A為迎風(fēng)向投影面積。

2 計算參數(shù)

2.1 基本風(fēng)速

我國規(guī)范中采用B類地貌下離地10 m、10 min的年平均最大風(fēng)速作為基本風(fēng)速［13］，其中500～750 kV輸電線路重現(xiàn)期為50年，其基本風(fēng)速不宜低于27 m/s，110～330 kV輸電線路重現(xiàn)期為30年，其基本風(fēng)速不宜低于23.5 m/s。

在文獻(xiàn)［14］中，采用50年一遇的C類地貌下離地10 m、3 s陣風(fēng)風(fēng)速作為基本風(fēng)速，風(fēng)速轉(zhuǎn)換為風(fēng)壓的空氣密度常數(shù)Q為0.613。

2.2 風(fēng)壓高度變化系數(shù)

我國規(guī)范中一般采用B類地貌進(jìn)行輸電線路設(shè)計，其風(fēng)壓高度變化系數(shù)為

式中z為鐵塔各節(jié)段的中心高度。

文獻(xiàn)［4］中風(fēng)壓高度變化系數(shù)為

式中:zh為結(jié)構(gòu)有效高度，10 m≤zh≤zg，當(dāng)鐵塔高度小于或等于60 m時，取鐵塔2/3高度作為有效高度，當(dāng)鐵塔高度大于60 m時，有效高度為鐵塔各節(jié)段的中心高度;zg為梯度高度;α為冪指數(shù)。

在鐵塔小于60 m時，我國規(guī)范與文獻(xiàn)［4］中風(fēng)壓高度變化系數(shù)的計算高度不同，我國規(guī)范仍采用各節(jié)段中心的對地高度，文獻(xiàn)［4］則取2/3鐵塔高度。將我國規(guī)范的B類地貌與文獻(xiàn)［4］中C類地貌的風(fēng)壓高度變化系數(shù)進(jìn)行比較，100 m高度范圍內(nèi)的風(fēng)壓高度變化系數(shù)及比值見表1。

由表1可以看出:文獻(xiàn)［4］的風(fēng)壓高度變化系數(shù)小于我國規(guī)范值，隨著高度增加，文獻(xiàn)［4］與我國規(guī)范的風(fēng)壓高度變化系數(shù)比值越來越小。

表1 我國規(guī)范與文獻(xiàn)［4］的風(fēng)壓高度系數(shù)對比Tab.1Comparison of height variation factor of wind pressure between Chinese code and ASCE 74—2009

2.3 體型系數(shù)

我國規(guī)范中角鋼塔體型系數(shù)為1.3(1+η)，鋼管塔體型系數(shù)為0.7～1.2(1+η)，η為背風(fēng)面荷載降低系數(shù)。

文獻(xiàn)［4］采用文獻(xiàn)［14］中正方形和三角形截面形狀網(wǎng)格桁架結(jié)構(gòu)的風(fēng)力系數(shù)，如表2所示。如果塔的桿件為圓截面，那么風(fēng)力系數(shù)需要乘以表3中的修正系數(shù)來確定，其中φ為填充率。

不同填充率時我國規(guī)范與文獻(xiàn)［4］的體型系數(shù)比較見表4，其中我國規(guī)范的鋼管塔體型系數(shù)為0.8(1+η)，可以看出:當(dāng)填充率小于0.3或大于0.5時，我國規(guī)范與文獻(xiàn)［4］的體型系數(shù)差別較大;鋼管塔體型系數(shù)差別大于角鋼塔體型系數(shù)。一般鐵塔的填充率介于0.3～0.5之間，此時兩種規(guī)范的角鋼塔體型系數(shù)差別小于18%，而鋼管塔體型系數(shù)差別為36%。

2.4 風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)

我國規(guī)范風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βz主要考慮脈動風(fēng)振的影響。全高在20 m及以下桿塔的自振周期較小(一般在0.25 s以下)，可以不考慮風(fēng)振的影響(即βz=1.0);全高不超過60 m時全塔采用1個系數(shù);桿塔超過60 m時，特別是較高的大跨越桿塔，βz根據(jù)文獻(xiàn)［7］僅考慮結(jié)構(gòu)第一振型影響，取值為βz= 1+ενφz/μz且加權(quán)平均不小于1.6。對寬度較大或迎風(fēng)面增加較大的計算段(如橫擔(dān)等)，應(yīng)給予適當(dāng)加大。

表4 我國規(guī)范與文獻(xiàn)［4］的體型系數(shù)對比Tab.4Comparison of shape factors between Chinese code and ASCE 74—2009

文獻(xiàn)［4］中輸電結(jié)構(gòu)的陣風(fēng)響應(yīng)因子Gt為

式中:Zh為鐵塔有效高度;KV為10 m高度的3 s陣風(fēng)風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速比值，其值為1. 43;αFM為持續(xù)風(fēng)的冪指數(shù);κ為表面阻力系數(shù);Ls為湍流積分尺度。地貌類別常數(shù)如表5所示。

表5 地貌類別常數(shù)Tab.5Exposure category constants

文獻(xiàn)［4］中陣風(fēng)響應(yīng)因子基于Davenport推導(dǎo)的輸電線路陣風(fēng)響應(yīng)評估公式，該公式考慮了陣風(fēng)空間相關(guān)性、風(fēng)譜和結(jié)構(gòu)動力特性。文獻(xiàn)［4］在應(yīng)用此公式時忽略了共振響應(yīng)分量，只考慮背景響應(yīng)分量。這一假設(shè)是基于導(dǎo)線、地線、結(jié)構(gòu)的風(fēng)振動響應(yīng)彼此異相，而且導(dǎo)線和地線的氣動阻尼將大幅度減少共振響應(yīng)，從而使準(zhǔn)靜態(tài)背景響應(yīng)成為主要響應(yīng)。

文獻(xiàn)［4］在C類地貌下的陣風(fēng)響應(yīng)因子計算結(jié)果見表6，可以看出:隨著高度增加，陣風(fēng)響應(yīng)因子降低。按照文獻(xiàn)［4］，3 s陣風(fēng)風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速之比為1.43，則10 min平均風(fēng)速下的陣風(fēng)響應(yīng)因子為1.50～1.66。兩國規(guī)范的陣風(fēng)響應(yīng)因子計算值大體相當(dāng)。

表6 結(jié)構(gòu)陣風(fēng)響應(yīng)因子Tab.6Structure gust response factors

2.5 地形影響因子

我國規(guī)范中對于通過山區(qū)線路的設(shè)計風(fēng)速按附近平地風(fēng)速增大10%計算，以此反映山區(qū)的微地形影響和狹管等效應(yīng)。

文獻(xiàn)［4］將地形特征分為二維山脊和懸崖或者三維軸對稱山丘二大類。如圖1所示，H為相對地面以上山丘或者懸崖的高度;Lh為迎風(fēng)方向從山頂?shù)缴角鸹驊已轮恋孛嬉话敫叨忍幍乃骄嚯x。

圖1 地形影響因子Fig.1Topographic factor

輸電線路位于半山或者鄰近懸崖的地形影響因子方程為

式中:K1為考慮地形特征形狀和最大增速影響的系數(shù);K2為考慮離山頂?shù)纳巷L(fēng)向或下風(fēng)向距離加大而風(fēng)速增加減小的系數(shù);K3為考慮局部地形以上高度增加而風(fēng)速減小的系數(shù)，K3=e－γZ/Lh;x為山頂?shù)浇Y(jié)構(gòu)的距離(上風(fēng)或下風(fēng));Z為局部地面以上的高度。

文獻(xiàn)［4］中C類地貌下二維山脊地形(H= 100 m，Lh=200 m)山頂和半山腰處100 m高度范圍內(nèi)風(fēng)荷載的地形影響因子見表7，可以看出:山頂處的風(fēng)荷載地形影響因子大于半山腰處，隨著高度的增加，其地形影響因子逐漸減小。

表7 山頂和半山腰處的風(fēng)荷載地形影響因子Tab.7Topographic factor of wind force at top and half of hills

2.6 覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)

我國規(guī)范中按照不同的覆冰厚取不同的風(fēng)荷載增大系數(shù)，5 mm冰區(qū)取1.1，10 mm冰區(qū)取1.2，15 mm冰區(qū)取1.6，20 mm冰區(qū)取1.8，20 mm以上冰區(qū)取2.0～2.5。

文獻(xiàn)［4］認(rèn)為結(jié)構(gòu)上的覆冰雖然增加了結(jié)構(gòu)擋風(fēng)面積，但對于寬截面的結(jié)構(gòu)桿件(如桿截面)，在整個投影面上由冰產(chǎn)生的摩擦阻力增加很小;對于角桿件，投射面積的增加部分因角尖處冰復(fù)層的流線效應(yīng)減小從而抵消風(fēng)力系數(shù)。因此，對大多數(shù)輸電線路結(jié)構(gòu)，通常不需要對桿件上因覆冰引起的擋風(fēng)面積增加進(jìn)行補(bǔ)償。

2.7 斜向風(fēng)荷載計算方法

我國規(guī)范塔身和橫擔(dān)風(fēng)荷載在塔順線路(Y)和垂直線路(X)方向的分量見表8。

文獻(xiàn)［4］中鐵塔在橫向和縱向各自獨(dú)立的荷載計算為

表8 斜向風(fēng)的鐵塔橫向和縱向風(fēng)荷載Tab.8Transverse and longitudinal directions of the tower for yawed wind

式中:Ft、Fl分別為垂直和順線路方向的荷載;ψ為偏向角;Amt、Aml分別為平行和垂直于線路方向所有桿件的面積;Cft、Cfl分別為平行和垂直于線路方向的風(fēng)力系數(shù)。

我國規(guī)范中塔身的斜向風(fēng)荷載計算參考了文獻(xiàn)［9-10］，其計算式為

式(11)中橫向和縱向荷載分別為Ft=Fcosψ和Fl=Fsinψ，風(fēng)洞試驗已證實(shí)結(jié)構(gòu)的最大效應(yīng)發(fā)生在小于45°的風(fēng)向角。文獻(xiàn)［4］中塔身橫向和縱向風(fēng)荷載只與各自橫向和縱向擋風(fēng)面以及風(fēng)向角有關(guān)。

3 結(jié)論

(1)我國規(guī)范與文獻(xiàn)［4］中桿塔風(fēng)荷載計算均采用風(fēng)振系數(shù)乘以平均風(fēng)荷載的方法，我國規(guī)范中采用10 min平均風(fēng)速，而文獻(xiàn)［4］中采用3 s陣風(fēng)風(fēng)速。我國規(guī)范按不同的電壓等級采用不同的風(fēng)速重現(xiàn)期，突出了500 kV及以上輸電線路的重要性，而文獻(xiàn)［4］無此項規(guī)定。

(2)我國規(guī)范的鐵塔風(fēng)壓計算高度取各節(jié)段中心位置高度，而文獻(xiàn)［4］中對小于60 m的鐵塔取2/3鐵塔高度，對大于60 m的鐵塔取各節(jié)段中心位置高度。文獻(xiàn)［4］中的C類地貌與我國規(guī)范中的B類地貌相比，在相同高度處文獻(xiàn)［4］的風(fēng)壓高度變化系數(shù)小于我國規(guī)范值，而且隨著高度的增加，文獻(xiàn)［4］與我國規(guī)范的風(fēng)壓高度變化系數(shù)比值越來越小。

(3)我國規(guī)范中角鋼塔和鋼管塔的體型系數(shù)均小于文獻(xiàn)［4］中的值，而且鋼管塔體型系數(shù)差別較大。

(4)兩國規(guī)范中風(fēng)振系數(shù)的計算原理基本相同，均是考慮結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下動力響應(yīng)的綜合系數(shù)。我國規(guī)范采用的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)與美國規(guī)范的陣風(fēng)響應(yīng)因子計算值大體相當(dāng)，但文獻(xiàn)［4］中鐵塔陣風(fēng)響應(yīng)因子隨著高度的增加而降低，這與我國規(guī)范的規(guī)律相反。

(5)對山區(qū)地形，我國規(guī)范采用的設(shè)計風(fēng)速為附近平地風(fēng)速增大10%，對特殊地形，文獻(xiàn)［4］考慮了地形影響因子。文獻(xiàn)［4］雖然考慮了特殊地形的影響，但在實(shí)際工程此類地形較少，其應(yīng)用范圍也比較小。

(6)我國規(guī)范與文獻(xiàn)［4］中對桿塔構(gòu)件覆冰時風(fēng)荷載的計算存在較大差異，我國規(guī)范按不同覆冰厚度采用不同的風(fēng)荷載增大系數(shù)，而文獻(xiàn)［4］通常不采用此系數(shù)。我國規(guī)范對覆冰工況考慮了風(fēng)荷載增大系數(shù)，相當(dāng)于增大了風(fēng)速，由于覆冰工況下設(shè)計風(fēng)速為10 m/s，與無冰時的設(shè)計風(fēng)速相比要小，因此對鐵塔桿件設(shè)計影響很小。

(7)我國規(guī)范中鐵塔在斜向風(fēng)下橫向和縱向的風(fēng)荷載計算參考了文獻(xiàn)［9］的有關(guān)規(guī)定，但文獻(xiàn)［4］已經(jīng)修改了上述計算方法。2種規(guī)范相比，0°和90°風(fēng)荷載計算方法相同，斜向風(fēng)下的風(fēng)荷載計算方法不同。

［1］廖宗高，張華，陳海波.特高壓輸電線路設(shè)計風(fēng)速取值的探討［J］.電力建設(shè)，2006，27(4):31-32.

［2］薛春林，葉鴻聲，何江，等.對重要線路及特殊區(qū)段線路采取加強(qiáng)措施的研究［J］.電力建設(shè)，2008，29(11):1-5.

［3］李峰，張友富，侯建國，等.國內(nèi)外輸電線路鐵塔設(shè)計安全度的比較［J］.電力建設(shè)，2010，31(6):19-24.

［4］ASCE 74—2009 Guidelines for electrical transmission line structural loading(third edition)［S］.

［5］GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2010.

［6］DL/T 5154—2002架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定［S］.北京:中國電力出版社，2002.

［7］DL/T 5440—2009重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國電力出版社，2009.

［8］姜琦，鄧洪洲，張永飛.中外規(guī)范關(guān)于輸電線路風(fēng)荷載的比較研究［J］.特種結(jié)構(gòu)，2010，27(3):83-85.

［9］ASCE 74—1991 Guidelines for electrical transmission line structural loading［S］.

［10］IEC 60826—2003架空線路的計算標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［11］BS 8100—1986格子形塔架和桅桿［S］.

［12］蔡鈞，傅鵬程.IEC、ASCE、GB 50545規(guī)范風(fēng)壓高度變化系數(shù)對比與分析［J］.電力勘測設(shè)計，2011(5):58-60，75.

［13］GB 50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［14］ASE7—05美國荷載規(guī)范［S］.

(編輯:張磊)