朱 陽

（中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司廣州局?？诜志?，海南 ?？?570100）

0 引 言

臺風是一種全球發(fā)生頻率高、影響嚴重的自然災(zāi)害。我國位于太平洋西岸，是世界上受臺風影響嚴重的國家之一。我國平均每年臺風登陸次數(shù)9.5次，而廣東省平均每年臺風登陸次數(shù)為3.54次，位居全國各省之首。

隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，沿海輸電線路密度增長較大，而日趨頻繁的極端天氣如臺風災(zāi)害，給廣東等沿海地區(qū)電網(wǎng)造成了極大威脅。2014年威馬遜、2015年彩虹等臺風，均對電網(wǎng)造成了重大損失。尤其是2017年8月臺風“天鴿”，廣東電網(wǎng)出現(xiàn)多次線路、桿塔受損跳閘，澳門電網(wǎng)損失全部負荷，珠海電網(wǎng)遭受重創(chuàng)，用時近一周才全部恢復電力供應(yīng)。

跨越瓊州海峽的500 kV跨海電力聯(lián)網(wǎng)輸電系統(tǒng)（以下簡稱“聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”）于2009年6月30日投入使用，是海南全島電網(wǎng)連接大陸南方電網(wǎng)主網(wǎng)的唯一通道。海南聯(lián)網(wǎng)線路在安全平穩(wěn)供電、電力迎峰度夏、防風防汛、配合核電安全運行、博鰲論壇年會、文昌衛(wèi)星發(fā)射等重要供電活動中，發(fā)揮了重要作用，被海南省政府表彰為“定海神針”。下面將以海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)輸電線路為例，探討沿海臺風多發(fā)地區(qū)現(xiàn)有輸電線路防風能力的評估方法。

1 架空輸電線路防風能力評估方法

輸電線路的可靠性由各桿塔最大耐受風荷載水平?jīng)Q定。桿塔最大耐受風速是指實際發(fā)生倒塔時的臨界風速。桿塔結(jié)構(gòu)按概率方法設(shè)計，其中桿塔結(jié)構(gòu)強度的代表值即標準值（一定保證率的代表值，對于桿塔鋼結(jié)構(gòu)為95%）。一般認為，當結(jié)構(gòu)外負荷導致的結(jié)構(gòu)應(yīng)力（荷載效應(yīng)）超過強度代表值（標準值）時，結(jié)構(gòu)破壞的可能性較高；當結(jié)構(gòu)荷載低于此數(shù)值時，結(jié)構(gòu)破壞的可能性較低，因此結(jié)構(gòu)破壞的臨界值為標準值。結(jié)構(gòu)是否破壞的驗算應(yīng)采用標準組合，驗算得出某一風速下結(jié)構(gòu)主要風控受力構(gòu)件最大應(yīng)力已達到其強度標準值，此風速即為結(jié)構(gòu)最大耐受風速。若超過此風速，結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件保證率將較低，結(jié)構(gòu)破壞的可能性將較大。

通過線路各桿塔耐受風速的計算和耐受風速的概率計算推導可知，線路的抗風可靠水平和各桿塔抗風可靠水平取決于各桿塔耐受風速和耐受風速超越概率。

1.1 風荷載計算

對于輸電線路風荷載的計算，各國設(shè)計標準依據(jù)歷史與經(jīng)驗各自不同。美標、歐標現(xiàn)行線路設(shè)計標準下的風荷載計算基于風工程理論，充分考慮了陣風效應(yīng)，故其設(shè)計風速即為其耐受風速。例如，美標按60 m/s（3 s時距，33 ft高）風速設(shè)計的桿塔，在設(shè)計使用條件下最大可抵御一個10 m高3 s陣風最大風速為60 m/s的風災(zāi)，即當一個10 m高3 s陣風風速遠大于60 m/s時，按此設(shè)計的鐵塔倒塌的可能性大，當一個10 m高3 s陣風風速小于60 m/s時，此鐵塔倒塌的可能性不大。

與美標、歐標相比，中國設(shè)計標準中陣風效應(yīng)考慮得并不充分，采用的風荷載包含安全系數(shù)（分項系數(shù)）。按中國現(xiàn)行標準，一個風速35 m/s（10 m高10 min平均值）設(shè)計的鐵塔不僅能承受一個10 m高10 min測得平均風速為35 m/s的大風，也可以承受更大的情況。究其原因，在于它在設(shè)計中有總乘積為1.54的分項系數(shù)。但是，它一般也無法承受一個風速為設(shè)計風速1.24倍（相當于風力1.54倍）的風災(zāi)，因為在風荷載計算中未充分考慮陣風效應(yīng)。

1.1.1 風荷載計算推導理論基礎(chǔ)

較為精準的風荷載計算必須與歐美標準一樣，按風的數(shù)學模型構(gòu)建和風工程理論計算。但是，中國的風荷載空間時間關(guān)系必須基于中國的水文氣象觀測結(jié)果，即風荷載作用計算公式推導理論基礎(chǔ)方法與歐美標準一致，而風場參數(shù)宜按中國地域的氣象統(tǒng)計結(jié)果取值，如風壓高度變化系數(shù)、湍流度等。

作用在結(jié)構(gòu)上的風有一個速度大小時刻變化的過程（風時程）。為了簡單地利用擬靜力計算結(jié)構(gòu)風響應(yīng)，可以將風分為平均風和脈動風，通過分析計算得到結(jié)構(gòu)的平均風響應(yīng)和脈動風響應(yīng)，將兩者疊加最終獲得風的總響應(yīng)即總風荷載。

如圖1所示，由風速時程曲線可得風速相關(guān)曲線，建立相關(guān)曲線的數(shù)學表達式即相關(guān)函數(shù)，然后通過傅里葉變換得到風速功率譜的數(shù)學表達式，從而將結(jié)構(gòu)的時域問題轉(zhuǎn)換為頻域問題[1]。

圖1 風速時程曲線

如圖2所示，脈動風數(shù)學處理即通過反應(yīng)譜法將時域問題轉(zhuǎn)化為頻域問題，不僅考慮了結(jié)構(gòu)在風作用過程中的陣風效應(yīng)，而且結(jié)果具有概率統(tǒng)計意義。

結(jié)構(gòu)位移的自譜函數(shù)表達式為：

式中，H(n)為結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)函數(shù)，SF(n)為荷載自譜。

位移的方差可通過對位移自譜函數(shù)積分求得，并代入團流度I=σv/V可以得出：

圖2為典型的高聳結(jié)構(gòu)反應(yīng)函數(shù)與對應(yīng)反應(yīng)譜。

通過近似數(shù)學分離處理手段，忽略第三段貢獻，脈動響應(yīng)可以分為背景響應(yīng)分量①和共振響應(yīng)分量②，則式（2）可表示為：

其中kb和kr分別為背景響應(yīng)因子和共振響應(yīng)因子，則風的總響應(yīng)除以風的平均響應(yīng)的風振系數(shù)βw可以表示為：

其中g(shù)為峰值因子，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）推薦取值為2.5。

圖2 風譜、響應(yīng)函數(shù)與反應(yīng)譜曲線

1.1.2 導地線風荷載推導

導地線作為柔索，其自振振型密集復雜。廣東院在承擔的南網(wǎng)科研項目中采用時程仿真分析發(fā)現(xiàn)，其共振響應(yīng)遠小于背景響應(yīng)，可忽略不計，且歐美日各國的線路設(shè)計標準也忽略了共振響應(yīng)。

1.1.3 絕緣子風荷載計算

絕緣子作為導線延伸的一部分，其脈動作用應(yīng)與導線脈動作用疊加并產(chǎn)生相關(guān)性折減，因此絕緣子背景積分結(jié)果與相連導地線近似相等，取相同陣風系數(shù)。

式中，x、y代表垂直于導線方向與順導線方向；b為絕緣子風振系數(shù)，取其與連接的導地線、跳線的風振系數(shù)βl相等；n為絕緣子串數(shù)；μz為絕緣子平均高處的風壓高度變化系數(shù)；μsi為絕緣子體型系數(shù)，一般取1.0或取試驗數(shù)據(jù)；S為絕緣子串承受風壓面積計算值，單位為m2。λi為絕緣子串風荷載屏蔽等效折減系數(shù)。對單串，λi取1.0；對多串，計算Wxz時，λi取1.0；計算Wyz和Wxj時，雙聯(lián)λi取0.7，三聯(lián)λi取0.5，四聯(lián)λi取0.4；對于V串，不考慮為雙聯(lián)串，將其視為分離的兩個單串不折減。

1.1.4 塔身風荷載推導

我國建筑荷載規(guī)范采用慣性荷載法確定風動力等效靜力風荷載，其數(shù)值等于平均風荷載加脈動風荷載引起的慣性力，最終表達為風振系數(shù)乘以平均風荷載。但是，它的計算涉及鐵塔不同部位的相關(guān)性組合，較為繁雜，因此給出了結(jié)構(gòu)體型、質(zhì)量分布均勻等特殊情況下的背景響應(yīng)近似公式。而對于程序計算，完全可以按隨機振動理論精確求解結(jié)構(gòu)一階振型下的等效背景響應(yīng)，得出對質(zhì)量分布及體型分布不做限定的背景響應(yīng)。

任意高度Zi處的平均風荷載為：

其中，d(zi)、r(zi)分別為Zi質(zhì)點處的體型系數(shù)和擋風面積，n為自由度數(shù)，W0為基本風壓。

1.2 結(jié)構(gòu)驗算

1.2.1 桿塔結(jié)構(gòu)驗算

桿塔結(jié)構(gòu)驗算一般采用標準組合，即按式（6）驗算：

其中，S為荷載標準組合效應(yīng)；Wv為風速為v下的風荷載及其他相應(yīng)條件下相應(yīng)荷載如重量荷載等的標準組合；R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力；fy為結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度標準值，角鋼、鋼管桿件、節(jié)點板取屈服值，螺栓強度標準值按設(shè)計值的1.2倍計算。

我國并沒有螺栓強度的標準值。歐州架空線路設(shè)計標準EN50341-2012中，螺栓強度代表值約為我國標準螺栓強度設(shè)計值的1.2倍。美標ASCE10-97中，螺栓強度代表值約為我國標準螺栓強度設(shè)計值的1.5倍。如果從鋼材強度設(shè)計值與標準值匹配的角度取值，應(yīng)該取螺栓強度驗算代表值為設(shè)計強度值的1.1倍。但是，考慮到中國標準中為了較強的節(jié)點設(shè)計，螺栓設(shè)計強度取值較為保守，最終驗算標準組合中的螺栓強度代表值取為設(shè)計值的1.2倍。

如表1所示，可以驗算已有結(jié)構(gòu)是否滿足式（6）的最大風速Vmax，此風速為鐵塔的耐受風速。驗算控制桿件為鐵塔主材、斜材及其端部節(jié)點等主要風控受力桿件，此類構(gòu)件的破壞退出工作可導致結(jié)構(gòu)成為可失穩(wěn)坍塌結(jié)構(gòu)，因此驗算時應(yīng)甄別局部超靜定隔面構(gòu)件。超靜定隔面類構(gòu)件應(yīng)力超限不一定導致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

我國結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計值比歐美規(guī)范略微保守，鐵塔真型力學試驗表明：按我國結(jié)構(gòu)標準設(shè)計的鐵塔抗力一般為設(shè)計值的110%～150%，為標準值的100%～135%，因此按標準值作為抗力代表值是合適的。由于鋼管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，鐵塔結(jié)構(gòu)抗力水平一般都超過設(shè)計值的120%，故鋼管塔抗力相對較高，且鋼管結(jié)構(gòu)較好的延性也有利于抵抗風脈動。在結(jié)構(gòu)驗算中，將鋼管構(gòu)件的壓穩(wěn)穩(wěn)定系數(shù)取值由規(guī)范的b類柱子曲線提升至a類截面柱子曲線，穩(wěn)定系數(shù)取值提升10%左右，角鋼塔與鋼管塔的抗力評價更加匹配。

1.2.2 桿塔結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)連接驗算

基礎(chǔ)連接一般有插入角鋼與地腳螺栓兩種。插入角鋼外露部分與塔腿連接一體為桿塔結(jié)構(gòu)的一部分，其驗算在桿塔結(jié)構(gòu)驗算中完成。插入角鋼進入基礎(chǔ)部分的錨固力遠大于其外露部分的承載力。中國標準的插入角鋼設(shè)計方法與設(shè)計公式引用美國標準，但錨固力設(shè)計值不足美標的80%，因此驗算時錨固力標準值可取設(shè)計值的1.2倍。

如表2所示，歐美標準對應(yīng)耐受風速荷載的強度設(shè)計值是中國標準的地腳螺栓強度設(shè)計值的1.35～1.5倍。對于驗算情況對應(yīng)的標準組合，材料宜采用標準值。由于地腳螺栓無強度標準值，考慮我國的地腳螺栓強度設(shè)計值較國外標準相對保守，風災(zāi)中破壞現(xiàn)象較少。對于耐受風速驗算，地腳螺栓抗拉強度（允許值）取1.2倍螺栓設(shè)計強度。

以上輸電鐵塔風荷載計算方法與歐美日等國際較為通行的標準基本一致，也基本為新編的行業(yè)規(guī)范《架空輸電線路荷載規(guī)范》（仍在修編）所采納，但與我國現(xiàn)行國標“10規(guī)范”及歷史上其他線路規(guī)范均有較大不同，反映了按歷史上多版規(guī)范設(shè)計的線路桿塔抗風能力不能簡單地從標準推導，而需要通過較精確的計算方法進行驗算評估。

表1 螺栓抗剪強度代表值對比表

表2 地腳螺栓抗拉強度代表值對比表

2 結(jié) 論

上述風荷載計算較精確地考慮了線、塔的陣風效應(yīng)，計算結(jié)果較準確地反映了線、塔體系在風時程過程中的最大（數(shù)秒）瞬間風荷載作用，可獲得較精確的鐵塔線塔體系風荷載。因此，按此荷載驗算的結(jié)構(gòu)可較精確地把握桿塔結(jié)構(gòu)實際抗風能力。