黨強斌

摘 要：當前電力行業(yè)發(fā)展中，各國有著不同的輸電線路設計規(guī)范，通過對各自的風荷載計算公式與計算參數(shù)進行比較，得知我國現(xiàn)行規(guī)范設計中風荷載在數(shù)值上與其他國家的計算結果相似，但參數(shù)規(guī)定方面卻有著一定的討論價值?；诖耍疚囊燥L荷載計算方法作為研究對象，結合輸電線路的設計規(guī)范，闡述了具體的計算公式與各項系數(shù)。

關鍵詞：輸電線路;設計規(guī)范;風荷載;計算方法

中圖分類號：TU312.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0173-02

0 引言

高壓輸電線路屬于風敏感結構，要求設備可以在風荷載作用下安全運行，這對輸電線路設計中的風荷載計算提出了嚴格的要求。有研究人員針對我國現(xiàn)行的GB50545-2012《110-750kV架空輸電線路設計技術規(guī)范》的風荷載進行研究。經比較分析，我國輸電線路風荷載對高度變化十分敏感，桿塔高度較低，風荷載與其他國家的計算結果更加接近;桿塔高度較高，計算結果較大。隨著規(guī)范的重新修訂，輸電線路風荷載計算結合參數(shù)的變化情況，影響了風荷載設計值。

1 輸電線路設計規(guī)范中風荷載的計算公式分析

本文在探究輸電線路風荷載計算方式之前，選擇了以下幾個國家的輸電線路設計規(guī)范，通過對比與分析探究相應的計算公式。風荷載計算公式研究中涉及到以下國家與協(xié)會的設計規(guī)范：

（1）我國GB50545-2010《110-750kV架空輸電線路設計規(guī)范》。桿塔風壓公式為，線條風壓為。公式中W0為基本風壓，分別為風壓高度變化系數(shù)與體型系數(shù)，為風振系數(shù)，α和γ分別為風壓不均勻系數(shù)與荷載系數(shù)。

（2）國際電工協(xié)會規(guī)范IEC60826-2003。桿塔風壓與線條風壓公式分別為和。其中C是體型系數(shù)，G為風振系數(shù)與高度變化系數(shù)，G1是檔距折減系數(shù)，γ是荷載系數(shù)。

（3）美國輸電線路設計規(guī)范ASCE74-2009。桿塔風壓與線條風壓公式具體為和。KZ為風壓高度的變化系數(shù)，C和G分別為體型系數(shù)與風振系數(shù)。

（4）日本輸電線路設計規(guī)范JEC127-1979。桿塔風壓與線條風壓分別為和 。其中α是風壓高度變化系數(shù)，C是體型系數(shù)，K1和K2分別為結構規(guī)模類型系數(shù)與地貌系數(shù)[1]。經過以上分析得知，計算桿塔風荷載情況時，各國設計規(guī)范將高度、風脈動與結構體型因素考慮其中。

2 基本風壓與荷載系數(shù)研究

2.1 基本風壓

基本風壓公式為，公式中，v為最大風速，為空氣密度。中國、日本、國際電工協(xié)會將基本風速指定為10min時距，要求在平坦的地形距離地面10m高度且重現(xiàn)期為50年。美國設計規(guī)范中將基本風速規(guī)定為3s時距，平坦開闊地貌下距離地面10m高且重現(xiàn)期為50年[2]。

2.2 荷載系數(shù)

輸電線路風荷載計算中，荷載系數(shù)可以對輸電線路安全等級加以調整。除了我國現(xiàn)行規(guī)范以外，國際電工協(xié)會、美國與日本都是采用調節(jié)風速重現(xiàn)期的方式來得到荷載系數(shù)。而我國設計規(guī)范中，以結構重要性系數(shù)與風荷載分項系數(shù)為主，將二者相乘，其結果就是荷載系數(shù)。我國GB50545-2010對線路最小基本風速提出了以下規(guī)定內容：不低于500kV電壓等級的高壓線路，10m高度基本風速不能低于每秒26.85m;330kV以下、110kV以上的電路，10m高基本風速不能低于每秒23.4m。我國內陸地區(qū)，基本風速很少有超過每秒25m的，因此人們在設計風速時無需考慮荷載系數(shù)問題。

3 體型系數(shù)研究

3.1 塔架風荷載體型系數(shù)

關于塔架風荷載的體型系數(shù)，該內容與構件形狀、風偏、塔架高寬比有關，有時也會聯(lián)系到周圍遮蔽情況和塔架自身填充率。分析各國家輸電線路設計規(guī)范中桿塔填充料與體型系數(shù)之間的關系，為了強化研究效果，建議將塔身截面設置為矩形，將構件定義為角鋼桿塔。桿塔風荷載的體型系數(shù)和填充料關系密切。桿塔填充率越大，體型系數(shù)就會越小;桿塔填充料越小，體型系數(shù)就會越大，這是因為構件與構件之間存在遮蔽效應。當填充率相同時，結合不同國家的設計規(guī)范，將體型系數(shù)進行對比，發(fā)現(xiàn)除了我國GB50545-2010輸電線路設計規(guī)范以外，美國、日本和國際電工協(xié)會設計規(guī)范中的體型系數(shù)更接近。應用日本輸電線路設計規(guī)范JEC127-1979的公式計算體型系數(shù)研究，當桿塔填充料一致的情況下，橫擔風荷載體型系數(shù)比桿塔低45%。由此可見，日本輸電線路設計規(guī)范在風荷載體型系數(shù)方面的研究更加細致，計算的結果也更加精確，這一點需要我國GB50545設計規(guī)范學習[3]。

3.2 導線與地線體型系數(shù)

我國GB50545線路風荷載設計規(guī)定中，導線與地線體型系數(shù)是。線路直徑低于17mm，或者線路表面覆冰時，體型系數(shù)為1.2。線路直徑超過17mm時，體型系數(shù)為1.1。結合線路的實際運行情況，超過220kV的導線直徑也超過了17mm?；谶@一情況，我國對高壓線路導線和地線風荷載計算時，體型系數(shù)統(tǒng)一取值為1.1。

國際電工協(xié)會規(guī)范IEC60826-2003提出以下規(guī)定：缺乏直接性測量或沒有直接進行風洞實驗的情況下，一般導線風荷載體型系數(shù)為1.0。

美國輸電線路設計規(guī)范ASCE74-2009中提出了導線與地線風荷載體型系數(shù)的取值為1.0。導線和地線風荷載體型系數(shù)與雷諾數(shù)有關聯(lián)，當雷諾數(shù)低于3×104時，線路風荷載體型系數(shù)會超過1，美國輸電線路設計規(guī)范中的最小設計風速中，如果導線與地線直徑超過13mm，與此同時雷諾數(shù)大于3×104。由此，導線與地線風荷載體型系數(shù)取值為1.0。

日本輸電線路設計規(guī)范JEC127-1979中也是結合雷諾數(shù)進行線路圓截面風荷載體型系數(shù)的研究。當雷諾數(shù)低于4×105的時候，輸電線路風荷載體型系數(shù)為1.2;當雷諾數(shù)超過4×105時，輸電線路導線與地線風荷載體型系數(shù)為0.75。正常情況下，線路雷諾數(shù)不會超過4×105，所以風荷載體型系數(shù)多數(shù)會取值為1.2。

4 風壓高度變化系數(shù)

4.1 桿塔風壓高度系數(shù)

針對線路風壓高度的變化系數(shù)，各國設計規(guī)范分別從地形地貌與基準高度角度出發(fā)，探究這些因素給風壓高度系數(shù)帶來的影響與變化。中國、美國與日本的輸電線路風荷載設計規(guī)范將風速根據(jù)高度的變化來規(guī)定風壓高度系數(shù)的，國際電工協(xié)會是綜合系數(shù)角度考慮風塔高度系數(shù)。不同規(guī)范中，標準地貌規(guī)定方面，美國風荷載設計規(guī)范規(guī)定了C類地貌，其他規(guī)范規(guī)定了B類地貌為標準地貌。我國GB50545線路風荷載設計規(guī)范數(shù)值比國際電工協(xié)會規(guī)范IEC60826-2003要小。

不同國家的線路風荷載設計規(guī)范中，針對桿塔分段節(jié)離地高度做出了不同的規(guī)定。我國GB50545規(guī)定了節(jié)間頂點處計算離地高度;美國ASCE規(guī)范規(guī)定了重心處計算離地高度;日本JEC規(guī)范規(guī)定了中心處計算離地高度。所有的風壓高度變化系數(shù)和離地高度計算中，美國ASCE規(guī)范得出的計算值與實際最相符，我國GB50545規(guī)范中計算值較大，日本JEC規(guī)范的計算結果與真實情況相比偏小[4]。

4.2 導線與地線風壓高度變化系數(shù)

針對不同規(guī)范中對于導線與地線離地高度做出了以下規(guī)定：（1）日本JEC規(guī)范與中國GB50545規(guī)范提出導線離地高度為三分之一弧垂高度與最低點離地高度之和。（2）美國ASCE提出導線與地線風壓高度變化系數(shù)應為桿塔附著點離地高度和三分之一弧垂高度之差。（3）國際電工協(xié)會IEC規(guī)范中提出導線與地線離地高度為桿塔附著點高度。GB50545和JEC規(guī)范中，對導線和地線風壓高度變化系數(shù)的設置更加貼近于實際，ASCE與IEC規(guī)范中，風壓高度變化系數(shù)可能偏離實際，最終導致風荷載較大。

5 風振系數(shù)研究

各項規(guī)范中，對于導線和地線風振系數(shù)的規(guī)定基本相似，各規(guī)范根據(jù)桿塔風振系數(shù)做出比較，通過風振系數(shù)的研究了解風荷載計算方式。中國GB50545規(guī)范提出了以下關于風振系數(shù)的內容，桿塔高度低于60m時，全高使用1個風振系數(shù);桿塔高度超過60m時，結合《建筑結構荷載規(guī)范》中提出的內容，應用自下而上不斷增加的數(shù)值變化情況，但風振系數(shù)不應低于1.6。國際電工協(xié)會IEC規(guī)范中的G綜合高度風壓系數(shù)與風動脈影響情況，對風振系數(shù)做出了相應規(guī)定。風壓高度系數(shù)分離之后，風振系數(shù)也被分離出來，最終得出與我國GB50545規(guī)范相當?shù)娘L荷載系數(shù)，但其規(guī)律相反。美國ASCE規(guī)范中陣風系數(shù)包含10min與3s風速轉換和風脈動影響。將轉換因素分離出來后，數(shù)值與我國GB50545規(guī)范風荷載系數(shù)相似，隨著高度的增加，風荷載系數(shù)下降，這與桿塔的體型無關，一個桿塔的高度會對應一個系數(shù)值。經比較發(fā)現(xiàn)，我國GB50545規(guī)范各其他國家不同，風振系數(shù)在高度不同情況下變化趨勢也會不同，這是因為我國設計規(guī)范應用的自下而上的風振系數(shù)，數(shù)值逐漸變大。與日本、美國、國際電工協(xié)會提出的風振系數(shù)變化情況相比，安全度相同狀態(tài)下，桿塔底部彎矩會較大，這樣的設計方式可能會增加施工成本。

我國GB50545規(guī)范只適合用在外形和重量不受高度影響的等截面結構，規(guī)范沒有考慮到輸電塔橫擔質量的變化可能。我國荷載規(guī)范中，桿塔全高不超過60m時，桿塔風荷載調整系數(shù)應按照規(guī)定對全高采用統(tǒng)一一個系數(shù);當塔體超過60m，風振系數(shù)從荷載規(guī)范中引用即可，但這樣的引用方式會影響桿塔自身風荷載計算結果。10mm及以下冰區(qū)不均勻覆冰情況的導、地線不平衡張力取值應不低于下表規(guī)定的導、地線最大使用張力的百分數(shù)，同時垂直冰荷載按75%設計覆冰荷載計算。2012年后，新的荷載計算規(guī)范針對線路風荷載計算提出了地面粗糙度系數(shù)的調整，隨著風壓高度系數(shù)的變化，地面粗糙度系數(shù)也會變化，即0.16調整為0.15。整體來看，塔底彎矩大了14%，這樣的變回將導致輸電線路建設成本增加，不利于電力企業(yè)的經濟效益提升。

6 結語

總而言之，現(xiàn)代化電力行業(yè)發(fā)展狀態(tài)下，電力企業(yè)從經濟效益角度出發(fā)根據(jù)相應的規(guī)范對輸電線路風力荷載情況加以計算。本文從日本JEC規(guī)范、中國GB50545規(guī)范、美國ASCE規(guī)范、國際電工協(xié)會IEC規(guī)范四種規(guī)范角度入手，結合各自的相同點與不同點分析風力荷載計算方式。我國設計規(guī)范規(guī)定了最小風速，綜合結構重要性系數(shù)與風力荷載分項系數(shù)等影響因素，保證了桿塔安全性。

參考文獻

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