陳孔陽　王勇　郭銳　譚文韜　周震?！♀o佳偉

：介紹了結(jié)構(gòu)的可靠性與可靠度的基本概念以及可靠指標(biāo)的計(jì)算方法，回顧了我國輸電線路桿塔主要規(guī)范的修訂歷程及相應(yīng)的桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法;進(jìn)而從結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系兩個(gè)層次分析了我國輸電桿塔結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件可靠度的研究進(jìn)展。結(jié)果表明，我國輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)基本達(dá)不到設(shè)計(jì)可靠指標(biāo)的要求;需從結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系兩個(gè)層次提高桿塔結(jié)構(gòu)的可靠度設(shè)置水平;應(yīng)建立桿塔結(jié)構(gòu)可靠度分析所需變量的統(tǒng)計(jì)資料庫。

：輸電桿塔結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)體系 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 可靠度 可靠指標(biāo)

中圖分類號(hào)：?TM75 ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???文章編號(hào)：1672-3791（2021）02（b）-0000-00

State of the Art in the Reliability of Transmission Tower Structure in China

： The paper briefly introduces the basic conceptions of reliability and degree of reliability as well as the computing method of the reliability index. Then the paper reviews the main standards and technical codes in regard to the transmission tower structure in China， and the design methods of the tower structure are also summarized. On this basis， the analysis on the research advances in the reliability of transmission tower structure are conducted in structural system. The researches show that the reliability index of the transmission tower structural system cannot meet the requirement of the designed reliability index. The reliability level of the transmission tower structure is supposed to be improved not only from the perspective of structural member but also from the perspective of the system. The research on the statistical parameters of the basic variables in the performance function applicable to the transmission tower structure is indispensable.

Transmission tower structure; Structural system; Structural member; Degree of reliability; Reliability index

我國輸電桿塔結(jié)構(gòu)以前一直沿用前蘇聯(lián)的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，1999年改為以概率統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，采用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式。近些年來，我國氣候條件復(fù)雜多變，冰、風(fēng)、地震等自然災(zāi)害頻發(fā)，給輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)帶來了巨大挑戰(zhàn)。在這種情況下，研究我國輸電線路桿塔的可靠度以及如何適當(dāng)提高其可靠度水平， 具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下，完成結(jié)構(gòu)預(yù)定功能的能力?？煽慷仁侵附Y(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下，完成結(jié)構(gòu)預(yù)定功能的概率，也可稱為可靠概率。由此可見，后者是前者的定量描述。而可靠指標(biāo)是度量結(jié)構(gòu)可靠度的數(shù)值指標(biāo)，為失效概率負(fù)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)的反函數(shù)。

若結(jié)構(gòu)抗力表示為，作用效應(yīng)表示為，則表示判斷結(jié)構(gòu)是否能夠完成預(yù)定功能的功能函數(shù)如下：

式（1）中：（?）為結(jié)構(gòu)的功能函數(shù);（=1，2，…，）為基本變量，指結(jié)構(gòu)上的各種作用影響、材料、環(huán)境、巖土指標(biāo)及幾何參數(shù)等，基本變量在可靠度分析過程中作為隨機(jī)變量。

結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)處于正常運(yùn)行狀態(tài)、完成預(yù)定功能的概率，即

當(dāng)功能函數(shù)值服從正態(tài)分布時(shí)，結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)可表示為：

式（3）中：為隨機(jī)變量的平均值;為隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)差。

通過結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)建立與結(jié)構(gòu)的可靠度（即可靠概率）和失效概率的對(duì)應(yīng)關(guān)系式如下：

在實(shí)際工程中，由于很難得各項(xiàng)基本變量在功能函數(shù)中的真實(shí)分布情況，想要通過精確的概率計(jì)算得到可靠指標(biāo)常常存在很大的困難，因此許多國內(nèi)外學(xué)者提出了近似計(jì)算可靠指標(biāo)的方法。目前國內(nèi)外主要的設(shè)計(jì)規(guī)范基本采用一種實(shí)用的近似概率法——一次二階矩法。一次二階矩法采用隨機(jī)變量的一階矩和二階矩（均值和方差）來描述隨機(jī)變量的分布特性，在數(shù)學(xué)計(jì)算上采取了一些近似簡化方法，即線性化方法。在可靠指標(biāo)計(jì)算方法中，一次二階矩法最簡單、最常用的計(jì)算方法，多數(shù)其他方法是以一次二階矩法為基礎(chǔ)加以延伸。一次二階矩法又分成兩種主要計(jì)算方法：中心點(diǎn)法和驗(yàn)算點(diǎn)法。

中心點(diǎn)法局限性較大，只有在基本變量服從正態(tài)分布，且功能函數(shù)為線性方程的情況下才可以適用。而在實(shí)際工程中，多數(shù)基本變量不滿足服從正態(tài)分布的條件，其功能函數(shù)也常常是非線性方程。因此，若采用中心點(diǎn)法計(jì)算實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，則計(jì)算結(jié)果誤差較大。

為使理論模式與客觀實(shí)際相符，國際《結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會(huì)（JCSS）》推薦了驗(yàn)算點(diǎn)法（JC法），驗(yàn)算點(diǎn)法是一種對(duì)中心點(diǎn)法的改進(jìn)方法，這種方法不再要求基本變量滿足正態(tài)分布，而是考慮到基本變量的實(shí)際任意分布，通過數(shù)學(xué)變換將基本變量任意分布轉(zhuǎn)化為當(dāng)量正態(tài)分布后，再進(jìn)行可靠指標(biāo)計(jì)算。采用這種方法，可以對(duì)可靠指標(biāo)進(jìn)行更加精確的近似計(jì)算，更適用于實(shí)際工程應(yīng)用，且計(jì)算量和計(jì)算難度增加不大。

20世紀(jì)50年代我國水利部參考前蘇聯(lián)的相關(guān)規(guī)范，頒布了《高壓架空電力線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》。為了規(guī)范35～330 kV架空送電線路設(shè)計(jì)，1979年水利部頒布實(shí)施SDJ 3-79《架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》。1999年經(jīng)貿(mào)委頒布DL/T 5092-1999P《110～500 kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》，將架空送電線路設(shè)計(jì)的適用范圍調(diào)整為110～500 kV。2010年建設(shè)部針對(duì)2008年冰災(zāi)情況，修訂了GB 50545-2010《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，增加了750 kV內(nèi)容及覆冰工況。2019年國家發(fā)布了關(guān)于輸電線路荷載的新規(guī)范DL/T 5551-2018《架空輸電線路荷載規(guī)范》。上述規(guī)范起初采用容許應(yīng)力法（鋼結(jié)構(gòu)）和安全系數(shù)法（RC構(gòu)件），但自1999年起全面采用了以概率統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。

2.2可靠度分析應(yīng)考慮的荷載組合和設(shè)計(jì)工況

輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的荷載按隨時(shí)間的變化，可分為永久荷載和可變荷載。由于永久荷載變異系數(shù)小，因而可將各永久荷載作用效應(yīng)作為一種荷載效應(yīng)?？勺兒奢d主要有風(fēng)荷載、冰雪荷載、導(dǎo)線張力、地線張力、拉線張力、安裝檢修附加荷載、結(jié)構(gòu)變形引起的次生荷載等。結(jié)合輸電線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及輸電桿塔結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定可知，在輸電線路及桿塔運(yùn)行的某一時(shí)刻，一般只考慮一種可變荷載對(duì)作用效應(yīng)起控制作用。

在設(shè)計(jì)輸電桿塔結(jié)構(gòu)時(shí)，正常運(yùn)行情況、斷線情況和安裝情況的荷載組合是各類桿塔的基本荷載組合。當(dāng)線路工程處于氣象區(qū)有覆冰條件時(shí)，還應(yīng)計(jì)算不均勻覆冰的情況。此外，輸電桿塔結(jié)構(gòu)的失效只考慮運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的失效，而不考慮安裝荷載以及安裝荷載所控制的構(gòu)件。

安利強(qiáng)等人采用一次二階矩方法對(duì)河西走廊實(shí)施的±80 0kV/750 kV交直流同塔多回線路桿塔進(jìn)行了可靠度計(jì)算，結(jié)果表明，大風(fēng)工況下±800 kV設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的構(gòu)件可靠度指標(biāo)均值為3.588，各自設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的構(gòu)件可靠度指標(biāo)均值為3.341，均小于該工程一級(jí)安全等級(jí)下的目標(biāo)可靠度指標(biāo)3.7。楊風(fēng)利依據(jù)現(xiàn)行輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范，采用JC法計(jì)算了大風(fēng)工況和風(fēng)冰組合工況下輸電線路桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)，結(jié)果表明，兩種工況下100年重現(xiàn)期的桿塔構(gòu)件可靠指標(biāo)范圍分別為3.95～4.29和3.43～3.71，比荷載采用50年重現(xiàn)期時(shí)分別提高了大約25.7%和25.5%。孟令星等人以某500 kV跨越高速鐵路輸電塔-線體系為工程背景，采用JC法（改進(jìn)的一次二階矩法）分析了上述輸電桿塔結(jié)構(gòu)中單構(gòu)件的可靠指標(biāo)，對(duì)可靠指標(biāo)水平最低桿件的位置進(jìn)行了分析，為工程設(shè)計(jì)提供了有益參考。

在實(shí)際的輸電桿塔工程中，若整體結(jié)構(gòu)中僅有某個(gè)構(gòu)件破壞，未必會(huì)導(dǎo)致整個(gè)輸電桿塔結(jié)構(gòu)的失效。更大的可能是，在若干構(gòu)件相繼破壞后，桿塔結(jié)構(gòu)才出現(xiàn)破壞，這若干個(gè)構(gòu)件的先后失效構(gòu)成了一個(gè)失效模式。在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，由于荷載的隨機(jī)屬性、結(jié)構(gòu)失效模式多樣性等因素，增加了工程結(jié)構(gòu)體系的可靠度問題的復(fù)雜程度，至今整個(gè)工程結(jié)構(gòu)體系的可靠度研究仍處于初始階段。

劉玥君等人以220 kV貓頭型角鋼塔為例，采用數(shù)值模擬方法，探究了輸電線路在冰風(fēng)荷載作用下的可靠度，結(jié)果表明，覆冰厚度為30 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)不大于2.33;風(fēng)速為10 m/s時(shí)，結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)不大于2.44。陳波等人基于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)研究了小根開細(xì)柔輸電桿塔在不同強(qiáng)度風(fēng)荷載作用下的可靠性，結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)速回歸期取為100年時(shí)，風(fēng)速大小為38.98 m/s，45°、60°和90°風(fēng)向下可靠指標(biāo)分別為2.2、2.3、3.2，如若在風(fēng)速接近60 m/s的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下，桿塔的破壞概率超過30%。孟令星等人以某500kV跨越高速鐵路輸電塔-線體系為工程背景，采用窄界限法分析了輸電桿塔體系的可靠指標(biāo)，并分別計(jì)算了不同荷載工況下輸電桿塔的可靠度，結(jié)果表明，整個(gè)桿塔體系的可靠指標(biāo)低于3.7，不滿足跨越高速鐵路輸電線路桿塔的可靠指標(biāo)要求。

目前的基本共識(shí)是我國輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的可靠指標(biāo)尚達(dá)不到工程結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo)的要求。作為生命線工程的重要載體，輸電桿塔結(jié)構(gòu)的可靠度設(shè)置水平應(yīng)予以適當(dāng)?shù)奶岣摺?yīng)加強(qiáng)輸電桿塔體系可靠度方面的基礎(chǔ)性研究，為我國輸電桿塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用基于結(jié)構(gòu)體系目標(biāo)可靠度設(shè)計(jì)方法提供理論基礎(chǔ)。建議對(duì)輸電桿塔結(jié)構(gòu)的荷載加強(qiáng)調(diào)研和統(tǒng)計(jì)分析，為桿塔結(jié)構(gòu)體系的可靠度分析提供基礎(chǔ)性資料。

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作者簡介：陳孔陽（1993—），女，博士，工程師，研究方向?yàn)檩旊娋€路設(shè)計(jì)。