換流站避雷線塔風(fēng)振系數(shù)計算

陳寅,陳傳新,張華,夏正東

（中南電力設(shè)計院，湖北武漢430071）

避雷線塔是換流站重要的高聳結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物。風(fēng)荷載是其主要的設(shè)計荷載。目前還沒有相關(guān)的設(shè)計規(guī)范對避雷線塔風(fēng)振系數(shù)的取值提出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為了方便設(shè)計，本文將根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB500009-2006）、《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50135-2006）以及對比日本荷載規(guī)范2004版中的相關(guān)內(nèi)容（以下將分別簡稱《荷載規(guī)范》、《高聳規(guī)范》和日本規(guī)范），對24.5m（塔型1）和34.5m（塔型2）兩種形式三腳塔以及28m（塔型3）、34.5m（塔型4）兩種形式四角塔的風(fēng)振系數(shù)取值結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)而對避雷塔架結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)計算方法和取值給出建議。

1 常用幾種避雷線塔的結(jié)構(gòu)形式

換流站常用幾種避雷塔架2結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

2 基本自振周期計算

由于避雷塔架現(xiàn)階段并無相關(guān)計算自振周期的經(jīng)驗計算式，本文參考《荷載規(guī)范》高聳鋼結(jié)構(gòu)自振周期近似計算式即：

式中，T1為結(jié)構(gòu)第一自振周期，s；H為全塔高度，m；對于鋼結(jié)構(gòu)計算式中的系數(shù)可取高值，本文取0.013。

由式（1）可得上述4種塔型的自振周期，所得結(jié)果見表1；同時采用通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件STAAD對上述4種塔型進(jìn)行建模分析后所得自振周期結(jié)果見表1。

圖1 避雷塔架結(jié)構(gòu)形式

表1 避雷塔自振周期

從表1可以看出，總體來說采用式（1）計算所得結(jié)構(gòu)自振周期與采用Staad軟件所得結(jié)果，除第2塔型略有差別外，其他3種塔型相對符合較好；同時四腳塔以及塔身高度較低時，采用經(jīng)驗公式所得值與采用Staad軟件所得值相對更為吻合。

3 風(fēng)振系數(shù)計算

大氣邊界層中的風(fēng)可分為長周期的平均風(fēng)和短周期的脈動風(fēng)。脈動風(fēng)會引起結(jié)構(gòu)振動,其大小決定于結(jié)構(gòu)的動力特性。風(fēng)振系數(shù)的大小與結(jié)構(gòu)本身特性以及自然條件,其值不僅影響避雷塔的安全和可靠度，也影響到設(shè)計時塔材的選取，中國的建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中,風(fēng)作用的動力影響是通過風(fēng)振系數(shù)來表達(dá)的。中國規(guī)范中的βz同時考慮了風(fēng)的脈動和結(jié)構(gòu)的風(fēng)振效應(yīng),其值沿高是變化的；而日本規(guī)范對于結(jié)構(gòu)整體采用的陣風(fēng)影響因子來描述。

3.1 各規(guī)范有關(guān)風(fēng)振系數(shù)的計算公式

1）《荷載規(guī)范》中規(guī)定對于一般懸臂結(jié)構(gòu)，如塔架等高聳結(jié)構(gòu)，均可僅考慮第一振型的影響。結(jié)構(gòu)在z高度處的風(fēng)振系數(shù)βz可按式（2）來進(jìn)行計算：

式中，ε為脈動增大系數(shù)；v為脈動影響系數(shù)；θB為構(gòu)筑物迎風(fēng)面在z高度處的寬度B與底部寬度B0的比值；θv為脈動影響系數(shù)的修正系數(shù)；φz為振型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

2）《高聳規(guī)范》中規(guī)定自立式高聳結(jié)構(gòu)在z高度處的風(fēng)振系數(shù)βz可按式（3）確定：

式中,ξ為脈動增大系數(shù);ε1為風(fēng)壓脈動和風(fēng)壓高度等的影響系數(shù)；ε2為振型、結(jié)構(gòu)外形的影響系數(shù)。

3）日本規(guī)范中對于結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)振響應(yīng)采用整體的陣風(fēng)影響因子來描述，類似與我國規(guī)范的風(fēng)振系數(shù)。在其規(guī)范中對于高度在40m以下，或者設(shè)計風(fēng)速小于40 m/s的柔性結(jié)構(gòu)陣風(fēng)影響因子Gf的計算式如（4）：

式中，Gf為陣風(fēng)影響因子；rf為紊流因子Bf為 背 景 激 勵 因 子 ，Bf=1-1/；IH為參考高度處的紊流度，IH=0.1（H/ZG）-a-0.05；LH為參考高度處的紊流尺度，LH＝100（H/30）0.5；ZG為梯度風(fēng)高度；a為風(fēng)剖面指數(shù)律指數(shù)。

3.2 計算結(jié)果對比分析

該場地為B類地貌（對應(yīng)于日本規(guī)范的II類地貌），50年一遇基本風(fēng)壓取w0=0.5 kN/m2。分別采用公式（2）、（3）和（4）式對上述4種避雷塔進(jìn)行計算。1）采用Staad分析軟件分析所得自振周期進(jìn)行風(fēng)振系數(shù)計算

從表2和表3可看出，分別采用荷載規(guī)范和高聳規(guī)范計算所得4種避雷塔架的風(fēng)振系數(shù)值是一致的；同時可以看出2種方法計算得到的風(fēng)振系數(shù)均隨著高度的增加而增大，其加權(quán)平均值在1.5左右，而文獻(xiàn)[5]中所述格構(gòu)式避雷塔架風(fēng)振系數(shù)取值為1.5，兩者是一致的；對比荷載規(guī)范和高聳規(guī)范的計算式可發(fā)現(xiàn)，顯然高聳規(guī)范的計算式更為簡單，更適合工程中應(yīng)用。而根據(jù)日本規(guī)范算出的陣風(fēng)影響因子（相當(dāng)于我國規(guī)范的風(fēng)振系數(shù)）的值在1.8左右，比采用國內(nèi)規(guī)范所得結(jié)果要大20%左右。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中所述，對干字型輸電塔架分別采用理論計算與荷載規(guī)范中的計算式進(jìn)行計算，兩者所得趨勢，除個別質(zhì)量突變點外，是一致的，規(guī)范所得風(fēng)振系數(shù)值要略偏于保守，由此可知采用日本規(guī)范所得風(fēng)影響因子計算結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載將更為保守。

表2 不同規(guī)范三腳塔風(fēng)振系數(shù)值

表3 不同規(guī)范四腳塔風(fēng)振系數(shù)值

2）自振周期誤差對風(fēng)振系數(shù)計算結(jié)果的影響

由表1可看出，第2塔形采用Staad有限元分析所得自振周期與采用式（1）所得結(jié)果相差較大，現(xiàn)將兩者計算所得風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行對比，如表4。從表4可看出，Staad所得自振周期與經(jīng)驗公式計算值相差24%，但最終所得風(fēng)振系數(shù)相差8%左右。由此可見采用式（1）計算自振周期，最終所得到得風(fēng)振系數(shù)的誤差范圍是可以接受的，與采用Staad所得結(jié)果相差較小。

表4 不同自振周期所得風(fēng)振系數(shù)值對比（采用《荷載規(guī)范》方法）

4 結(jié)論

通過對不同規(guī)范下風(fēng)振系數(shù)計算結(jié)果進(jìn)行比較,可得到以下結(jié)論:

1）采用荷載規(guī)范所建議的自振周期計算式（1）（系數(shù)取0.013），所得格構(gòu)式避雷塔自振周期與采用Staad軟件所得結(jié)果，除第2塔型略有誤差外，其他3種塔型均符合較好。

2）采用式（1）計算所得格構(gòu)式避雷塔自振周期進(jìn)行風(fēng)振系數(shù)計算，其所得結(jié)果與采用Staad軟件所得結(jié)果相差較小，因此采用式（1）所得格構(gòu)式避雷塔自振周期進(jìn)行風(fēng)振系數(shù)計算在工程上是可行的。

3）分別采用荷載規(guī)范和高聳規(guī)范計算所得四種格構(gòu)式避雷塔的風(fēng)振系數(shù)值是一致的，其值均隨高度的增加而增大；同時可知高度在35 m及以下的格構(gòu)式避雷塔，其風(fēng)振系數(shù)加權(quán)平均值在1.5左右。

4）采用高聳規(guī)范計算避雷塔架的風(fēng)振系數(shù)，取值較為方便，更適合工程中應(yīng)用。

5）日本規(guī)范算出的陣風(fēng)影響因子（相當(dāng)于我國規(guī)范的風(fēng)振系數(shù)）的值在1.8左右，較國內(nèi)規(guī)范大20%左右，比較偏于保守。

6）文獻(xiàn)5中所述格構(gòu)式避雷塔整體風(fēng)振系數(shù)取值為1.5是比較合適的。

[1]GB500092—2006建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社.

[2]GB50135—2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社.

[3] 張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程:理論.規(guī)范.實踐[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社.2006.

[4] 吳海洋，王開明，馮云巍.基于準(zhǔn)穩(wěn)定理論輸電塔風(fēng)振系數(shù)計算方法[J].電力建設(shè),2009(6):36-38.

[5] 中國電力設(shè)計院變電架構(gòu)設(shè)計手冊[M].武漢:中南電力設(shè)計院.2006.