國(guó)際電力工程中不同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算方法

李興凱，王堯，丘海珊

(河北電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊市 050031)

0 引言

隨著國(guó)際電力工程的增多，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)成為設(shè)計(jì)人員必須面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題。在電力工程中，設(shè)計(jì)風(fēng)速對(duì)建筑物的造價(jià)影響很大，例如輸電線路桿塔的荷載主要是塔身風(fēng)荷載、導(dǎo)地線風(fēng)荷載、導(dǎo)地線張力、導(dǎo)地線覆冰、桿塔自重、導(dǎo)地線自重等，特別是輕冰區(qū)直線塔主要桿件的承載受大風(fēng)影響更大。設(shè)計(jì)風(fēng)速越大，鐵塔質(zhì)量也越大，工程投資也會(huì)越大。因此，如何在不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下合理確定設(shè)計(jì)風(fēng)速的取值對(duì)電力工程安全運(yùn)行和降低工程造價(jià)均具有重要意義。

國(guó)際電力工程的標(biāo)書中規(guī)定采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一般為美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，或者不低于本國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。本文針對(duì)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASCE/SEI 7－05—2006《Minimum design loads for buildings and other structures》［1］、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60826—2003《Designcriteriaofoverhead transmission lines》［2］和我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB 5009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(2006年版)［3］中設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算方法存在的差異進(jìn)行比較和分析，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的方法對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析研究，為以后的國(guó)際電力工程勘測(cè)設(shè)計(jì)工作提供參考。

1 研究?jī)?nèi)容

設(shè)計(jì)風(fēng)速主要涉及6個(gè)方面的問(wèn)題:(1)地面粗糙度;(2)設(shè)計(jì)高度;(3)平均風(fēng)速時(shí)距;(4)重現(xiàn)期; (5)選樣方法;(6)試線線型。其中，國(guó)際上大多數(shù)國(guó)家在選樣方法和試線線型方面比較一致，本文針對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)速的前4個(gè)問(wèn)題進(jìn)行比較和分析。

2 地面粗糙度

地表越粗糙，風(fēng)能消耗越厲害，平均風(fēng)速也就越低。粗糙度的不同，影響著平均風(fēng)速的取值，因此需要對(duì)平均風(fēng)速規(guī)定一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)。GB 5009—2001和IEC 60826—2003均將地形類別分為A、B、C、D 4類，ASCE/SEI 7－05—2006推薦了B、C、D這3種地形類型，地面粗糙指數(shù)α取值見表1。

表1 地面粗糙指數(shù)α取值Tab.1Value of ground roughness index α

目前大多數(shù)國(guó)家的氣象站位于城市的郊區(qū)，周圍一般空曠平坦或有少量低層房屋。3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)基本風(fēng)速的規(guī)定中GB 5009—2001的B類地形為“田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)”，IEC 60826—2003的B類地形為“只有少數(shù)障礙物的鄉(xiāng)村”，ASCE/SEI 7－05—2006的C類地形為“平坦或空曠的鄉(xiāng)村地區(qū)”。由各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地形的描述可知，基本風(fēng)速的地形類型是一致的;在粗糙度取值上，GB 5009—2001的B類地形和IEC 60826—2003的B類地形α均取0.16，ASCE/SEI 7－05—2006的C類地形α取1/6.5(0.154)，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)基本一致。

3 平均風(fēng)速時(shí)距

風(fēng)速統(tǒng)計(jì)時(shí)距不同，所求得的平均風(fēng)速自然亦不相同。在國(guó)際上很多國(guó)家的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)中，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距的取值并不一致。GB 5009—2001和IEC 60826—2003中規(guī)定基本風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)時(shí)距為10 min，ASCE/SEI 7－05—2006中規(guī)定的基本風(fēng)速統(tǒng)計(jì)時(shí)距為3 s。

3.1 我國(guó)對(duì)風(fēng)速時(shí)距轉(zhuǎn)換的研究

我國(guó)關(guān)于不同風(fēng)速時(shí)距轉(zhuǎn)換的研究成果如下式:

式中:vt為統(tǒng)計(jì)時(shí)距為t的平均風(fēng)速，m/s;v為10 min平均風(fēng)速，m/s;t為時(shí)距，s。

文獻(xiàn)［4］給出了瞬時(shí)風(fēng)速v1與10 min風(fēng)速v的轉(zhuǎn)換關(guān)系，見表2。

表2 瞬時(shí)風(fēng)速與10 min風(fēng)速的轉(zhuǎn)換關(guān)系Tab.2Conversion relation of instantaneous wind speed and average wind speed in 10 minutes

3.2 IEC 60826—2003中風(fēng)速時(shí)距的轉(zhuǎn)換關(guān)系

IEC 60826—2003中提供了時(shí)距為t的平均風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速關(guān)系曲線，見圖1。在曲線上查得vt/v600(v600表示時(shí)距為10 min(600 s)的平均風(fēng)速)，即可求出10 min平均風(fēng)速。

圖1 時(shí)距為t的平均風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速關(guān)系曲線Fig.1Relation curves of average wind speed between t and 10 minutes

3.3 ASCE/SEI 7－05—2006中風(fēng)速時(shí)距的轉(zhuǎn)換關(guān)系

ASCE/SEI 7－05—2006中提供了時(shí)距為t的平均風(fēng)速與1 h的平均風(fēng)速關(guān)系曲線，見圖2。在曲線上查得vt/v3600、v600/v3600(v3600表示時(shí)距1 h (3 600 s)的平均風(fēng)速)即可得出10 min平均風(fēng)速。

圖2 時(shí)距為t的平均風(fēng)速與1 h的平均風(fēng)速關(guān)系曲線Fig.2Relation curves of average wind speed between t and 1 hour

3.4 不同標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距轉(zhuǎn)換結(jié)果的對(duì)比

根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)分別整理出不同時(shí)距的平均風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速的比值，結(jié)果見表3。

由表中結(jié)果可知，各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同統(tǒng)計(jì)時(shí)距風(fēng)速換算的比值相差不大，誤差一般小于5%。

4 設(shè)計(jì)高度

風(fēng)速隨高度而變化，離地越近，由于地表摩擦能量消耗較大，平均風(fēng)速也就越低。工程設(shè)計(jì)中一般要求提供某一高度的設(shè)計(jì)風(fēng)速。GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/SEI 7－05—2006中對(duì)基本風(fēng)速的規(guī)定中標(biāo)準(zhǔn)高度取10 m。GB 5009—2001和IEC 60826—2003中不同高度風(fēng)速與10 m高風(fēng)速的轉(zhuǎn)換公式為

表3 不同時(shí)距平均風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速比值Tab.3Average wind speed ratio of different time and 10 minutes

式中:vh為高度h處的風(fēng)速;v為高度10 m處的風(fēng)速; α為地面粗糙指數(shù)。

ASCE/SEI 7－05—2006中不同高度的風(fēng)速與10 m高風(fēng)速的轉(zhuǎn)換公式為

由ASCE/SEI 7－05—2006中不同時(shí)距t的風(fēng)速vt與平均1 h風(fēng)速v3600的轉(zhuǎn)換關(guān)系，查得v3600/v3= 0.65，式(2)轉(zhuǎn)換為

式中:v3600為高度10 m處平均1 h風(fēng)速。vt/v3600，等式左側(cè)乘以，等式右側(cè)乘以vt/ v3600，式(2)轉(zhuǎn)換為

因此，ASCE/SEI 7－05—2006中給出的不同高度的風(fēng)速與10 m高風(fēng)速的轉(zhuǎn)換公式也可以用式(1)來(lái)表示。

5 設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期

結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)要求提供某一重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)風(fēng)速作為設(shè)計(jì)依據(jù)。重現(xiàn)期越長(zhǎng)，保證率也就越高，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的安全度越高。GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/SEI 7－05—2006對(duì)基本風(fēng)速的規(guī)定中重現(xiàn)期均為50年一遇。

5.1 國(guó)內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換的研究

根據(jù)國(guó)內(nèi)研究成果［5］，推算不同重現(xiàn)期的風(fēng)速比值可參考表4。

表4 不同重現(xiàn)期的風(fēng)速比值(中國(guó))Tab.4Ratio of wind speed in different return period(China)

5.2 IEC 60826—2003中重現(xiàn)期的轉(zhuǎn)換關(guān)系

IEC 60826—2003中給出了150年一遇、500年一遇風(fēng)速與50年一遇風(fēng)速之間的比值，見表5。

表5 不同重現(xiàn)期的風(fēng)速比值(IEC 60826—2003)Tab.5Ratio of wind speed in different return period(IEC 60826－2003)

5.3 ASCE/SEI 7－05—2006中重現(xiàn)期的轉(zhuǎn)換關(guān)系

ASCE/SEI 7－05—2006給出了風(fēng)速v＜44.7 m/s時(shí)，不同頻率風(fēng)速與50年一遇風(fēng)速的比值，見表6。

表6 不同重現(xiàn)期風(fēng)速比值(ASCE/SEI 7－05—2006)Tab.6Ratio of wind speed in different return period (ASCE/SEI 7－05—2006)

5.4 重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換結(jié)果對(duì)比

通過(guò)給出的任意3個(gè)重現(xiàn)期的比值，進(jìn)行目估試線(線型采用極值Ⅰ型)即可求出不同頻率風(fēng)速與50年一遇風(fēng)速的比值，結(jié)果見表7。

表7 不同重現(xiàn)期風(fēng)速的比值Tab.7Ratio of wind speed in different return period

由表7可知，各標(biāo)準(zhǔn)中不同重現(xiàn)期風(fēng)速的比值相差不大，誤差一般小于5%。

6 統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)對(duì)比分析

(1)方案1。利用計(jì)算機(jī)模擬1 000組年平均最大風(fēng)速系列，每組風(fēng)速系列有50年數(shù)據(jù)，分別計(jì)算10、20、30、50、100年一遇平均最大風(fēng)速，結(jié)果見表8。

(2)方案2。假設(shè)1 000組年平均最大風(fēng)速系列的高度為15 m。按照各標(biāo)準(zhǔn)中的方法將1 000組風(fēng)速換算為10 m高風(fēng)速，地形類型分別按照表9中的4種組合考慮，然后分別計(jì)算10、20、30、50、100年一遇平均最大風(fēng)速，計(jì)算結(jié)果見表9。

(3)方案3。假設(shè)1 000組年平均最大風(fēng)速系列統(tǒng)計(jì)時(shí)距為3 s，按照各標(biāo)準(zhǔn)中的方法將1 000組風(fēng)速換算為10 min平均風(fēng)速，然后分別計(jì)算10、20、30、50、100年一遇平均最大風(fēng)速，計(jì)算結(jié)果見表10。

(4)方案4。假設(shè)1 000組年平均最大風(fēng)速系列統(tǒng)計(jì)時(shí)距為3 s、高度為15 m，地形類型按各標(biāo)準(zhǔn)基本風(fēng)速類型考慮，按照各標(biāo)準(zhǔn)中的方法將1 000組風(fēng)速換算為10 m高10 min平均風(fēng)速，然后分別計(jì)算10、20、30、50、100年一遇平均最大風(fēng)速，計(jì)算結(jié)果見表11。

表8 不同重現(xiàn)期風(fēng)速的均值(方案1)Tab.8Average wind speed in different return period(project 1)

表11 不同重現(xiàn)期風(fēng)速的均值(方案4)Tab.11Average wind speed in different return period(project 4)

7 結(jié)論

(1)GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/ SEI 7－05—2006中對(duì)基本風(fēng)速的規(guī)定中標(biāo)準(zhǔn)高度均為10 m。GB 5009—2001和IEC 60826—2003中不同高度風(fēng)速的轉(zhuǎn)化公式相同。本文通過(guò)對(duì)ASCE/ SEI 7－05—2006中不同高度風(fēng)速的轉(zhuǎn)換公式的推導(dǎo)，得出與GB 5009—2001和IEC 60826—2003一致的公式形式。

(2)GB 5009—2001、IEC 60826—2003和ASCE/ SEI 7－05—2006對(duì)基本風(fēng)速的規(guī)定中重現(xiàn)期均為50年一遇。各標(biāo)準(zhǔn)中不同重現(xiàn)期風(fēng)速的比值相差不大。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果與各標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果基本一致。

(3)GB 5009—2001和IEC 60826—2003均將地面粗糙度分為A、B、C、D 4類，通過(guò)對(duì)比，4種地形類型的規(guī)定是基本相同，只是A類和D類地面類型的粗糙度取值存在較小差距。通過(guò)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)研究，粗糙度不同所造成的設(shè)計(jì)風(fēng)速相對(duì)誤差一般小于1%。

(4)ASCE/SEI 7－05—2006將地面粗糙度分為B、C、D 3類，通過(guò)對(duì)比，其中D、C、B類地形分別與GB 5009—2001和IEC 60826—2003中的A、B、C對(duì)應(yīng)一致，只是在取值上存在較小差距。通過(guò)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)研究，粗糙度不同所造成的設(shè)計(jì)風(fēng)速相對(duì)誤差一般小于1%。

(5)GB 5009—2001和IEC 60826—2003中規(guī)定的基本風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)時(shí)距均為10 min，而ASCE/SEI 7－05—2006中規(guī)定的基本風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)時(shí)距為3 s。通過(guò)各標(biāo)準(zhǔn)中時(shí)距轉(zhuǎn)化關(guān)系的分析和比較，各標(biāo)準(zhǔn)中不同統(tǒng)計(jì)時(shí)距風(fēng)速換算的比值相差不大;通過(guò)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)研究，粗糙度不同所造成的設(shè)計(jì)風(fēng)速相對(duì)誤差一般小于5%。

(6)根據(jù)方案4的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果，可知利用不同高度的不同時(shí)距的風(fēng)速系列計(jì)算10 m高10 min設(shè)計(jì)平均風(fēng)速，各標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算成果相對(duì)誤差一般小于5%。

［1］ASCE/SEI 7－05—2006 Minimum design loads for buildings and other structures［S］.America:America Society of Civil Engineers，2006.

［2］IEC 60826—2003 Design criteria of overhead transmission lines［S］.Switzerland:International Electrotechnical Commission，2003.

［3］GB 5009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范:2006年版［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［4］中南電力設(shè)計(jì)院，華東電力設(shè)計(jì)院，中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司.電力工程水文氣象計(jì)算手冊(cè)［M］.武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2010:397-414.

［5］田啟明.涉外電力工程水文氣象中幾個(gè)問(wèn)題的討論［J］.電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2010(增刊):69-71.

(編輯:馬曉華)