輸電線路桿塔構(gòu)件可靠度校準(zhǔn)

馮云芬，貢金鑫，李宏男，張子引

(1.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧省大連市 116024；2.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市 102209)

輸電線路桿塔構(gòu)件可靠度校準(zhǔn)

馮云芬1，貢金鑫1，李宏男1，張子引2

(1.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧省大連市 116024；2.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市 102209)

為確定跨越高速鐵路輸電線路的可靠度水平，分析計算桿塔構(gòu)件荷載、抗力的統(tǒng)計參數(shù)，對按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計的輸電線路桿塔構(gòu)件的可靠度進行了校準(zhǔn)。分析表明，在永久荷載與風(fēng)荷載組合下，構(gòu)件軸心受力強度的可靠指標(biāo)平均約為3.10，構(gòu)件軸心受壓穩(wěn)定的可靠指標(biāo)平均約為2.99；在永久荷載與風(fēng)荷載和覆冰荷載的組合下，構(gòu)件軸心受力強度的可靠指標(biāo)平均約為3.35，構(gòu)件軸心受壓穩(wěn)定的可靠指標(biāo)平均約為3.20。永久荷載與風(fēng)荷載組合時我國輸電線路桿塔桿件的可靠度水平比建筑鋼結(jié)構(gòu)的可靠度略低；永久荷載與風(fēng)荷載組合及永久荷載、風(fēng)荷載與覆冰組合時，我國輸電線路桿塔桿件的可靠度水平與美國桿塔構(gòu)件的可靠度水平相近，比加拿大桿塔構(gòu)件的高。

輸電線路；桿塔構(gòu)件；可靠度；校準(zhǔn)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，對電力的需求呈直線增長趨勢，因此電力系統(tǒng)的發(fā)展成為一種必然趨勢。輸電線路體系是高負荷電能輸送的載體，近年來逐漸趨于向大型化復(fù)雜化方向發(fā)展。因此，對輸電塔線路體系的設(shè)計理論、結(jié)構(gòu)安全性都提出了新的要求。與此同時，近年來隨著我國高速鐵路的迅速發(fā)展，輸電線路跨越高鐵的情況經(jīng)常出現(xiàn)。為保證高鐵的安全運行，對輸電線路跨越提出了更高的要求。因為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施與輸電線路采用不同的設(shè)計方法，設(shè)計規(guī)范中材料強度的取值、分項系數(shù)或安全系數(shù)的含義不同，單從設(shè)計規(guī)范出發(fā)并不能明確鐵路設(shè)施與輸電線路的安全度。因此，需要采用同一個尺度進行分析和協(xié)調(diào)。

自20世紀(jì)80年代以來，可靠度理論在結(jié)構(gòu)設(shè)計和規(guī)范中的應(yīng)用得到了很大發(fā)展。結(jié)構(gòu)可靠度理論是用概率方法描述結(jié)構(gòu)的安全性，綜合考慮了荷載、材料性能、幾何尺寸、計算方法等不確定性，可靠指標(biāo)能夠作為一個統(tǒng)一的尺度衡量不同結(jié)構(gòu)的安全性。從國際范圍講，結(jié)構(gòu)可靠度理論目前在建筑、橋梁等領(lǐng)域的應(yīng)用相對比較成熟，然而在輸電線路體系的應(yīng)用尚處于啟動狀態(tài)，一些學(xué)者已對此進行了探討[1-8]。國外一些電力系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范正向基于可靠度理論的設(shè)計方法過渡，如美國標(biāo)準(zhǔn)NESC C2—2002《美國國家電力安全規(guī)范》[9]和ASCE 74—2009《輸電線路結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計導(dǎo)則》[10]、加拿大規(guī)范CSA C22.3 No. 1—2001《高架線路系統(tǒng)》[11]、歐洲規(guī)范EN 50341《超AC 45KV架空輸電線路》[12]和國際標(biāo)準(zhǔn)IEO 606826—2003《架空輸電線路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》等[13]。在鐵路工程領(lǐng)域，我國在20世紀(jì)90年代頒布了GB 50216—94《鐵路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，自2011年開始，鐵路工程領(lǐng)域啟動了鐵路工程設(shè)計規(guī)范由容許應(yīng)力或安全系數(shù)設(shè)計法向可靠度設(shè)計法轉(zhuǎn)軌的工作。

為適應(yīng)我國電力系統(tǒng)由傳統(tǒng)的高壓、超高壓輸電技術(shù)向特高壓輸電技術(shù)發(fā)展，滿足跨越高速鐵路輸電線路的安全要求，對跨越高速鐵路的輸電線路的可靠度進行了研究。本文的目的是確定按現(xiàn)行DL/T 5154—2002《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》設(shè)計的輸電線路桿塔構(gòu)件的可靠度水平。

1 荷載效應(yīng)和抗力統(tǒng)計參數(shù)

輸電線路體系由輸電桿塔、絕緣子、金具和導(dǎo)、地線組成。桿塔構(gòu)件應(yīng)具有能夠承受自身重力、風(fēng)荷載、覆冰荷載、溫度等作用的能力。對輸電線路桿塔構(gòu)件及各組成部分進行可靠度分析和設(shè)計，首先要確定線路荷載效應(yīng)和抗力的概率分布和統(tǒng)計參數(shù)。

1.1 荷載效應(yīng)的統(tǒng)計參數(shù)

荷載效應(yīng)是荷載使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生的內(nèi)力、變形等，一般認為荷載效應(yīng)與荷載的概率分布是一致的。因此研究荷載效應(yīng)的概率分布，只需研究荷載的概率分布。荷載的統(tǒng)計參數(shù)一般用均值系數(shù)(平均值與標(biāo)準(zhǔn)值的比值)和變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值)來表示。

桿塔設(shè)計中為便于荷載組合，荷載往往是按方向進行分類的。由于不同荷載的概率特性不同，可靠度分析中是按荷載隨時間變化的特性進行分類的，即將荷載分為永久荷載、可變荷載(風(fēng)荷載和覆冰荷載)[14]。

1.1.1 永久荷載

在輸電線路中，永久荷載G包括桿塔構(gòu)件、絕緣子、導(dǎo)地線等的自重。根據(jù)以往的統(tǒng)計資料，自重一般服從正態(tài)分布。參考建筑結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計分析結(jié)果，取自重的均值系數(shù)kG=1.06，變異系數(shù)δG=0.07。

1.1.2 風(fēng)荷載

風(fēng)荷載W是輸電線路承受的主要可變荷載之一。風(fēng)荷載對輸電線路的作用機理比較復(fù)雜，輸電線路采用的風(fēng)荷載計算方法與建筑結(jié)構(gòu)相同，所以輸電線路可靠度分析時風(fēng)荷載采用與建筑結(jié)構(gòu)相同的概率分布和統(tǒng)計參數(shù)。風(fēng)荷載服從極值I型分布。設(shè)計中考慮下面風(fēng)荷載的2種荷載組合。

(1) 自重與風(fēng)組合。

當(dāng)自重與風(fēng)荷載組合時，采用30 m/s風(fēng)速作為代表風(fēng)速，將該風(fēng)速作為對應(yīng)于設(shè)計基準(zhǔn)期的標(biāo)準(zhǔn)值Wk的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速。采用建筑結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計參數(shù)，風(fēng)荷載均值系數(shù)和變異系數(shù)為：kWT=0.908、δWT=0.193。

(2) 自重、風(fēng)荷載和覆冰荷載組合。

當(dāng)自重與風(fēng)荷載和覆冰荷載組合時，采用10 m/s的風(fēng)速作為代表風(fēng)速，風(fēng)荷載降低。假定10 m/s的風(fēng)速為1年中覆冰最大的1個月的最大風(fēng)速，則風(fēng)荷載平均值按式(1)估算：

(1)

式中：μWt為永久荷載與風(fēng)荷載和覆冰組合中風(fēng)荷載的平均值；μWT和σWT為永久荷載與風(fēng)荷載組合中風(fēng)荷載的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；αWT為極值Ⅰ型分布的尺度參數(shù)；t取1個月；T為風(fēng)荷載重現(xiàn)期，取50年。

永久荷載與風(fēng)荷載和覆冰荷載組合時，風(fēng)荷載的均值系數(shù)為0.034。假定此時的風(fēng)荷載變異系數(shù)仍為0.193。

1.1.3 覆冰荷載

天空中的“過冷卻”水滴、濕雪碰到溫度較低的導(dǎo)地線或絕緣子等部件時，便會在其表面凍結(jié)成冰，稱之為覆冰。導(dǎo)線覆冰的機理非常復(fù)雜，影響導(dǎo)線覆冰的因素也很多，主要有氣象條件、地形及地理條件、海拔高度、凝結(jié)高度、導(dǎo)線懸掛高度、導(dǎo)線直徑、導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)性能、風(fēng)速風(fēng)向、水滴直徑、電場強度及負荷電流等。

1.2 抗力統(tǒng)計參數(shù)

抗力為結(jié)構(gòu)或元件抵抗荷載作用的能力，其不確定性來自于3個方面，即材料性能不確定性、幾何尺寸不確定性和計算模式不確定性。同荷載效應(yīng)一樣，抗力的統(tǒng)計參數(shù)也用均值系數(shù)和變異系數(shù)表示。

1.2.1 構(gòu)件軸心受力

根據(jù)DL/T 5154—2002《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，并考慮公式的計算誤差，桿塔構(gòu)件軸心受力時的抗力可表示為

R=ΩP 1mAf

(2)

式中：ΩP 1為軸心受力強度時抗力計算模式不定性系數(shù)(隨機變量)；m為構(gòu)件強度折減系數(shù)(常數(shù))；A為構(gòu)件截面面積(隨機變量)；f為構(gòu)件材料強度(隨機變量)。

抗力的均值系數(shù)和變異系數(shù)為：

(3)

(4)

式中：μR、μA和μf分別為抗力、構(gòu)件截面面積和鋼材強度的平均值；kP1、kA、kf和δP1、δA、δf分別為計算模式不定性、截面面積和鋼材強度的均值系數(shù)和變異系數(shù)；Rk、Ak和fk分別為抗力、截面面積和鋼材強度的標(biāo)準(zhǔn)值，其中fk按規(guī)范DL/T 5154—2002取值。各變量的統(tǒng)計參數(shù)見表1[16]。

由式(3)和式(4)確定的桿塔構(gòu)件軸心受力時抗力的統(tǒng)計參數(shù)為kR=1.134，δR=0.117，抗力服從對數(shù)正態(tài)分布。

表1 構(gòu)件軸心受力時抗力的統(tǒng)計參數(shù)

1.2.2 構(gòu)件受壓穩(wěn)定

同樣，根據(jù)DL/T 5154—2002《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，考慮公式的計算誤差，桿塔構(gòu)件軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定承載力表示為

R=ΩP2φmNAf

(5)

式中：ΩP2為抗力計算模式不定性系數(shù)(隨機變量)；φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)(隨機變量)；mN為系數(shù)(常數(shù))；A為構(gòu)件截面面積(隨機變量)；f為構(gòu)件材料強度(隨機變量)。

抗力的平均值和變異系數(shù)為：

(6)

(7)

式中：μφ、δφ和kφ分別為構(gòu)件受壓穩(wěn)定性系數(shù)的平均值、變異系數(shù)和均值系數(shù)；kP2和δP2分別為軸心受壓穩(wěn)定時抗力計算模式不定性的均值系數(shù)和變異系數(shù)；φk為穩(wěn)定性系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值。其中，kφ和δφ是按下述方法確定的，其他變量的統(tǒng)計參數(shù)見表1和表2。

表2 構(gòu)件軸心受壓穩(wěn)定抗力的統(tǒng)計參數(shù)

根據(jù)規(guī)范DL/T5154—2002[17]附錄D，軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)φ按式(8)計算：

(8)

其中：

(9)

式中：λ為構(gòu)件長細比；fy為鋼材屈服強度；E為鋼材彈性模量；α1、α2和α3為系數(shù)，根據(jù)DL/T 5154—2002附錄D中表D3的截面分類按表D4取值[17]。

由于在式(8)中，穩(wěn)定系數(shù)φ是用分段函數(shù)表示的，直接采用數(shù)學(xué)方法確定φ的概率分布函數(shù)及平均值和變異系數(shù)比較復(fù)雜。為了確定參數(shù)穩(wěn)定系數(shù)φ的均值系數(shù)kφ和變異系數(shù)δφ，將鋼材屈服強度fy和彈性模量E作為隨機變量，根據(jù)fy和E的概率分布通過Monte Carlo模擬產(chǎn)生10 000組fy和E的隨機數(shù)，將其代入式(8)得到φ的樣本值。通過統(tǒng)計分析分別確定了構(gòu)件長細比λ為10、50和100時軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)的統(tǒng)計參數(shù)，如表3所示。圖1給出了λ=50時b類截面在不同鋼號下比值φ/φk的直方圖。根據(jù)表3的分析結(jié)果，φ的均值系數(shù)取為kφ=1.025，變異系數(shù)δφ取為0.068。

表3 φ/φk的平均值及變異系數(shù)

圖1 b類截面長細比λ=50時φ/φk的頻率直方圖

由式(6)和式(7)求得的桿塔構(gòu)件軸心受力時穩(wěn)定抗力的統(tǒng)計參數(shù)kR=1.185，δR=0.150。

1.3 荷載、抗力統(tǒng)計參數(shù)匯總

輸電線路荷載及塔桿構(gòu)件抗力的統(tǒng)計參數(shù)和概率分布匯總于表4。

表4 荷載、桿塔構(gòu)件抗力的統(tǒng)計參數(shù)

2 可靠度校準(zhǔn)

2.1 基本設(shè)計表達式

結(jié)構(gòu)可靠度校準(zhǔn)是計算結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件按規(guī)范設(shè)計表達式設(shè)計，剛好滿足規(guī)范要求時的可靠度，反映了設(shè)計規(guī)范的最低安全水平。我國標(biāo)準(zhǔn)GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》[18]中采用的分項系數(shù)設(shè)計表達式為

(10)

式中：γ0為桿塔結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，重要線路不小于1.1，臨時線路取0.9，其他線路取1.0；γG為永久荷載分項系數(shù)，對結(jié)構(gòu)受力有利時不大于1.0，不利時取1.2；γQi為第i個可變荷載的分項系數(shù)，取1.4；SGk、SQik分別為永久荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值、第i個可變荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；Rd為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計值，根據(jù)規(guī)范GB 50545—2010第8章，不同構(gòu)件采用不同的抗力表達式；φ為可變荷載組合系數(shù)，正常運行情況取1.0，斷線情況、安裝情況和不均勻覆冰情況取0.9，驗算情況取0.75。

根據(jù)式(10)，滿足規(guī)范最低要求的抗力設(shè)計值為：

Rd=γ0(γGSGk+φ∑γQiSQik)

(11)

2.2 構(gòu)件可靠指標(biāo)計算

2.2.1 抗力計算

(1)構(gòu)件軸心受力。

我國DL/T 5154—2002《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，構(gòu)件軸心受力時的強度計算應(yīng)滿足：

(12)

式中：An為構(gòu)件凈截面面積；fd為鋼材的強度設(shè)計值；m為構(gòu)件強度折減系數(shù)。

滿足規(guī)范最低要求的軸向力為

N=Rd=mAnfd

(13)

由式(11)和式(13)可得出：

(14)

式中：NGk和NQik分別為永久荷載和第i個可變荷載產(chǎn)生的軸向力標(biāo)準(zhǔn)值。

(2)構(gòu)件受壓穩(wěn)定。

同樣，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5154—2002的規(guī)定，構(gòu)件軸心受壓穩(wěn)定的計算應(yīng)滿足：

(15)

式中：φk為鐵塔構(gòu)件軸心受壓時的穩(wěn)定系數(shù)，按DL/T 5154—2002確定。

由式(14)和式(15)得：

(16)

2.2.2 可靠指標(biāo)計算

考慮永久荷載與風(fēng)荷載組合及永久荷載與風(fēng)荷載和覆冰荷載組合2種情況。構(gòu)件軸心受壓穩(wěn)定時的分析除抗力統(tǒng)計參數(shù)與軸心受力構(gòu)件不同外，功能函數(shù)、荷載和抗力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差與構(gòu)件軸心受力的表達方式均相同，下面以構(gòu)件軸心受力的情況為例說明可靠指標(biāo)的計算過程。

(1)永久荷載與風(fēng)荷載組合。

可靠度計算時將設(shè)計中的變量視為隨機變量，構(gòu)件軸心受力時的功能函數(shù)為

Z=R-NG-NW

(17)

式中：R為構(gòu)件抗力；NG為永久荷載產(chǎn)生的軸力；NW為風(fēng)荷載產(chǎn)生的軸力。

永久荷載和風(fēng)荷載的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：

(18)

(19)

抗力的平均值為

(20)

式中：kR為抗力的均值系數(shù)，如表4所示。

不同品種和厚度鋼材強度的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值如表5所示。

表5 鋼材強度的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值

作用在桿塔上的風(fēng)荷載包括風(fēng)吹動桿塔構(gòu)件產(chǎn)生的風(fēng)荷載和風(fēng)吹動絕緣子、金具和導(dǎo)地線產(chǎn)生的風(fēng)荷載。規(guī)范GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，在計算作用于500 kV和750 kV的桿塔上導(dǎo)地線的風(fēng)荷載時(不包括導(dǎo)地線張力弧垂計算和風(fēng)偏角計算)，還需考慮表6中的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βc。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，風(fēng)吹動絕緣子、金具和導(dǎo)地線產(chǎn)生的風(fēng)荷載一般為總風(fēng)荷載的一半，將式(14)代入式(20)得：

(21)

式中γQ1為風(fēng)荷載的分項系數(shù)。

表6 風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βc

由式(18)、式(19)和式(21)可以看出，結(jié)構(gòu)抗力、永久荷載效應(yīng)和風(fēng)荷載效應(yīng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差均與永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值NGk成正比，因此，計算可靠指標(biāo)時，無需涉及荷載效應(yīng)和抗力的具體值，僅與風(fēng)荷載效應(yīng)比ρW的取值有關(guān)。

根據(jù)多個實際輸電塔的分析，取ρW=0.1～100。當(dāng)永久荷載與風(fēng)荷載組合時，采用JC方法計算得到的不同風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)時不同鋼號桿塔構(gòu)件可靠指標(biāo)隨ρW的變化趨勢，如圖2和圖3所示，不同鋼號和風(fēng)載調(diào)整系數(shù)時的平均可靠指標(biāo)見表7。

由圖2和圖3可以看出，桿塔構(gòu)件可靠指標(biāo)與荷載比值ρW有關(guān)。荷載比值ρW≤1.0時，構(gòu)件軸心受力強度的可靠指標(biāo)隨ρW的增加而增大；而ρW>1.0時，構(gòu)件軸心受力強度的可靠指標(biāo)隨ρW的增大而減小。由表7可知，構(gòu)件平均可靠指標(biāo)隨著風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βc的增大而增大，構(gòu)件軸心受壓穩(wěn)定的可靠指標(biāo)小于軸心受力強度的可靠指標(biāo)。

圖2 構(gòu)件軸心受力強度的可靠指標(biāo)(永久荷載+風(fēng)荷載)

圖3 軸心受壓穩(wěn)定的可靠指標(biāo)(永久荷載+風(fēng)荷載)

表7不同鋼號構(gòu)件的平均可靠指標(biāo)(永久荷載+風(fēng)荷載)

Tab.7Reliabilityindexesofmembersofdifferentsteelgrades(deadload+windload)

(2)永久荷載、風(fēng)荷載和覆冰荷載組合。

仍以構(gòu)件軸心受力強度的情況說明。永久荷載、風(fēng)荷載和覆冰荷載組合時，構(gòu)件軸心受力強度的功能函數(shù)為：

Z=R-NG-NW-NI

(22)

那么，覆冰組合下風(fēng)荷載效應(yīng)和覆冰荷載效應(yīng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差為：

(23)

(24)

式中：kNWI，δNWI，kNI，δNI分別為覆冰組合下風(fēng)荷載和覆冰荷載的均值系數(shù)和變異系數(shù)。

構(gòu)件軸心受壓強度抗力的平均值為

(25)

式中γQ2分別為覆冰荷載的分項系數(shù)。

對于永久荷載+風(fēng)荷載+覆冰荷載組合，覆冰荷載起控制作用。根據(jù)對實際輸電桿塔的計算分析，覆冰荷載與永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的軸力之比ρI可取0.02～5，覆冰工況下風(fēng)荷載與永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的軸力之比ρWI可取0.02～10。采用JC法計算的桿塔構(gòu)件不同鋼號軸心受力強度和軸心受壓穩(wěn)定的可靠指標(biāo)隨ρI和ρWI的變化趨勢如圖4和圖5所示，每種情況下的平均可靠指標(biāo)如表8所示。

由圖4和圖5可看出，在永久荷載+風(fēng)荷載+覆冰荷載的組合下，ρI一定時，不同ρWI對應(yīng)的可靠指標(biāo)隨ρWI的增大而增大；ρWI一定時，可靠指標(biāo)隨著ρI的增大而降低。從表8可以看出，構(gòu)件軸心受壓穩(wěn)定的可靠指標(biāo)也小于軸心受力強度的可靠指標(biāo)。

圖4 構(gòu)件軸心受力強度的可靠指標(biāo)

圖5 構(gòu)件軸心受壓穩(wěn)定的可靠指標(biāo)

文獻[19]對國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2001《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的可靠度進行了校準(zhǔn)，永久荷載與風(fēng)荷載組合時的可靠指標(biāo)為2.94，小于永久荷載與樓面活荷載組合時的可靠指標(biāo)。在2006年瑞典斯德哥爾摩召開的第9屆概率方法在電力系統(tǒng)應(yīng)用國際會議上，文獻[8]發(fā)表了對NESC C2—2002《美國國家電力安全規(guī)范》的可靠度校準(zhǔn)結(jié)果，永久荷載與風(fēng)荷載組合的可靠指標(biāo)為2.36～3.01，永久荷載與風(fēng)荷載和覆冰組合時桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)為2.29～3.91；對加拿大標(biāo)準(zhǔn)CSA C22.3 No.1—2001《高架線路系統(tǒng)》的可靠度校準(zhǔn)結(jié)果為，桿塔構(gòu)件永久荷載與風(fēng)荷載組合時的可靠指標(biāo)為0.85～2.00，永久荷載與風(fēng)荷載和覆冰組合時的可靠指標(biāo)為1.68～2.78。

表8 不同鋼號桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)(永久荷載+風(fēng)荷載+覆冰荷載)

由此可見，永久荷載與風(fēng)荷載組合時我國輸電線路桿塔桿件的可靠度水平比建筑鋼結(jié)構(gòu)的可靠度略低，與美國桿塔構(gòu)件的可靠度水平相近，比加拿大桿塔構(gòu)件的高；永久荷載、風(fēng)荷載與覆冰組合時我國輸電線路桿塔桿件的可靠度水平與美國桿塔構(gòu)件的可靠度水平相近，比加拿大桿塔構(gòu)件的高。

3 結(jié) 論

本文對按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50545—2010和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5154—2002規(guī)定設(shè)計的角鋼桿塔進行了可靠度校準(zhǔn)，明確了我國角鋼桿塔構(gòu)件的可靠度水平。分析得出如下結(jié)論：

(1)在永久荷載與風(fēng)荷載組合下，構(gòu)件軸心受力強度的可靠指標(biāo)平均約為3.102 8，構(gòu)件軸心受壓穩(wěn)定的可靠指標(biāo)平均約為2.994 9；在永久荷載與風(fēng)荷載和覆冰荷載的組合下，構(gòu)件軸心受力強度的可靠指標(biāo)平均約為3.347 9，構(gòu)件軸心受壓穩(wěn)定的可靠指標(biāo)平均約為3.198 3；

(2)永久荷載與風(fēng)荷載組合時我國輸電線路桿塔桿件的可靠度水平比建筑鋼結(jié)構(gòu)的可靠度略低。永久荷載與風(fēng)荷載組合及永久荷載、風(fēng)荷載與覆冰組合時，我國輸電線路桿塔桿件的可靠度水平與美國桿塔構(gòu)件的可靠度水平相近，比加拿大桿塔構(gòu)件的高。

[1]梁德飛. 輸電線路大跨越鋼管塔的結(jié)構(gòu)可靠度分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2009，42(增刊)：249-252.

[2]李峰，袁駿，侯建國，等. 我國輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度研究[J]. 電力建設(shè)，2010，31(11)：18-23.

[3]李茂華，李正，楊靖波，等. 特高壓輸電線路桿塔可靠度研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(5)：21-24.

[4]馮徑軍，柳春光，馮嬌. 輸電塔線在覆冰與風(fēng)載下的可靠性分析[J]. 水電能源科學(xué)，2011，29(10)：203-206.

[5]秦力，張學(xué)禮，張杰，等. 淺析500 kV輸電鐵塔結(jié)構(gòu)體系的可靠性[J]. 東北電力大學(xué)學(xué)報，2008，28(2)：9-12.

[6]侯建國，徐彬，董黛，等. 國內(nèi)外架空輸電線路設(shè)計規(guī)范安全度設(shè)置水平的比較[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2011，44(增刊)：262-171.

[7]Haarlaa L, Pulkkinenb U, Koskinenc M, et al. A method for analysing the reliability of a transmission grid [J]. Reliability Engineering and System Safety, 2008, 93(2): 277-287.

[8]Guori B, Hong L. Achieved reliability of the North American design approaches for transmission overhead structures[C]//9th International Conference on Probabilistic Methods Applied to Power Systems, KTH, Stockholm, Sweden, 2006: 11-15.

[9]NESC C2—2002. National electrical safety code[S]. Institute of Electrical & Electronics Engineers, 2002.

[10]ASCE 74—2009. Guidelines for electrical transmission line structural loading[S]. American Society of Civil Engineers, 2009.

[11]CAN-CSA22.3 No.1. Canadian electrical code：overhead systems[S]. Canadian Standards Association, 2001.

[12]EN 50341-1. Overhead electrical lines exceeding AC 45 kV[S]. European Committee for Electrotechnical Standardization, 2001.

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

[14]貢金鑫，魏巍巍. 工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計原理[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[15]蔣興良，易輝. 輸電線路覆冰及防護[M]. 北京：中國電力出版社，2002.

[16]黃興棣. 工程機構(gòu)可靠性設(shè)計[M]. 北京：人民交通出版社，1992.

[17]DL/T 5154—2002 架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S]. 北京：中國電力出版社，2002.

[18]中國電力企業(yè)聯(lián)合會. GB 50545-2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版協(xié)會，2010.

[19]戴國欣，劉海鑫. 新鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范總體安全度分析[J]. 建筑科學(xué)，2002,18(增刊)：73-75.

(編輯：張媛媛)

ReliabilityCalibrationofTowerMembersinTransmissionLine

FENG Yunfen1, GONG Jinxin1, LI Hongnan1, ZHANG Ziyin2

(1. Faculty of Infrastructure Engineering Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning Province, China;2.State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

To set the reliability level of transmission line crossing high speed railway, the statistical parameters of the load and resistance of tower members in transmission line were analyzed and calculated. The reliability of tower members designed based on the current code were calibrated. It is indicated that the reliability indexes for strength of axially loaded members or the stability of axial compression members are 3.10 and 2.99, respectively, in the combination of permanent load and wind load; and are 3.35 and 3.20 respectively, in the combination of permanent load, wind load and ice load. The reliability of tower member in transmission lines in China is somewhat lower than that of building steel structures, in the combination of permanent load and wind load; but it is close to the reliability of tower members in US, and higher than that in Canada, in the combination of permanent load and wind load, or in the combination of permanent load, wind load and ice load.

transmission line; tower member; reliability; calibration

國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體基金項目(51121005)；國家電網(wǎng)公司科技項目(B3440912K006)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃資助項目(B08014)。

編者按

基于上述情況，本刊特邀國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院、大連理工大學(xué)等單位總結(jié)了“國家電網(wǎng)公司科技項目：輸電線路跨越高鐵關(guān)鍵技術(shù)研究”的相關(guān)成果，推出了“跨越高鐵輸電線路可靠度研究”專欄。本期共刊登相關(guān)論文5篇，內(nèi)容涉及輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的可靠度校準(zhǔn)、輸電線路絕緣子、金具和導(dǎo)地線的可靠度校準(zhǔn)、跨越高速鐵路輸電線路的目標(biāo)可靠指標(biāo)等。希望此次專欄為從事輸電線路可靠度的科研工作人員提供一些參考和借鑒。本專欄得到了大連理工大學(xué)貢金鑫教授、李宏男教授以及國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院張子引高工、田雷高工的大力支持，在此一并表示感謝！

TM 732

： A

： 1000-7229(2014)05-0013-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.003

2013-11-07

：2014-02-18

馮云芬(1982)，女，博士，主要從事工程結(jié)構(gòu)可靠度與結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究工作，E-mail：fengyunfen@126.com；

貢金鑫(1964)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事工程結(jié)構(gòu)可靠度、數(shù)值分析及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究工作，E-mail：gong_jx.vip@eyou.com；

李宏男(1958)，男，博士，長江學(xué)者特聘教授，博士生導(dǎo)師，主要從事大跨越輸電塔體系的抗震計算理論、結(jié)構(gòu)減震控制、重大工程健康監(jiān)測與損傷評估等方面的研究工作，E-mail：hnli@dlut.edu.cn；

張子引(1971)，男，本科，高級工程師，主要從事輸電線路設(shè)計技術(shù)研究及電網(wǎng)工程評審和咨詢工作，E-mail：zhangziyin@chinasperi.sgcc.com.cn。

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，對電力需求直線增長，輸電線路體系日趨大型化、復(fù)雜化；與此同時，我國高鐵的迅速發(fā)展使得輸電線路跨越高鐵的情況經(jīng)常出現(xiàn)。為保證高鐵安全運行，對跨越高鐵輸電線路的可靠性提出了更高要求。由于輸電線路與鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計方法不同，設(shè)計規(guī)范中材料強度的取值、分項系數(shù)或安全系數(shù)的含義不同，因此，需要建立一個統(tǒng)一的尺度分析跨越高鐵輸電線路的安全性。