輸電塔結(jié)構(gòu)可靠度分析

張卓群，李宏男，貢金鑫，田雷，李嘉祥

(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(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209)

輸電塔結(jié)構(gòu)可靠度分析

張卓群1，李宏男1，貢金鑫1，田雷2，李嘉祥1

(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(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209)

為研究按輸電線路設(shè)計規(guī)范設(shè)計的桿塔結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度水平，是否滿足跨越輸電線路桿塔構(gòu)件可靠度的要求，對一個典型的500 kV角鋼桿塔和一個典型的220 kV鋼管桿塔進(jìn)行可靠度分析。分析結(jié)果表明：針對研究的鋼管桿塔和角鋼桿塔而言，鋼管桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)大于角鋼桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)；盡管實際桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)比符合規(guī)范要求時的最小可靠指標(biāo)大，但可能不能達(dá)到跨越高鐵線路輸電線路桿塔目標(biāo)可靠指標(biāo)3.7的要求；通過提高桿塔結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)、折減直線塔的檔距和減小轉(zhuǎn)角塔的轉(zhuǎn)角可以提高桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)。

高速鐵路；輸電線路；輸電桿塔；可靠度

0 引 言

輸電塔結(jié)構(gòu)作為高壓電能輸送的載體，是重要的生命線工程。輸電塔結(jié)構(gòu)具有桿塔高聳、跨度大且跨越地形綿延起伏，結(jié)構(gòu)整體柔度隨桿塔高度增加而非線性的增加，輸電塔與導(dǎo)輸電線在不同量級的動力特性條件下藕聯(lián)工作等特點，極易受到外界荷載(風(fēng)、覆冰)的影響[1-4]。近年來隨著我國電網(wǎng)的不斷升級改造，輸電塔傳輸網(wǎng)絡(luò)不斷向高聳大跨越，超高壓甚至特高壓的方向發(fā)展。特別是針對跨越高速鐵路的輸電線路，塔體結(jié)構(gòu)的安全度不僅關(guān)系到國家電網(wǎng)和鐵路系統(tǒng)的安全運行，也關(guān)系到人民群眾的生命安全[5-7]。此外，由于高速鐵路和輸電線路工程都處于快速發(fā)展階段，雙方的建設(shè)時序和標(biāo)準(zhǔn)并非完全一致，最終導(dǎo)致了輸電塔可靠性和安全性存在一定的隱憂。因此，在重新梳理和分析研究現(xiàn)有輸電線路設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一套完整、高效和實用的可靠度計算方法是十分必要和亟待完成的[8]。

為適應(yīng)這一發(fā)展需要以及規(guī)范輸電線路跨(鉆)越高速鐵路的設(shè)計工作，大連理工大學(xué)與國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)研究院聯(lián)合開展了跨越高速鐵路輸電線路可靠度的專題研究。本文在輸電塔規(guī)范中可靠度理論的基礎(chǔ)上，重點研究了跨越高速鐵路輸電線路桿塔體系可靠度的計算方法。通過對一個典型的500 kV角鋼塔和一個220 kV鋼管桿塔結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度分析，計算結(jié)果表明這2類輸電塔結(jié)構(gòu)都滿足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》中桿塔構(gòu)件的最低可靠指標(biāo)。此外，鑒于設(shè)計中具體桿塔要滿足多方面的設(shè)計要求，本文分析的結(jié)果表明輸電塔結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)構(gòu)件的可靠指標(biāo)都遠(yuǎn)大于規(guī)范。

1 500 kV角鋼塔可靠度分析

1.1 構(gòu)件功能函數(shù)和變量統(tǒng)計參數(shù)

桿塔桿件的功能函數(shù)[9-12]可表示為

Z=R-NG-∑NQi

(1)

式中：R為構(gòu)件抗力(受力強(qiáng)度或受壓穩(wěn)定)；NG為永久荷載產(chǎn)生的軸力；NQi為第i個可變荷載產(chǎn)生的軸力。

各變量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差為：

(2)

(3)

(4)

式中：kNG、δNG為恒荷載的均值系數(shù)和變異系數(shù)；NGk為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的軸力；kNQi，δNQi為第i個可變荷載的均值系數(shù)和變異系數(shù)；NQik為第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的軸力；kR、δR為抗力計算模式不定性系數(shù)的均值系數(shù)和變異系數(shù)；Rk為根據(jù)桿塔設(shè)計圖紙中桿件的型號和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計算的抗力標(biāo)準(zhǔn)值。

各變量的統(tǒng)計參數(shù)(均值系數(shù)k和變異系數(shù)δ)和概率分布見表1[13]。

表1 輸電塔結(jié)構(gòu)荷載與抗力可靠度統(tǒng)計參數(shù)

1.2 構(gòu)件軸力分解

按照式(1)，可靠度分析中需要區(qū)分不同性質(zhì)的荷載產(chǎn)生的軸力，如永久荷載、風(fēng)荷載、覆冰荷載等，而現(xiàn)在的桿塔設(shè)計軟件計算的軸力是按荷載的方向給出的，因此需要將軟件計算的軸力按荷載進(jìn)行分解，分解方法如下：

(1)永久荷載和風(fēng)荷載組合下，荷載分為2部分：豎直方向的永久荷載(自重)和水平方向的風(fēng)荷載。

(2)永久荷載、風(fēng)荷載和覆冰荷載組合下，荷載分為3部分：豎直方向的永久荷載(自重)、水平方向的風(fēng)荷載和豎直方向作用的覆冰荷載。

(3)永久荷載、風(fēng)荷載和不均勻覆冰荷載組合下，荷載分為3部分：豎直方向的永久荷載(自重)、水平方向的風(fēng)荷載和豎直方向作用的不均勻覆冰荷載。

1.3 輸電塔模型

選取5E3-SJ2轉(zhuǎn)角塔(20°～40°)和5E3-SZK直線塔進(jìn)行分析。5E3塔應(yīng)用范圍為海拔1 000 m以內(nèi)、設(shè)計基本風(fēng)速為29 m/s(離地10 m)、覆冰厚度為10 mm的雙回路鐵塔。2種輸電塔的計算模型如圖1所示。

1.4 荷載工況

實際中的輸電塔要承受其自身、絕緣子、金具和導(dǎo)地線的重量及風(fēng)荷載和覆冰荷載，另外設(shè)計中還要根據(jù)具體情況采用不同的轉(zhuǎn)角和檔距。因此輸電塔設(shè)計中要考慮多種工況，本文可靠度分析考慮的工況如表2所示。

表2 角鋼塔荷載工況

1.5 可靠度計算

采用可靠度計算的JC方法，計算了5E3-SZK直線塔和5E3-SJ2轉(zhuǎn)角塔對應(yīng)于表2中各荷載工況的可靠指標(biāo)，其中表3和表4為5E3-SZK直線塔構(gòu)件可靠指標(biāo)最小2個荷載工況的前10個構(gòu)件的可靠指標(biāo)，表5和表6為5E3-SJ2轉(zhuǎn)角塔構(gòu)件可靠指標(biāo)最小2個荷載工況的前10個構(gòu)件的可靠指標(biāo)。圖2和圖3給出了2個桿塔最不利荷載工況可靠指標(biāo)最小的前10個構(gòu)件的具體位置。由圖2和圖3可以看出，在永久荷載和風(fēng)荷載組合的情況下，5E3-SZK直線塔和5E3-SJ2轉(zhuǎn)角塔可靠指標(biāo)最小的前10個構(gòu)件，均出現(xiàn)在桿塔的主材上；而在永久荷載、風(fēng)荷載和覆冰荷載組合的情況下，5E3-SZK直線塔和5E3-SJ2轉(zhuǎn)角塔可靠指標(biāo)最小的前10個構(gòu)件，均出現(xiàn)在桿塔的橫擔(dān)上。

1.6 不同轉(zhuǎn)角和折減檔距的可靠指標(biāo)

表3～6給出了5E3輸電塔一個荷載工況的可靠指標(biāo)。其中構(gòu)件的最小可靠指標(biāo)為3.39，小于目標(biāo)可靠指標(biāo)3.7，不滿足跨越高鐵輸電線路桿塔構(gòu)件的可靠度要求[13]，設(shè)計或工程中可采用不同的措施來滿足目標(biāo)可靠指標(biāo)要求。

(1)提高結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。

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》規(guī)定了輸電線路桿塔構(gòu)件的分項系數(shù)設(shè)計表達(dá)式，提高重要性系數(shù)γ0的值，可以提高構(gòu)件的安全水平。表7～8給出了2種荷載組合下重要性系數(shù)γ0=1.0～1.3時5E3-SZK直線塔和5E3-SJ2轉(zhuǎn)角塔的可靠指標(biāo)。由表中結(jié)果可以看出，重要性系數(shù)提高0.1，桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)約提高0.3；當(dāng)γ0=1.0時5E3-SJ2轉(zhuǎn)角塔的可靠指標(biāo)不滿足文獻(xiàn)[13]的目標(biāo)可靠指標(biāo)3.7，如果取γ0=1.1，則滿足了目標(biāo)可靠指標(biāo)的要求。

圖1 角鋼塔模型

表3 60°大風(fēng)荷載，耦合線終端，5E3-SZK直線塔的可靠指標(biāo)

表4 覆冰荷載，耦合線正常，5E3-SZK直線塔的可靠指標(biāo)

圖2 5E3-SZK直線塔2個荷載工況的可靠指標(biāo)

表5 大風(fēng)荷載，有不平衡張力，5E3-SJ2轉(zhuǎn)角塔的可靠度指標(biāo)

圖3 5E3-SJ2直線塔2個荷載工況的可靠指標(biāo)

表6 覆冰荷載，有不平衡張力，5E3-SJ2轉(zhuǎn)角塔的可靠度指標(biāo)

表7 5E3-SZK直線塔不同重要性系數(shù)時的可靠度指標(biāo)

表85E3-SJ2轉(zhuǎn)角塔不同重要性系數(shù)時的可靠度指標(biāo)

Tab.8Reliabilityindexesofangletower5E3-SJ2withdifferentimportantfactors

(2)折減檔距。

折減輸電桿塔的檔距，可以減小導(dǎo)地線的重力、風(fēng)荷載和覆冰荷載，從而提高桿塔構(gòu)件的安全度。表9為5E3-SZK直線塔不同折減檔距時的可靠指標(biāo)。由表9可以看出，檔距折減后，桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)提高，但對于不同的荷載組合，相同檔距折減百分比時桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)提高幅度是不同的，有覆冰荷載時，可靠指標(biāo)的提高幅度較大。

表9 5E3-SZK直線塔不同折減檔距時的可靠度指標(biāo)

(3)折減角度。

改變轉(zhuǎn)角桿塔的轉(zhuǎn)角，可以改變轉(zhuǎn)角的受力狀態(tài)，從而改變桿塔構(gòu)件的安全度。表10為5E3-SJ2轉(zhuǎn)角塔不同轉(zhuǎn)角時的可靠指標(biāo)。由表10可以看出，桿塔轉(zhuǎn)角由大變小后，不同荷載組合情況下桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)變化不同。對于永久荷載和風(fēng)荷載組合，隨著桿塔轉(zhuǎn)角的減小構(gòu)件可靠指標(biāo)提高；對于永久荷載、風(fēng)荷載和覆冰荷載組合，隨著桿塔轉(zhuǎn)角的減小構(gòu)件可靠指標(biāo)不變。

表10 轉(zhuǎn)角塔5E3-SJ2考慮轉(zhuǎn)角折減的可靠度指標(biāo)

2 220 kV鋼管桿塔可靠度分析

2.1 結(jié)構(gòu)功能函數(shù)

鋼管桿塔結(jié)構(gòu)有受拉、局部穩(wěn)定、彎曲、剪切、復(fù)合受力破壞等多個失效模式[14]，其功能函數(shù)如下：

(1)構(gòu)件軸心受拉強(qiáng)度：

(5)

(2)構(gòu)件壓彎局部穩(wěn)定：

(6)

(7)

(3)構(gòu)件的彎曲強(qiáng)度：

(8)

(4)構(gòu)件的剪切強(qiáng)度：

(9)

(5)構(gòu)件復(fù)合受力強(qiáng)度：

(10)

式中：N1為軸心拉力；N2為軸心壓力；An為構(gòu)件凈截面面積；f為鋼材強(qiáng)度；fa為多邊形構(gòu)件壓彎局部穩(wěn)定強(qiáng)度。構(gòu)件截面面積、慣性矩等參數(shù)按式(11)～(14)計算：

Ag=3.22Dt

(11)

Ix=Iy=0.411D3t

(12)

(13)

(14)

2.2 鋼管桿塔模型

選取SGJ42轉(zhuǎn)角塔(10°～30°)和SGZK4直線塔進(jìn)行分析。這2個塔為應(yīng)用范圍為海拔1 000 m以內(nèi)、設(shè)計基本風(fēng)速為23.5 m/s(離地10 m)、覆冰厚度為10 mm的雙回路鐵塔。計算模型如圖4所示。

2.3 荷載工況

本文可靠度分析考慮的鋼管桿塔的荷載工況如表11所示。

表11 鋼管桿塔的荷載工況

2.4 可靠度計算

2.4.1 計算方法

依據(jù)式(5)～(14)給出的多個功能函數(shù)計算鋼管桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)，取最小的可靠指標(biāo)作為幾種失效模式的可靠指標(biāo)。

在考慮的所有荷載組合工況中，“90°大風(fēng)荷載，呼高為48 m，檔距無折減”工況的可靠指標(biāo)最小，見表12。由表12可以看出，最小構(gòu)件的可靠指標(biāo)滿足輸電線路桿塔構(gòu)件可靠指標(biāo)不小于3.7的要求。

圖4 鋼管桿塔模型

2.4.2 不同轉(zhuǎn)角和折減檔距的可靠指標(biāo)

同角鋼塔一樣，通過提高設(shè)計中的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、折減直線塔檔距和改變轉(zhuǎn)角塔轉(zhuǎn)角可提高桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)。表13～16為采取這些措施后可靠指標(biāo)的計算結(jié)果。

由表13和表14可以看出，同角鋼塔一樣，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)提高0.1，SGZK4直線塔和SGJ42轉(zhuǎn)角塔的可靠指標(biāo)均約提高0.5。由表15可以看出，直線塔檔距折減后，桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)提高，但對于不同的荷載組合，相同檔距折減百分比時桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)提高幅度不同，有覆冰荷載時，可靠指標(biāo)提高的幅度較大。由表16可以看出，轉(zhuǎn)角塔轉(zhuǎn)角由大變小后，不同荷載組合情況下桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)變化不同。對于永久荷載和風(fēng)荷載組合，隨著桿塔轉(zhuǎn)角的減小構(gòu)件可靠指標(biāo)提高；對于永久荷載、風(fēng)荷載和覆冰荷載組合，隨著桿塔轉(zhuǎn)角的減小構(gòu)件可靠指標(biāo)基本不變。

表13 SGZK4直線塔不同重要性系數(shù)時的可靠指標(biāo)

表14SGJ42轉(zhuǎn)角塔不同重要性系數(shù)時的可靠指標(biāo)

Tab.14ReliabilityindexesofangletowerSGJ42withdifferentimportantfactors

表15SGZK4直線塔檔距折減后的可靠指標(biāo)

Tab.15ReliabilityindexesofstraighttowerSGZK-4withdifferentspans

表16SGJ42轉(zhuǎn)角塔不同轉(zhuǎn)角時的可靠指標(biāo)

Tab.16ReliabilityindexesofangletowerSGJ42withdifferentturnangles

3 結(jié) 論

(1)針對本文分析的鋼管桿塔和角鋼桿塔而言，鋼管桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)大于角鋼桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)。

(2)盡管實際桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)比符合規(guī)范要求時的最小可靠指標(biāo)大，但可能不能達(dá)到跨越高鐵線路輸電線路桿塔目標(biāo)可靠指標(biāo)3.7的要求。

(3)通過提高桿塔結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)、折減直線塔的檔距和減小轉(zhuǎn)角塔的轉(zhuǎn)角可以提高桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)。

[1]李宏男,白海峰. 高壓輸電塔-線體系抗災(zāi)研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 土木工程學(xué)報, 2007, 40(2): 39-46.

[2]李宏男. 高壓輸電塔抗震分析與設(shè)計[M]. 北京: 中國電力出版社, 2009.

[3]Li Hongnan. Seismic response analysis method for coupled system of transmission lines and towers[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 1996, 16(4): 23-27.

[4]李喜來,王開明,尹鵬,等. 大跨越輸電塔動力特性[J]. 電力建設(shè), 2010, 31(5): 43-48.

[5]張殿生. 電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊[M]. 北京：中國電力出版社，1999.

[6]張卓群，李宏國，李東升，等. 高壓輸電塔疲勞壽命分析[J]. 電力建設(shè),2014，35(1)：14-18.

[7]王肇民,馬人樂. 塔式結(jié)構(gòu)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004.

[8]田雷,張子引,劉顥. 輸電線路跨(鉆)越高速鐵路設(shè)計技術(shù)[J]. 電力建設(shè), 2012, 33(12): 27-31.

[9]貢金鑫. 工程結(jié)構(gòu)可靠度計算方法[M]. 大連: 大連理工大學(xué)出版社, 2003.

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

[11]陳海波,廖宗高,肖洪偉. 受風(fēng)荷載控制的桿塔結(jié)構(gòu)體系可靠度分析[J]. 電力建設(shè), 2007, 28(7): 40-45.

[12]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50153—2008. 工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2008.

[13]貢金鑫，李宏男，馮云芬，等. 輸電線路跨越高鐵關(guān)鍵技術(shù)研究：課題1：跨越高鐵輸電線路的可靠度和技術(shù)方案研究[R]. 大連：大連理工大學(xué)，2013.

[14]DL/T 5130—2001. 架空送電線路鋼管桿設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S]. 北京：中國電力出版社, 2001.

(編輯：張媛媛)

ReliabilityAnalysisofTransmissionTowerStructure

ZHANG Zhuoqun1, LI Hongnan1, GONG Jinxin1, TIAN Lei2, LI Jiaxiang1

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

To check whether the reliability of tower structures designed based on the current design code of transmission lines could satisfy the reliability requirement of tower members in the transmission line crossing high speed railway, the reliability analysis was carried out for 500 kV typical angle steel tower and 220 kV typical steel tube tower. It is indicated that the reliability index of steel tube tower is lager than that of angle steel tower for the case studied in the paper. The reliability index of tower member may not meet the requirement of 3.7 for the transmission line crossing high speed railway, although it is larger than the minimum reliability index required in current design code. The reliability of tower members can be upgraded by increasing the importance factor of tower components, reducing the span of tangent tower or the angle of angle tower.

high speed railway; transmission line; transmission tower; reliability

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

TM 753

： A

： 1000-7229(2014)05-0034-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.006

2013-11-07

：2014-02-18

張卓群(1985)，男，博士，主要從事輸電塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、災(zāi)變分析以及安全性評估等研究工作，E-mail: zhangzhuoqun_2006@163.com；

李宏男(1957)，男，長江學(xué)者特聘教授，主要從事建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抗震等災(zāi)變分析、健康監(jiān)測與診斷研究等工作，E-mail: hnli@dlut.edu.cn；

貢金鑫(1964)，男，教授，主要從事工程結(jié)構(gòu)可靠性理論與應(yīng)用的研究工作，E-mail:jinxingong@163.com；

田雷(1973)，男，本科，高級工程師，主要從事輸電線路設(shè)計技術(shù)、研究和咨詢工作，E-mail：tianlei@ chinasperi.sgcc.cm.cn；

李嘉祥(1985)，男，博士，主要從事輸電線路舞動及安全性評估等工作，E-mail：lijiaxiang1985@126.com。