中美輸電線路規(guī)范風(fēng)荷載計算比較

李 鑫，任玉會

（1.東北電力設(shè)計院，長春 130021；2.吉林省電力勘測設(shè)計院，長春 130022）

近年來，越來越多的國內(nèi)設(shè)計院參與了國外輸電線路工程的設(shè)計工作。美國ASCE 74—2009Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading作為國際通用的主流規(guī)范之一，被越來越多的涉外工程所要求和采用，而ASCE 與GB 50545—2010《110kV～750kV 架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》在風(fēng)荷載計算上存在較大的差異。面對越來越多的涉外工程設(shè)計的需求，了解、熟悉并掌握美國規(guī)范及其與中國規(guī)范的異同，對于在涉外工程中更好地采用美國規(guī)范進行設(shè)計很有必要。風(fēng)荷載作為輸電線路工程設(shè)計中關(guān)鍵的荷載之一，對工程安全可靠、經(jīng)濟合理至關(guān)重要，因此正確理解各標(biāo)準(zhǔn)的計算方法十分必要。本文從工程實際出發(fā)，對美國ASCE 74—2009和我國GB 50545—2010的風(fēng)荷載計算進行比較和分析。

1 風(fēng)荷載計算公式

GB 50545—2010中的桿塔風(fēng)荷載計算公式為：

式中：Ws為桿塔風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；W0為基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μs為構(gòu)件的體型系數(shù)；B2為桿塔構(gòu)件覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)；As為迎風(fēng)面構(gòu)件的投影面積計算值；η為塔架背風(fēng)面荷載降低系數(shù)；βz為桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)。

ASCE 74—2009中輸電線路結(jié)構(gòu)的設(shè)計風(fēng)荷載為：

式中：F為風(fēng)方向的風(fēng)荷載；γw為重現(xiàn)期荷載調(diào)整系數(shù)；Q為空氣密度常數(shù)；Kz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；Kzt為地形影響系數(shù)；v50為50年重現(xiàn)期3s陣風(fēng)風(fēng)速；G為陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)；Gf為風(fēng)力系數(shù)；A為迎風(fēng)向投影面積。

2 風(fēng)荷載計算公式的基本參數(shù)

2.1 基本風(fēng)速

基本風(fēng)速是風(fēng)荷載設(shè)計輸入的基本參數(shù)，但是各國對基本風(fēng)速的取值是有各自標(biāo)準(zhǔn)的。各國在制定規(guī)范的時候，涉及到以下6項的定義是不同的。

a.標(biāo)準(zhǔn)離地高度。風(fēng)速是隨著高度變化的，由于地表摩擦的影響，使得離地高度越大，風(fēng)速就越大，直到達到不受地表影響的梯度風(fēng)高度，風(fēng)速即穩(wěn)定在梯度速度。

b.最大風(fēng)速重現(xiàn)期。從概率的意義上來說，在一定時間間隔內(nèi)，超過該最大平均風(fēng)速的概率不大于某特定值，該時間間隔就稱為重現(xiàn)期。重現(xiàn)期越長，結(jié)構(gòu)安全度越高。

c.平均風(fēng)速的時距。平均最大風(fēng)速與時距有很大關(guān)系，時距取得越短，則平均風(fēng)速值越高。

d.標(biāo)準(zhǔn)地貌類別。地表愈粗糙，風(fēng)能消耗愈厲害，平均風(fēng)速愈小。因此必須以一個標(biāo)準(zhǔn)的地貌作為基本風(fēng)速的取值標(biāo)準(zhǔn)。

e.最大風(fēng)速的樣本。最大風(fēng)速有其周期性，每年季節(jié)性重復(fù)，因此，采用年最大風(fēng)速作為一個統(tǒng)計樣本是比較合適的，在這點上各國基本一致。

f.最大風(fēng)速概率分布曲線類型。由于最大風(fēng)速涉及到概率計算，必須根據(jù)概率密度函數(shù)曲線形式，選取最符合最大風(fēng)速出現(xiàn)規(guī)律的曲線線形。

GB 50545—2010 中采用B 類地貌下離地10 m、10min時距的年平均最大風(fēng)速作為基本風(fēng)速，其中500～750kV 輸電線路重現(xiàn)期為50年，其基本風(fēng)速不宜低于27m／s，110～330kV 輸電線路重現(xiàn)期為30年，其基本風(fēng)速不宜低于23.5m／s。

ASCE 74—2009中采用50年一遇的C 類粗糙度場地，離地33ft（約合10m）、時距為3s的陣風(fēng)風(fēng)速作為基本風(fēng)速。

中、美規(guī)范在基本風(fēng)速的定義上基本相同，僅在時距的取值上存在著不同。

2.2 風(fēng)壓高度變化系數(shù)

當(dāng)氣壓場隨高度不變時，風(fēng)速隨高度增大的規(guī)律，主要取決于地面粗糙度和溫度垂直梯度，因此，風(fēng)壓高度變化系數(shù)與地面粗糙度有很大的關(guān)系。GB 50545—2010 把地面粗糙度可分為A、B、C、D四類，相對應(yīng)的地形描述如下：A 類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；B類指田野、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)；C 類指有密集建筑群的城市市區(qū)；D 類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。

GB 50545—2010中一般采用B 類地貌進行輸電線路設(shè)計，其風(fēng)壓高度變化系數(shù)為：

式中：z為鐵塔各節(jié)段的中心高度。

ASCE 74—2009的分類與GB 50545—2010有較大的差別，僅分為三類，即B、C、D 類，從分類的地形描述上可以將ACSE 74—2009中的B 類等同于GB 50545—2010 的C 類；ACSE 74—2009 中的C類等同于GB 50545—2010 中的B 類；ASCE 74—2009中的D 類等同于GB 50545—2010中的A 類。

ASCE 74—2009中風(fēng)壓高度變化系數(shù)為：

式中：Zh為結(jié)構(gòu)有效高度，zg為梯度高度，10 m≤Zh≤Zg，當(dāng)鐵塔高度小于或等于60 m 時，取鐵塔2／3高度作為有效高度，當(dāng)鐵塔高度大于60 m 時，有效高度為鐵塔各節(jié)段的中心高度，α為冪指數(shù)。

在鐵塔小于60 m 時，GB 50545—2010 與ASCE 74—2009中風(fēng)壓高度變化系數(shù)的計算高度不同，GB 50545—2010仍采用各節(jié)段中心的對地高度，ASCE 74—2009則取2／3鐵塔高度。60m 高度范圍內(nèi)的風(fēng)壓高度變化系數(shù)見表1、表2。

表1 GB50545—2010風(fēng)壓高度變化系數(shù)

表2 ASCE74—2009風(fēng)壓高度變化系數(shù)

從表1、表2可以看出，各標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)壓高度變化系數(shù)的計算公式不一樣，其值也不一樣，總的規(guī)律是風(fēng)壓高度變化系數(shù)都是隨高度而增加。對于GB 50545—2010的B 類地貌與ASCE 74—2009 中C類地貌的風(fēng)壓高度變化系數(shù)，ASCE 74—2009的風(fēng)壓高度變化系數(shù)小于GB 50545—2010 值，隨著高度增加，ASCE 74—2009 與GB 50545—2010 的風(fēng)壓高度變化系數(shù)比值越來越小。

2.3 構(gòu)件的體型系數(shù)

GB 50545—2010中1.3（1＋η）為角鋼塔體型系數(shù)，k（1＋η）為鋼管塔體型系數(shù)（其中0.7≤k≤1.2），k為體型變化系數(shù)，環(huán)形截面鋼筋混凝土桿取0.7；η為背風(fēng)面荷載降低系數(shù)，見表3。

表3 塔架背風(fēng)面荷載降低系數(shù)

ASCE 74—2009中正方形和三角形截面形狀網(wǎng)格桁架結(jié)構(gòu)的風(fēng)力系數(shù)見表4。如果塔的桿件為圓截面，那么風(fēng)力系數(shù)需要乘以表5中的修正系數(shù)來確定，其中φ為填充系數(shù)。

表4 具有平周邊桿件的網(wǎng)格桁架結(jié)構(gòu)上垂直風(fēng)的風(fēng)力系數(shù)對比

根據(jù)以上算法，不同填充系數(shù)時GB 50545—2010與ASCE 74—2009的體型系數(shù)比較見表6，其中GB 50545—2010的鋼管塔體型系數(shù)為0.85（1＋η）?？梢钥闯觯寒?dāng)填充系數(shù)小于0.3或大于0.5時，GB 50545—2010與ASCE 74—2009的體型系數(shù)差別較大；鋼管塔體型系數(shù)差別大于角鋼塔體型系數(shù)。一般鐵塔的填充系數(shù)介于0.3～0.5之間，此時兩種規(guī)范的角鋼塔體型系數(shù)差別小于18%，而鋼管塔體型系數(shù)差別為28%。

表6 GB50545—2010與ASCE74—2009的體型系數(shù)對比

2.4 風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)及陣風(fēng)影響系數(shù)

GB 50545—2010風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βz，主要考慮脈動風(fēng)振的影響。全高在20m 及以下桿塔的自振周期較小（一般在0.25s以下），可以不考慮風(fēng)振的影響（即βz＝1.0）；全高不超過60m 時全塔采用一個系數(shù)；桿塔超過60m 時，特別是較高的大跨越桿塔，βz根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》采用由下到上逐段增大的數(shù)值，且加權(quán)平均不應(yīng)小于1.6。對寬度較大或迎風(fēng)面增加較大的計算段（如橫擔(dān)等），應(yīng)給予適當(dāng)加大。

ASCE 74—2009中輸電結(jié)構(gòu)的陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)Gt為：

式中：Zh為鐵塔有效高度；Kv為10m 高度的3s陣風(fēng)風(fēng)速與10min平均風(fēng)速比值，取1.43；αFM為持續(xù)風(fēng)的冪指數(shù)；κ為表面阻力系數(shù)；Ls為湍流積分尺度。

按照以上公式可以看出，ASCE 74—2009在C類地貌下的陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)隨著高度增加而降低。10 min平均風(fēng)速下的陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)在1.50～1.66之間，可見GB 50545—2010與ASCE 74—2009的計算結(jié)果基本相當(dāng)。

2.5 地形影響系數(shù)

GB 50545—2010對于通過山區(qū)線路的設(shè)計風(fēng)速按附近平地風(fēng)速增大10%計算，以此反映山區(qū)的微地形影響和狹管等效應(yīng)。

ASCE 74—2009將地形特征分為二維山脊和懸崖或者三維軸對稱山丘二大類（見圖1），H為相對地面以上山丘或者懸崖的高度；Lh為迎風(fēng)方向從山頂?shù)缴角鸹驊已轮恋孛嬉话敫叨忍幍乃骄嚯x；vz為附近平地風(fēng)速。

當(dāng)輸電線路位于半山或者鄰近懸崖時，地形影響系數(shù)按以下公式取值：

式中：K1為考慮地形特征形狀和最大增速影響的系數(shù)；K2為考慮離山頂?shù)纳巷L(fēng)向或下風(fēng)向距離加大而風(fēng)速增加減小的系數(shù)；K3為考慮局部地形以上高度增加而風(fēng)速減小的系數(shù)。

按此公式計算可以看出，ASCE 74—2009山頂處的風(fēng)荷載地形影響系數(shù)大于半山腰處，隨著高度的增加，其地形影響系數(shù)逐漸減小。

2.6 覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)

圖1 ASCE的地形影響系數(shù)

GB 50545—2010中按照不同的覆冰厚規(guī)定了不同的風(fēng)荷載增大系數(shù)，5 mm 冰區(qū)取1.1，10mm冰區(qū)取1.2，15mm 冰區(qū)取1.6，20mm 冰區(qū)取1.8，20mm 以上冰區(qū)取2.0～2.5。

ASCE 74—2009中并沒有與此相關(guān)的系數(shù)，通常不需要對桿件上因覆冰引起的擋風(fēng)面積增加進行修正。

2.7 角度風(fēng)計算

GB 50545—2010中規(guī)定，風(fēng)向與導(dǎo)、地線方向或塔面成夾角時，導(dǎo)線、地線風(fēng)載在垂直和順線條方向的分量，塔身和橫擔(dān)風(fēng)載在塔面兩垂直方向的分量，按表7選用。其中：x、y 分別為垂直與順導(dǎo)、地線方向風(fēng)荷載的分量；Wx為風(fēng)垂直導(dǎo)、地線方向吹時，導(dǎo)、地線風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；Wsa、Wsb分別為風(fēng)垂直于a 面及b 面吹時，塔身風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；Wsc為風(fēng)垂直于橫擔(dān)正面吹時，橫擔(dān)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；K1為塔身風(fēng)載斷面形狀系數(shù)：對單角鋼斷面取1.0，對組合角鋼斷面取1.1。

ASCE 74—2009中鐵塔在橫向和縱向各自獨立的荷載計算為：

式中：Ft、Fl分別為垂直和順線路方向的荷載；ψ為偏向角；Amt、Aml分別為平行和垂直于線路方向所有桿件的面積；Cft、Cfl分別為平行和垂直于線路方向的風(fēng)力系數(shù)。

因此GB 50545—2010 與ASCE 74—2009 相比，在0°和90°角度下風(fēng)荷載計算方法基本相同，角度風(fēng)的風(fēng)荷載計算方法不同。

3 結(jié)語

a.GB 50545—2010與ASCE 74—2009桿塔風(fēng)荷載計算均采用風(fēng)振系數(shù)乘以平均風(fēng)荷載的方法。GB 50545—2010中采用離地10m、10min時距的年平均最大風(fēng)速作為基本風(fēng)速，而ASCE 74—2009采用50年，離地33ft、時距為3s的陣風(fēng)風(fēng)速作為基本風(fēng)速。GB 50545—2010根據(jù)不同的電壓等級規(guī)定了不同的重現(xiàn)期，而ASCE 74—2009并沒有區(qū)分。

b.在鐵塔高度小于60 m 時，GB 50545—2010與ASCE 74—2009中風(fēng)壓高度變化系數(shù)的計算高度不同，GB 50545—2010仍采用各節(jié)段中心的對地高度，ASCE 74—2009則取2／3鐵塔高度。對于GB 50545—2010的B類地貌與ASCE 74—2009中C類地貌的風(fēng)壓高度變化系數(shù)，ASCE 74—2009 的風(fēng)壓高度變化系數(shù)小于GB50545—2010值，隨著高度增加，ASCE 74—2009 與GB 50545—2010 的風(fēng)壓高度變化系數(shù)比值越來越小。

表7 角度風(fēng)作用時風(fēng)荷載分配表

c.當(dāng)填充率小于0.3 或大于0.5 時，GB 50545—2010與ASCE 74—2009 的體型系數(shù)差別較大；當(dāng)填充率介于0.3～0.5之間時兩種規(guī)范的角鋼塔體型系數(shù)差別小于18%，而鋼管塔體型系數(shù)差別為28%。

d.GB 50545—2010 的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)與ASCE 74—2009的陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)基本相當(dāng)。

e.對山區(qū)地形，GB 50545—2010采用的設(shè)計風(fēng)速為附近平地風(fēng)速增大10%，而ASCE 74—2009將地形特征分為二維山脊和懸崖或者三維軸對稱山丘二大類，并按照相應(yīng)公式進行修正。

f.GB 50545—2010 中按照不同的覆冰厚規(guī)定了不同的風(fēng)荷載增大系數(shù)，而ASCE 74—2009中并沒有與此相關(guān)的系數(shù)，通常不需要對桿件上因覆冰引起的擋風(fēng)面積增加進行修正。

g.對于角度風(fēng)荷載的計算GB 50545—2010與ASCE 74—2009相比，在0°和90°角度下風(fēng)荷載計算方法相同，角度風(fēng)的風(fēng)荷載計算方法不同。