輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范中風(fēng)荷載計(jì)算方法微探

黨強(qiáng)斌

摘 要：當(dāng)前電力行業(yè)發(fā)展中，各國(guó)有著不同的輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范，通過對(duì)各自的風(fēng)荷載計(jì)算公式與計(jì)算參數(shù)進(jìn)行比較，得知我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)中風(fēng)荷載在數(shù)值上與其他國(guó)家的計(jì)算結(jié)果相似，但參數(shù)規(guī)定方面卻有著一定的討論價(jià)值?；诖?，本文以風(fēng)荷載計(jì)算方法作為研究對(duì)象，結(jié)合輸電線路的設(shè)計(jì)規(guī)范，闡述了具體的計(jì)算公式與各項(xiàng)系數(shù)。

關(guān)鍵詞：輸電線路;設(shè)計(jì)規(guī)范;風(fēng)荷載;計(jì)算方法

中圖分類號(hào)：TU312.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）19-0173-02

0 引言

高壓輸電線路屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，要求設(shè)備可以在風(fēng)荷載作用下安全運(yùn)行，這對(duì)輸電線路設(shè)計(jì)中的風(fēng)荷載計(jì)算提出了嚴(yán)格的要求。有研究人員針對(duì)我國(guó)現(xiàn)行的GB50545-2012《110-750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》的風(fēng)荷載進(jìn)行研究。經(jīng)比較分析，我國(guó)輸電線路風(fēng)荷載對(duì)高度變化十分敏感，桿塔高度較低，風(fēng)荷載與其他國(guó)家的計(jì)算結(jié)果更加接近;桿塔高度較高，計(jì)算結(jié)果較大。隨著規(guī)范的重新修訂，輸電線路風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)合參數(shù)的變化情況，影響了風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值。

1 輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范中風(fēng)荷載的計(jì)算公式分析

本文在探究輸電線路風(fēng)荷載計(jì)算方式之前，選擇了以下幾個(gè)國(guó)家的輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范，通過對(duì)比與分析探究相應(yīng)的計(jì)算公式。風(fēng)荷載計(jì)算公式研究中涉及到以下國(guó)家與協(xié)會(huì)的設(shè)計(jì)規(guī)范：

（1）我國(guó)GB50545-2010《110-750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》。桿塔風(fēng)壓公式為，線條風(fēng)壓為。公式中W0為基本風(fēng)壓，分別為風(fēng)壓高度變化系數(shù)與體型系數(shù)，為風(fēng)振系數(shù)，α和γ分別為風(fēng)壓不均勻系數(shù)與荷載系數(shù)。

（2）國(guó)際電工協(xié)會(huì)規(guī)范IEC60826-2003。桿塔風(fēng)壓與線條風(fēng)壓公式分別為和。其中C是體型系數(shù)，G為風(fēng)振系數(shù)與高度變化系數(shù)，G1是檔距折減系數(shù)，γ是荷載系數(shù)。

（3）美國(guó)輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范ASCE74-2009。桿塔風(fēng)壓與線條風(fēng)壓公式具體為和。KZ為風(fēng)壓高度的變化系數(shù)，C和G分別為體型系數(shù)與風(fēng)振系數(shù)。

（4）日本輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范JEC127-1979。桿塔風(fēng)壓與線條風(fēng)壓分別為和 。其中α是風(fēng)壓高度變化系數(shù)，C是體型系數(shù)，K1和K2分別為結(jié)構(gòu)規(guī)模類型系數(shù)與地貌系數(shù)[1]。經(jīng)過以上分析得知，計(jì)算桿塔風(fēng)荷載情況時(shí)，各國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范將高度、風(fēng)脈動(dòng)與結(jié)構(gòu)體型因素考慮其中。

2 基本風(fēng)壓與荷載系數(shù)研究

2.1 基本風(fēng)壓

基本風(fēng)壓公式為，公式中，v為最大風(fēng)速，為空氣密度。中國(guó)、日本、國(guó)際電工協(xié)會(huì)將基本風(fēng)速指定為10min時(shí)距，要求在平坦的地形距離地面10m高度且重現(xiàn)期為50年。美國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中將基本風(fēng)速規(guī)定為3s時(shí)距，平坦開闊地貌下距離地面10m高且重現(xiàn)期為50年[2]。

2.2 荷載系數(shù)

輸電線路風(fēng)荷載計(jì)算中，荷載系數(shù)可以對(duì)輸電線路安全等級(jí)加以調(diào)整。除了我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范以外，國(guó)際電工協(xié)會(huì)、美國(guó)與日本都是采用調(diào)節(jié)風(fēng)速重現(xiàn)期的方式來得到荷載系數(shù)。而我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中，以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)與風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)為主，將二者相乘，其結(jié)果就是荷載系數(shù)。我國(guó)GB50545-2010對(duì)線路最小基本風(fēng)速提出了以下規(guī)定內(nèi)容：不低于500kV電壓等級(jí)的高壓線路，10m高度基本風(fēng)速不能低于每秒26.85m;330kV以下、110kV以上的電路，10m高基本風(fēng)速不能低于每秒23.4m。我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)，基本風(fēng)速很少有超過每秒25m的，因此人們?cè)谠O(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)無需考慮荷載系數(shù)問題。

3 體型系數(shù)研究

3.1 塔架風(fēng)荷載體型系數(shù)

關(guān)于塔架風(fēng)荷載的體型系數(shù)，該內(nèi)容與構(gòu)件形狀、風(fēng)偏、塔架高寬比有關(guān)，有時(shí)也會(huì)聯(lián)系到周圍遮蔽情況和塔架自身填充率。分析各國(guó)家輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范中桿塔填充料與體型系數(shù)之間的關(guān)系，為了強(qiáng)化研究效果，建議將塔身截面設(shè)置為矩形，將構(gòu)件定義為角鋼桿塔。桿塔風(fēng)荷載的體型系數(shù)和填充料關(guān)系密切。桿塔填充率越大，體型系數(shù)就會(huì)越小;桿塔填充料越小，體型系數(shù)就會(huì)越大，這是因?yàn)闃?gòu)件與構(gòu)件之間存在遮蔽效應(yīng)。當(dāng)填充率相同時(shí)，結(jié)合不同國(guó)家的設(shè)計(jì)規(guī)范，將體型系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)除了我國(guó)GB50545-2010輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范以外，美國(guó)、日本和國(guó)際電工協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)規(guī)范中的體型系數(shù)更接近。應(yīng)用日本輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范JEC127-1979的公式計(jì)算體型系數(shù)研究，當(dāng)桿塔填充料一致的情況下，橫擔(dān)風(fēng)荷載體型系數(shù)比桿塔低45%。由此可見，日本輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范在風(fēng)荷載體型系數(shù)方面的研究更加細(xì)致，計(jì)算的結(jié)果也更加精確，這一點(diǎn)需要我國(guó)GB50545設(shè)計(jì)規(guī)范學(xué)習(xí)[3]。

3.2 導(dǎo)線與地線體型系數(shù)

我國(guó)GB50545線路風(fēng)荷載設(shè)計(jì)規(guī)定中，導(dǎo)線與地線體型系數(shù)是。線路直徑低于17mm，或者線路表面覆冰時(shí)，體型系數(shù)為1.2。線路直徑超過17mm時(shí)，體型系數(shù)為1.1。結(jié)合線路的實(shí)際運(yùn)行情況，超過220kV的導(dǎo)線直徑也超過了17mm?；谶@一情況，我國(guó)對(duì)高壓線路導(dǎo)線和地線風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)，體型系數(shù)統(tǒng)一取值為1.1。

國(guó)際電工協(xié)會(huì)規(guī)范IEC60826-2003提出以下規(guī)定：缺乏直接性測(cè)量或沒有直接進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的情況下，一般導(dǎo)線風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.0。

美國(guó)輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范ASCE74-2009中提出了導(dǎo)線與地線風(fēng)荷載體型系數(shù)的取值為1.0。導(dǎo)線和地線風(fēng)荷載體型系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)聯(lián)，當(dāng)雷諾數(shù)低于3×104時(shí)，線路風(fēng)荷載體型系數(shù)會(huì)超過1，美國(guó)輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范中的最小設(shè)計(jì)風(fēng)速中，如果導(dǎo)線與地線直徑超過13mm，與此同時(shí)雷諾數(shù)大于3×104。由此，導(dǎo)線與地線風(fēng)荷載體型系數(shù)取值為1.0。

日本輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范JEC127-1979中也是結(jié)合雷諾數(shù)進(jìn)行線路圓截面風(fēng)荷載體型系數(shù)的研究。當(dāng)雷諾數(shù)低于4×105的時(shí)候，輸電線路風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.2;當(dāng)雷諾數(shù)超過4×105時(shí)，輸電線路導(dǎo)線與地線風(fēng)荷載體型系數(shù)為0.75。正常情況下，線路雷諾數(shù)不會(huì)超過4×105，所以風(fēng)荷載體型系數(shù)多數(shù)會(huì)取值為1.2。

4 風(fēng)壓高度變化系數(shù)

4.1 桿塔風(fēng)壓高度系數(shù)

針對(duì)線路風(fēng)壓高度的變化系數(shù)，各國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范分別從地形地貌與基準(zhǔn)高度角度出發(fā)，探究這些因素給風(fēng)壓高度系數(shù)帶來的影響與變化。中國(guó)、美國(guó)與日本的輸電線路風(fēng)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范將風(fēng)速根據(jù)高度的變化來規(guī)定風(fēng)壓高度系數(shù)的，國(guó)際電工協(xié)會(huì)是綜合系數(shù)角度考慮風(fēng)塔高度系數(shù)。不同規(guī)范中，標(biāo)準(zhǔn)地貌規(guī)定方面，美國(guó)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定了C類地貌，其他規(guī)范規(guī)定了B類地貌為標(biāo)準(zhǔn)地貌。我國(guó)GB50545線路風(fēng)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范數(shù)值比國(guó)際電工協(xié)會(huì)規(guī)范IEC60826-2003要小。

不同國(guó)家的線路風(fēng)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范中，針對(duì)桿塔分段節(jié)離地高度做出了不同的規(guī)定。我國(guó)GB50545規(guī)定了節(jié)間頂點(diǎn)處計(jì)算離地高度;美國(guó)ASCE規(guī)范規(guī)定了重心處計(jì)算離地高度;日本JEC規(guī)范規(guī)定了中心處計(jì)算離地高度。所有的風(fēng)壓高度變化系數(shù)和離地高度計(jì)算中，美國(guó)ASCE規(guī)范得出的計(jì)算值與實(shí)際最相符，我國(guó)GB50545規(guī)范中計(jì)算值較大，日本JEC規(guī)范的計(jì)算結(jié)果與真實(shí)情況相比偏小[4]。

4.2 導(dǎo)線與地線風(fēng)壓高度變化系數(shù)

針對(duì)不同規(guī)范中對(duì)于導(dǎo)線與地線離地高度做出了以下規(guī)定：（1）日本JEC規(guī)范與中國(guó)GB50545規(guī)范提出導(dǎo)線離地高度為三分之一弧垂高度與最低點(diǎn)離地高度之和。（2）美國(guó)ASCE提出導(dǎo)線與地線風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)為桿塔附著點(diǎn)離地高度和三分之一弧垂高度之差。（3）國(guó)際電工協(xié)會(huì)IEC規(guī)范中提出導(dǎo)線與地線離地高度為桿塔附著點(diǎn)高度。GB50545和JEC規(guī)范中，對(duì)導(dǎo)線和地線風(fēng)壓高度變化系數(shù)的設(shè)置更加貼近于實(shí)際，ASCE與IEC規(guī)范中，風(fēng)壓高度變化系數(shù)可能偏離實(shí)際，最終導(dǎo)致風(fēng)荷載較大。

5 風(fēng)振系數(shù)研究

各項(xiàng)規(guī)范中，對(duì)于導(dǎo)線和地線風(fēng)振系數(shù)的規(guī)定基本相似，各規(guī)范根據(jù)桿塔風(fēng)振系數(shù)做出比較，通過風(fēng)振系數(shù)的研究了解風(fēng)荷載計(jì)算方式。中國(guó)GB50545規(guī)范提出了以下關(guān)于風(fēng)振系數(shù)的內(nèi)容，桿塔高度低于60m時(shí)，全高使用1個(gè)風(fēng)振系數(shù);桿塔高度超過60m時(shí)，結(jié)合《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中提出的內(nèi)容，應(yīng)用自下而上不斷增加的數(shù)值變化情況，但風(fēng)振系數(shù)不應(yīng)低于1.6。國(guó)際電工協(xié)會(huì)IEC規(guī)范中的G綜合高度風(fēng)壓系數(shù)與風(fēng)動(dòng)脈影響情況，對(duì)風(fēng)振系數(shù)做出了相應(yīng)規(guī)定。風(fēng)壓高度系數(shù)分離之后，風(fēng)振系數(shù)也被分離出來，最終得出與我國(guó)GB50545規(guī)范相當(dāng)?shù)娘L(fēng)荷載系數(shù)，但其規(guī)律相反。美國(guó)ASCE規(guī)范中陣風(fēng)系數(shù)包含10min與3s風(fēng)速轉(zhuǎn)換和風(fēng)脈動(dòng)影響。將轉(zhuǎn)換因素分離出來后，數(shù)值與我國(guó)GB50545規(guī)范風(fēng)荷載系數(shù)相似，隨著高度的增加，風(fēng)荷載系數(shù)下降，這與桿塔的體型無關(guān)，一個(gè)桿塔的高度會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)系數(shù)值。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，我國(guó)GB50545規(guī)范各其他國(guó)家不同，風(fēng)振系數(shù)在高度不同情況下變化趨勢(shì)也會(huì)不同，這是因?yàn)槲覈?guó)設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用的自下而上的風(fēng)振系數(shù)，數(shù)值逐漸變大。與日本、美國(guó)、國(guó)際電工協(xié)會(huì)提出的風(fēng)振系數(shù)變化情況相比，安全度相同狀態(tài)下，桿塔底部彎矩會(huì)較大，這樣的設(shè)計(jì)方式可能會(huì)增加施工成本。

我國(guó)GB50545規(guī)范只適合用在外形和重量不受高度影響的等截面結(jié)構(gòu)，規(guī)范沒有考慮到輸電塔橫擔(dān)質(zhì)量的變化可能。我國(guó)荷載規(guī)范中，桿塔全高不超過60m時(shí)，桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)應(yīng)按照規(guī)定對(duì)全高采用統(tǒng)一一個(gè)系數(shù);當(dāng)塔體超過60m，風(fēng)振系數(shù)從荷載規(guī)范中引用即可，但這樣的引用方式會(huì)影響桿塔自身風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果。10mm及以下冰區(qū)不均勻覆冰情況的導(dǎo)、地線不平衡張力取值應(yīng)不低于下表規(guī)定的導(dǎo)、地線最大使用張力的百分?jǐn)?shù)，同時(shí)垂直冰荷載按75%設(shè)計(jì)覆冰荷載計(jì)算。2012年后，新的荷載計(jì)算規(guī)范針對(duì)線路風(fēng)荷載計(jì)算提出了地面粗糙度系數(shù)的調(diào)整，隨著風(fēng)壓高度系數(shù)的變化，地面粗糙度系數(shù)也會(huì)變化，即0.16調(diào)整為0.15。整體來看，塔底彎矩大了14%，這樣的變回將導(dǎo)致輸電線路建設(shè)成本增加，不利于電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益提升。

6 結(jié)語

總而言之，現(xiàn)代化電力行業(yè)發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，電力企業(yè)從經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范對(duì)輸電線路風(fēng)力荷載情況加以計(jì)算。本文從日本JEC規(guī)范、中國(guó)GB50545規(guī)范、美國(guó)ASCE規(guī)范、國(guó)際電工協(xié)會(huì)IEC規(guī)范四種規(guī)范角度入手，結(jié)合各自的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)分析風(fēng)力荷載計(jì)算方式。我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定了最小風(fēng)速，綜合結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)與風(fēng)力荷載分項(xiàng)系數(shù)等影響因素，保證了桿塔安全性。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊悅.脈動(dòng)風(fēng)載下的輸電線路風(fēng)偏計(jì)算研究[D].浙江大學(xué)，2015.

[2] 張盈哲，廖宗高，謝強(qiáng).輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范中風(fēng)荷載計(jì)算方法的比較[J].電力建設(shè)，2017，34（07）：57-62.

[3] 王振華.美國(guó)輸電線路風(fēng)荷載計(jì)算介紹[J].特種結(jié)構(gòu)，2016，29（04）：22-24+32+4.

[4] 肖洪偉，李喜來，廖宗高，唐國(guó)安，段松濤.輸電線路風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)（風(fēng)振系數(shù)）計(jì)算探討[J].電力建設(shè)，2017（09）：33-38.