220kV雙回路直線塔舊塔改造設(shè)計(jì)研究

劉許凡 杜海強(qiáng) 徐明鳴 黃勇祥

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司 湖南長沙 410007)

0 引言

某220kV雙回路輸電鐵塔直線塔ZGU1，地線由原來的一根LBGJ-65-25AC換為一根OPGW-2S1/24-1，地線截面積加大，該塔原先是按舊規(guī)范《架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(SDJ 3-79)和《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(SDGJ 94-90)設(shè)計(jì)，本次改造要求兼顧現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范《110～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50545-2010)和《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5154-2012)的規(guī)定，對原塔進(jìn)行必要的更新改造。因此，需要對該直線塔ZGU1按新舊規(guī)范設(shè)計(jì)分別進(jìn)行校核，在充分利用舊塔構(gòu)件的前提下，明確需要加強(qiáng)哪些構(gòu)件。

1 新舊規(guī)范荷載工況對比分析

直線塔ZGU1的設(shè)計(jì)使用條件：風(fēng)速V=35m/s(15m高度)，覆冰C=0mm；導(dǎo)線為2×LGJ-500/35，安全系數(shù)K=2.5；地線為一根OPGW-2S1/24-1，安全系數(shù)K=3.2；水平檔距Lh=333m，垂直檔距Lv=380m，代表檔距Ld=371m；地面粗糙度類別：B類(山地)。

根據(jù)氣象條件，該直線塔ZGU1控制工況有3大類：大風(fēng)工況、斷線工況和安裝工況。本研究根據(jù)工程實(shí)際情況對比分析新舊規(guī)范荷載工況異同。

1.1 大風(fēng)工況

桿塔作用荷載一般分解為：橫向荷載、縱向荷載和垂直荷載。該工程新舊規(guī)范直線懸垂塔荷載取值差異，主要在橫向荷載和縱向荷載兩方面。大風(fēng)工況直線懸垂塔的線條張力自平衡，因此，該工程不用考慮其差異，本文主要針對水平風(fēng)荷載異同進(jìn)行討論。

風(fēng)荷載大小主要由設(shè)計(jì)風(fēng)速確定，風(fēng)速取值的新舊規(guī)范定義如表1所示[1-2]。該工程直線塔按新規(guī)范設(shè)計(jì)校核，風(fēng)速為33m/s，按舊規(guī)范設(shè)計(jì)校核，風(fēng)速為35m/s。按公式(1)換算[3]，新舊規(guī)范風(fēng)速取值大小基本相同。

V10=V15(10/15)α=35×(10/15)0.16=32.8m/s

(1)

式中，V10為10m高風(fēng)速，V15為15m高風(fēng)速，α為與粗糙度類別有關(guān)的參數(shù)。

導(dǎo)、地線和塔身風(fēng)荷載還要考慮風(fēng)壓高度系數(shù)，如表2所示[4-5]。新規(guī)范風(fēng)壓高度系數(shù)μz基本高度為10m，舊規(guī)范風(fēng)壓高度系數(shù)Kz基本高度為15m，與新舊規(guī)范采用的風(fēng)速高度相對應(yīng)，物理含義和計(jì)算公式相同。

表2 新舊規(guī)范風(fēng)壓離地面高度變化系數(shù)(B類粗糙度) m

新舊規(guī)范導(dǎo)地線、桿塔和絕緣子風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式有較大差異，如表3所示[4-5]。該工程沒有覆冰，覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)(B1，B2)不用考慮。

風(fēng)壓不均勻系數(shù)(風(fēng)速不均勻檔距折減系數(shù))α取值差異如表4所示[4-5]。該工程按新舊規(guī)范取值α均為0.70。

導(dǎo)、地線的體型系數(shù)μsc(C)和桿塔構(gòu)件的體型系數(shù)μs(C)的新舊規(guī)范取值如表5所示[4-5]。新舊規(guī)范導(dǎo)、地線的體型系數(shù)取值一樣，而桿塔構(gòu)件的體型系數(shù)取值新規(guī)范較舊規(guī)范小7.1%。

表3 新舊規(guī)范風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值公式

表4 新舊規(guī)范α取值差異

表5 新舊規(guī)范體型系數(shù)取值差異

桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βz(KT)新舊規(guī)范取值如表6所示[4-5]。桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)DL/T 5154-2012取值和SDGJ 94-90取值存在較大差異。該工程220kV直線塔ZGU1全高52m，新規(guī)范βz取值為1.52，舊規(guī)范KT取值為1.5，新規(guī)范較舊規(guī)范大1.3%。

500kV和750kV線路導(dǎo)、地線風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βc，僅用于計(jì)算作用于桿塔上的導(dǎo)線及地線風(fēng)荷載(不含導(dǎo)線及地線張力弧垂計(jì)算和風(fēng)偏角計(jì)算)，βc應(yīng)按照表7確定；其它電壓等級的線路βc取1.0[5]；舊規(guī)范沒有提出這個(gè)系數(shù)，因此，220kV直線塔 取值新舊規(guī)范不產(chǎn)生差異。

綜上所述，該工程大風(fēng)工況新舊規(guī)范要求的水平風(fēng)荷載很相近，其中，桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βz(KT)和桿塔構(gòu)件的體型系數(shù)μs(C)的取值存在差異。

1.2 斷線工況

新舊規(guī)范220kV直線塔斷線工況的規(guī)定如表9所示[4-5]。該工程鐵塔覆冰為零，導(dǎo)線為雙分裂，地形為山地，新舊規(guī)范要求的氣象條件基本一致，無風(fēng)、無冰。當(dāng)導(dǎo)、地線斷線出現(xiàn)不平衡張力情況時(shí)，導(dǎo)、地線斷線工況組合新舊規(guī)范不一致，新規(guī)范要求比舊規(guī)范高，具體差異如表9所示。因此，該工程斷線工況新規(guī)范較舊規(guī)范要求高。

桿塔應(yīng)計(jì)算最不利風(fēng)向作用，新舊規(guī)范懸垂型桿塔最不利風(fēng)向的選取基本一致，如表8所示[4-5]。

1.3 安裝工況

新舊規(guī)范220kV直線塔安裝工況規(guī)定如表10所示，安裝附加荷載新舊規(guī)范取值一致[4-5]。該工程鐵塔新舊規(guī)范要求的氣象條件取基本一致，10m/s、無冰、相應(yīng)氣溫。安裝工況垂直荷載取值新規(guī)范取100%設(shè)計(jì)垂直檔距的線條重力，舊規(guī)范取50%設(shè)計(jì)垂直檔距的線條重力，其他要求基本一致。

2 新舊規(guī)范荷載作用效應(yīng)的組合

GB 50545-2010規(guī)定，桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度采用可靠指標(biāo)度量，極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值、材料性能標(biāo)準(zhǔn)值、幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值以及各種分項(xiàng)系數(shù)等表達(dá)。

結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)即指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在規(guī)定的各種荷載組合作用下或各種變形或裂縫的限值條件下，滿足線路安全運(yùn)行的臨界狀態(tài)。極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。對于承載能力極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)件構(gòu)件采用荷載效應(yīng)的基本組合和偶然組合進(jìn)行設(shè)計(jì)；對于正常使用極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)件構(gòu)件采用荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合和長期效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

SDJ 3-79規(guī)定：計(jì)算各類桿塔所用的荷載，根據(jù)不同情況還應(yīng)乘以相應(yīng)的荷載系數(shù)。荷載作用效應(yīng)組合，SDJ 3-79與GB 50545-2010要求完全迥異，不使用荷載分項(xiàng)系數(shù)和材料分項(xiàng)系數(shù)。其中，SDJ 3-79規(guī)定的荷載系數(shù)與GB 50545-2010規(guī)定的可變荷載組合系數(shù)相似，如表11所示[1-2]。

表11 新荷載系數(shù)與可變荷載組合系數(shù)對比

3 新舊規(guī)范構(gòu)件計(jì)算對比分析

決定鐵塔構(gòu)件規(guī)格大小的因素，除了外部荷載大小和荷載作用效應(yīng)組合之外，還有構(gòu)件本身的計(jì)算強(qiáng)度和剛度。而構(gòu)件強(qiáng)度和剛度計(jì)算涉及到材料強(qiáng)度、軸心拉、壓強(qiáng)度計(jì)算，軸心受壓穩(wěn)定計(jì)算和最大長細(xì)比等。

DL/T 5154-2012中材料強(qiáng)度，是根據(jù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的原則給出的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 ，SDGJ 94-90材料強(qiáng)度是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的容許應(yīng)力法給出的強(qiáng)度允許值 。

新舊規(guī)范軸心受力構(gòu)件強(qiáng)度、穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式如表12所示[4-5]。其中，強(qiáng)度公式中除了材料強(qiáng)度取值不同之外，構(gòu)件強(qiáng)度折減系數(shù)(構(gòu)件工作條件系數(shù))的取值也有差異，如表13～表14所示[4-5]。由表13～表14可見，穩(wěn)定公式差異，除了壓桿穩(wěn)定強(qiáng)度折減系數(shù)與構(gòu)件工作條件系數(shù)的差異外，與軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)有關(guān)的構(gòu)件計(jì)算長度取值也存在差異。

表12 新舊規(guī)范軸心受力構(gòu)件強(qiáng)度、穩(wěn)定計(jì)算公式

表13 DL/T 5154-2012中構(gòu)件強(qiáng)度折減系數(shù)取值

表14 SDGJ 94-90中構(gòu)件工作條件系數(shù)m取值

新舊規(guī)范最大長細(xì)比取值如表15所示[4-5]。由表15可見，受壓主材、輔助材和受拉材的最大長細(xì)比新舊規(guī)范相同，受壓斜材的最大長細(xì)比不同。

表15 新舊規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大長細(xì)比

4 道亨模型設(shè)計(jì)驗(yàn)算對比分析

根據(jù)原始圖紙，本文用道亨軟件建立空間計(jì)算模型，選擇驗(yàn)算模式，分別按新舊規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，輸出直線塔ZGU1的司令圖(部分桿件規(guī)格)，新規(guī)范桿件驗(yàn)算應(yīng)力比圖和舊規(guī)范桿件驗(yàn)算應(yīng)力比圖，如圖1所示。

通過計(jì)算結(jié)果可知，新舊規(guī)范橫擔(dān)構(gòu)件和橫擔(dān)下部塔身斜材的應(yīng)力比皆能滿足要求；第⑥段塔身主材和橫擔(dān)上部第②段和第③段塔身斜材應(yīng)力比超出了100%，按新規(guī)范的要求需要加強(qiáng)。

(a) ZGU1司令簡圖 (b) 新規(guī)范桿件應(yīng)力比 (c) 舊規(guī)范桿件應(yīng)力比

應(yīng)力比超限的桿件新舊規(guī)范計(jì)算結(jié)果，從上到下依次如表16所示。表16中前面5個(gè)桿件為橫擔(dān)上部塔身斜材，其最大桿件內(nèi)力由斷線工況控制，新舊規(guī)范最大桿件內(nèi)力相差很大，部分超過100%，綜合桿件計(jì)算的差異，桿件應(yīng)力比相差超過75%；最后一個(gè)構(gòu)件為塔身主材，其最大桿件內(nèi)力由大風(fēng)工況控制，新舊規(guī)范最大內(nèi)力相差約20%，綜合桿件計(jì)算的差異，桿件應(yīng)力比相差很小，約為4%。

表16 應(yīng)力比超限的桿件新舊規(guī)范計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

本文從荷載工況、荷載效應(yīng)組合和桿件計(jì)算3方面，對新舊規(guī)范220kV雙回路鐵塔設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行對比分析，并用道亨軟件分別建模驗(yàn)算，結(jié)論如下：

(1)大風(fēng)工況荷載取值方法新舊規(guī)范基本一致，塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)取值不同，塔越高，新規(guī)取值比舊規(guī)范大得越多；桿塔構(gòu)件體型系數(shù)取值新規(guī)范較舊規(guī)范小7.1%；

(2)斷線工況不平衡張力取值和斷線工況組合不同，新規(guī)范斷線工況荷載較舊規(guī)范斷線工況荷載取值偏大；

(3)安裝工況垂直荷載取值，新規(guī)范取100%設(shè)計(jì)垂直檔距的線條重力，舊規(guī)范取50%設(shè)計(jì)垂直檔距的線條重力，其他要求基本一致；

(4)荷載作用效應(yīng)組合，新舊規(guī)范要求完全迥異；

(5)新舊規(guī)范構(gòu)件計(jì)算存在較大差異，材料強(qiáng)度的取值不同，構(gòu)件強(qiáng)度折減系數(shù)(構(gòu)件工作條件系數(shù))的取值存在差異，構(gòu)件計(jì)算長度取值也存在差異，構(gòu)件最大長細(xì)比允許值存在差異；

(6)道亨鐵塔設(shè)計(jì)軟件建模驗(yàn)算結(jié)果顯示，舊塔改造需要加強(qiáng)的構(gòu)件主要是由斷線工況控制橫擔(dān)上部塔身斜材。