新輸電線路設計規(guī)范對桿塔設計的影響性分析

汪楚清，王輝

(1.寧夏回族自治區(qū)電力設計院有限公司，寧夏 銀川 750004；2.北方民族大學土木工程學院，寧夏 銀川 750021)

基于當時的認知水平與電網(wǎng)安全可靠性需求，我國的《110kV～750kV架空輸電線路設計規(guī)范》(GB50545—2010)[1]已不滿足當前社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，也不利于我國的電網(wǎng)基建技術走向國外。新修訂的《架空輸電線路電氣設計規(guī)程》(DL/T 5582—2020)[2]、《架空輸電線路荷載規(guī)范》(DL/T 5551—2018)[3]和《架空輸電線路桿塔結構設計技術規(guī)程》(DL/T 5486—2020)[4]則共同構成了輸電線路行業(yè)新的主體技術標準框架。根據(jù)國網(wǎng)基建部相關要求，線路工程均需按新規(guī)范開展設計和校核工作。但目前關于新規(guī)范對桿塔結構的影響分析較少，如李鑫等[5]、李敏生等[6]、徐彬等[7]對國內外鐵塔風荷載的計算原理進行了對比分析，趙崢等[8]對新版荷載規(guī)范的主要修編內容作了淺略解析，趙勇等[9]研究發(fā)現(xiàn)新版荷載規(guī)范計算出的風荷載要高于原規(guī)范，吳海洋等[10]探討了新規(guī)范中的風荷載調整系數(shù)取值是否合理的問題。為此，調取了寧夏“十四五”規(guī)劃擬開展的工程計劃，以寧夏35～330 kV輸電線路工程常用的桿塔通用設計模塊為分析樣本，研究新規(guī)范對桿塔方面的影響，以期為未來工程的順利實施提供理論依據(jù)。

1 新規(guī)范修訂要點

1.1 《架空輸電線路荷載規(guī)范》(DL/T 5551—2018)

此規(guī)范主要對各架空輸電線路的線條風荷載、桿塔風荷載等內容進行了修訂。

1.1.1 線條風荷載

相比舊規(guī)范，新規(guī)范在線條風荷載計算中全面引入風工程理論，將舊規(guī)范中的風壓不均勻系數(shù)與風速脫鉤，將導地線風荷載調整系數(shù)與風速和電壓等級脫鉤，轉而建立兩者與導線水平檔距、保證率和湍流度之間的關系，并分別改稱為檔距折減系數(shù)αL和導地線陣風系數(shù)βC。新規(guī)范中的導線、地線及跳線風荷載標準值的計算方法見式(1)—式(6)：

WX=βC·αL·W0·μZ·μSC·d·LP·B1·sin2θ

(1)

βC=γC(1+2g·IZ)

(2)

(3)

(4)

(5)

W0=V02/1600

(6)

式中:WX—風荷載標準值；

βC—導地線陣風系數(shù)；

αL—檔距折減系數(shù)；

W0—基準風壓；

μZ—風壓高度變化系數(shù)；

μSC—導線或地線的體型系數(shù)；

d—導線或地線的外徑或覆冰時的計算外徑；

LP—桿塔的水平檔距；

B1—導地線覆冰風荷載增大系數(shù)；

θ—風向與導線或地線方向之間的夾角；

γC—導地線風荷載折減系數(shù)，取0.9；

g—峰值因子，取2.5；

IZ—導線平均高z處的湍流強度；

I10—10 m高度名義湍流強度；

z—導地線平均高度；

α—地面粗糙度指數(shù)；

εc—導地線風荷載脈動折減系數(shù)；

δL—檔距相關性積分因子；

LX—水平向相關函數(shù)的積分長度；

e—自然常數(shù)；

V0—基本風速。

1.1.2 桿塔風荷載

與舊規(guī)范相比，新規(guī)范在計算桿塔風振系數(shù)時采用團集質量法，與《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)保持一致。采用團集質量法的風振系數(shù)計算公式如下：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：βzi—第i點的順風向風振系數(shù)；

mi、Ai、φ1i、μsi、μzi—第i點的質量、面積、一階振型系數(shù)、體型系數(shù)、風壓高度變化系數(shù)；

εt—脈動折減系數(shù)；

I10—10 m高處湍流度；

α—地面粗糙度指數(shù)；

g—峰值因子。

脈動風豎向相干函數(shù)cohz(zj,zj')采用由Shiotani提出的與頻率無關的簡化公式：

(12)

1.2 《架空輸電線路電氣設計規(guī)程》(DL/T 5582—2020)

此規(guī)范主要是對風偏角計算、絕緣配合要求等進行了修訂。

1.2.1 風偏角的計算

引入了荷載規(guī)范的計算方法，并結合風偏放電的物理特點進行系數(shù)調整。與導地線線條荷載計算相比，導地線間隙風荷載計算時僅與導地線、跳線相關，而與鐵塔無關，εc不考慮折減，同時電氣響應遠較結構響應敏感，g取3.6。相比舊規(guī)范，新規(guī)范在絕緣子風偏計算中引入順風向絕緣子風荷載屏蔽折減系數(shù)，此系數(shù)只與串型和串數(shù)有關。

1.2.2 絕緣配合要求

此規(guī)范對海拔高度超過1000 m地區(qū)懸垂絕緣子串片數(shù)的修正計算式做了調整，計算公式如下：

nH=nem1(H-1000)/8150

(13)

1.3 《架空輸電線路桿塔結構設計技術規(guī)程》(DL/T 5486—2020)

此規(guī)范主要是對材料強度指標、軸心受力構件的強度計算公式、軸心受力構件的強度折減系數(shù)、交叉斜材計算長度、軸心受力構件的寬厚比限值等內容進行了修訂。

1.3.1 材料強度指標

鋼材抗力分項系數(shù)應符合表1。

表1 鋼材抗力分項系數(shù)

1.3.2 軸心受力構件的強度計算

軸心受力構件的強度計算應符合下列兩式的規(guī)定：

(14)

(15)

式中:N—軸心拉力或軸心壓力設計值；

A—構件毛截面面積；

An—構件凈截面面積；

fy—鋼材的屈服強度；

fu—鋼材的抗拉強度最小值；

γR—鋼材的抗力分項系數(shù)；

η—構件強度折減系數(shù)，相比舊規(guī)范，新規(guī)范對于受拉桿件的強度折減較多。

1.3.3 計算長度

對于按平行軸計算的主材，新規(guī)范計算長度系數(shù)由1.2調整為1.1。交叉斜材計算長度及修正系數(shù)K2調整為按式(16)計算。

兩根斜材一拉一壓時：

(16)

兩根斜材同時受壓時：

(17)

式中：N—計算桿的內力；

N0—相交另一桿的內力。

1.3.4 軸心受壓構件的穩(wěn)定計算

新規(guī)范對軸心受壓構件的寬厚比限值進行了調整：

(18)

式中：w—翼緣自由外伸寬度；

t—厚度；

φ—軸心受壓構件穩(wěn)定系數(shù)，軸心受壓構件的穩(wěn)定系數(shù)φ分a類、b類，軸心受壓鋼構件的截面分為a類、a*類和b類；

fy—鋼材的屈服強度。

1.4 小 結

可以看出，此次規(guī)范的修訂實質是對輸電線路的可靠度水平進行了調整，最終落腳點體現(xiàn)在了風荷載的計算上，包括風偏角風荷載、導地線線條風荷載和塔身風荷載。而在其他方面并無太多變化，僅是結合多年的工程經(jīng)驗對某些問題進行了明確或做了整合。

2 新舊規(guī)范荷載計算的差異性分析

2.1 風偏角風荷載

由于風偏角荷載計算公式調整較大，尤其是對27～31 m/s風速區(qū)間影響最大，以220 kV在大風工況下的搖擺角計算為例，結果見表2。

從表2看出，按新規(guī)范計算出的搖擺角普遍比舊規(guī)范要大1°～2°，同時由于絕緣配合的變化，導致塔頭尺寸會有所增加。

表2 導地線風偏計算

2.2 導地線線條風荷載

選取βCαLμZ計為考察基準，分別計算了典型110 kV和220 kV的線條風荷載，結果見表3。

表3 線條風荷載計算

可見，新規(guī)范對導地線線條風荷載的計算較原規(guī)范有很大程度的增加，算例表明增幅在15%以上。

2.3 塔身風荷載

選取加權平均后的桿塔風振系數(shù)βz(90°風向)計為考察基準，分別計算了典型110 kV、220 kV和330 kV的塔身風荷載,見表4。

表4 塔身風荷載計算

可見，新規(guī)范對塔身風荷載的計算較原規(guī)范有很大程度的增加，算例表明增幅在20%左右。

2.4 風荷載的影響

通過以上分析得出新規(guī)范引起35～330 kV線路桿塔的搖擺角略有增大，導地線線條風荷載和塔身風荷載也有所增加。需要指出的是輸電塔結構是空間桁架體系，并不意味著風荷載水平的增加會影響桿塔結構的承載力，其結構的承載力還要受導地線張力和自重的影響，風荷載只占其中一部分。隨著電壓等級的增加，由于大截面和多分裂導地線的使用，反而風荷載對桿塔結構的影響程度會減弱。

3 新規(guī)范對桿塔設計的影響

收集了寧夏“十四五”規(guī)劃期間35～330 kV輸電線路工程，以常用的桿塔通用設計模塊為分析樣本，塔型共計139個。

3.1 桿塔校核分析

桿塔校核主要包括塔頭間隙和承載力校核兩方面，校核結果(見表5)表明，塔頭間隙不合格率約為90%，桿塔綜合不合格率約為93%。

表5 桿塔校核結果

3.2 塔重和基礎作用力分析

由于樣本數(shù)據(jù)量較大，僅列出部分具有代表性的塔型，表6和表7分別表明新規(guī)范引起塔重約增加3%～10%，基礎作用力平均增大20%以上。由于鐵塔和基礎在輸電線路本體造價中占比很大，必須在工程建設中考慮其帶來的影響。

表6 塔重影響性分析

表7 基礎作用力影響性分析

4 結 論

綜上所述，本次新規(guī)范的修訂內容較多，對35 ～330 kV桿塔的影響很大，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)電氣規(guī)程將引起風偏角普遍增大1°～2°，再考慮到絕緣配合的變化，導致原桿塔通用設計塔頭間隙普遍不滿足新規(guī)程要求，不合格率達到90%以上，僅有部分耐張塔電氣間隙滿足要求。

(2)荷載規(guī)范將引起導地線線條風荷載增大15%以上，引起塔身風荷載增大20%以上，這一變化將引起塔重和基礎作用力的增加。

(3)結構設計規(guī)程將引起部分桿件強度不夠，尤其是單顆螺栓連接的斜材和輔材。

(4)新規(guī)范綜合將引起原典設塔重增加3%～10%，基礎作用力增加20%以上，這將導致工程量的增加。在基建前期階段應考慮規(guī)范修訂帶來的影響，尤其是在工期和綜合造價方面，建議加強工程的全過程管理工作。