《架空輸電線路荷載規(guī)范》對500 kV線路桿塔的影響分析

王金龍，蒙春玲

(中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

風(fēng)荷載是輸電線路桿塔的主要承受荷載之一，在懸垂塔中的影響比重占60%左右，在耐張塔中的影響比重占30%左右。因此輸電線路桿塔風(fēng)荷載計(jì)算尤為重要，研究規(guī)范修訂對桿塔的影響具有重要意義。

DL/T 5551—2018《架空輸電線路荷載規(guī)范》[1](以下簡稱《荷載規(guī)范》)于2018年底發(fā)布，2019年5月1日實(shí)施。《荷載規(guī)范》總結(jié)了我國輸電線路荷載設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過調(diào)查研究、計(jì)算分析，參考有關(guān)國外標(biāo)準(zhǔn)，整合了既有標(biāo)準(zhǔn)中的荷載部分，對部分荷載內(nèi)容進(jìn)行了修訂，對桿塔和導(dǎo)地線風(fēng)荷載中的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行了重新定義。本文通過比較《荷載規(guī)范》與GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](以下簡稱《線路規(guī)范》)差異，以2011版通用設(shè)計(jì)桿塔5A2-ZBC2和5A2-JC2為例，分析了導(dǎo)地線風(fēng)荷載計(jì)算公式修訂前后參數(shù)變化及其對風(fēng)荷載和比載的影響，給出了桿塔風(fēng)振系數(shù)計(jì)算調(diào)整前后該系數(shù)取值的變化，最后綜合分析了《荷載規(guī)范》修訂對500kV線路塔重的影響。

1 電氣荷載差異

1.1 導(dǎo)地線風(fēng)荷載計(jì)算公式的對比

根據(jù)《線路規(guī)范》第10.1.18條公式：

式中：WX為垂直于導(dǎo)線及地線方向的水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；α為風(fēng)壓不均勻系數(shù)；βC為導(dǎo)線及地線風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)；μZ為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μSC為導(dǎo)線或地線的體型系數(shù)；d為導(dǎo)線或地線的外徑或覆冰時(shí)的計(jì)算外徑；LP為桿塔的水平檔距；B為覆冰時(shí)風(fēng)荷載增大系數(shù)；θ為風(fēng)向與導(dǎo)線或地線方向之間的夾角；W0為基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值；V為基準(zhǔn)高度為10 m的風(fēng)速。

本文后續(xù)涉及《線路規(guī)范》的相同參數(shù)，含義與上述說明一致，不再單獨(dú)注明。

根據(jù)《荷載規(guī)范》第6.1.1條公式：

式中：βC為導(dǎo)地線陣風(fēng)系數(shù)；αL為檔距折減系數(shù)；B1為導(dǎo)地線覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)；γC為導(dǎo)地線風(fēng)荷載折減系數(shù)；g為峰值因子，取2.5；IZ為導(dǎo)線平均高z處的湍流強(qiáng)度；I10為10 m高度名義湍流強(qiáng)度；z為導(dǎo)地線平均高度，m；α為地面粗糙度指數(shù)；εc為導(dǎo)地線風(fēng)荷載脈動(dòng)折減系數(shù)；δL為檔距相關(guān)性積分因子；LX為水平向相關(guān)函數(shù)的積分長度；V0為基本風(fēng)速，m/s。e為自然常數(shù)，可取2.718 28；其余參數(shù)含義同《線路規(guī)范》第10.1.18條公式。

本文后續(xù)涉及《荷載規(guī)范》的相同參數(shù)，含義與上述說明一致，不再單獨(dú)注明。

《線路規(guī)范》中風(fēng)壓不均勻系數(shù)α僅與基準(zhǔn)高度為10 m的風(fēng)速有關(guān)，導(dǎo)地線風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βC與基準(zhǔn)高度為10 m的風(fēng)速和電壓等級有關(guān)，α和βC取值由風(fēng)速、電壓等級確定不夠嚴(yán)謹(jǐn)；《荷載規(guī)范》將α和βC的含義分別調(diào)整為檔距折減系數(shù)αL和陣風(fēng)系數(shù)βC，調(diào)整后參數(shù)取值與導(dǎo)地線高度、湍流強(qiáng)度等因素有關(guān)，計(jì)算更加嚴(yán)謹(jǐn)合理?！逗奢d規(guī)范》依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]對風(fēng)壓高度變化系數(shù)μZ的冪指數(shù)進(jìn)行了修訂。

1.2 導(dǎo)地線比載計(jì)算公式的對比

根據(jù)《線路規(guī)范》，導(dǎo)地線比載計(jì)算公式如下：

無冰風(fēng)比載計(jì)算：

覆冰風(fēng)比載計(jì)算：

式中：b為冰厚；根據(jù)《荷載規(guī)范》，導(dǎo)地線比載計(jì)算公式如下：

無冰風(fēng)比載計(jì)算：

覆冰風(fēng)比載計(jì)算：

1.3 絕緣子串風(fēng)荷載計(jì)算公式對比

根據(jù)《線路規(guī)范》第10.1.21條公式：

式中：AI為絕緣子串承受風(fēng)壓面積計(jì)算值；

根據(jù)《荷載規(guī)范》第6.3.1條公式：

式中：AI為單聯(lián)絕緣子串承受風(fēng)壓面積計(jì)算值；n為垂直風(fēng)向絕緣子聯(lián)數(shù)；λI為順風(fēng)向絕緣子串風(fēng)荷載屏蔽折減系數(shù)；μSI為絕緣子串體型系數(shù)；B3為絕緣子串覆冰荷載增大系數(shù)；

《荷載規(guī)范》引入了絕緣子串體型系數(shù)和順風(fēng)向絕緣子串風(fēng)荷載屏蔽折減系數(shù)。

2 桿塔荷載差異

2.1 桿塔風(fēng)荷載計(jì)算公式的對比

根據(jù)《線路規(guī)范》第10.1.19條公式：

式中：WS為桿塔風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；βZ為桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)；μS為構(gòu)件體型系數(shù)；AS為承受風(fēng)壓的投影面積計(jì)算值；B為覆冰時(shí)風(fēng)荷載增大系數(shù)。

根據(jù)《荷載規(guī)范》第6.2.1條公式：

式中：βZ為高度Z處的桿塔風(fēng)振系數(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(jì)算值。

《荷載規(guī)范》中桿塔風(fēng)振系數(shù)βZ計(jì)算方法有較大的調(diào)整，引入團(tuán)集質(zhì)量法計(jì)算桿塔風(fēng)振系數(shù)。

2.2 角度風(fēng)荷載對比

對于塔身風(fēng)荷載，DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[4](以下簡稱《桿塔規(guī)定》)在45°和60°風(fēng)向時(shí)，引入K1塔身風(fēng)斷面形狀系數(shù)，對于單角鋼斷面取1.0，對于組合角鋼斷面取1.1；而《荷載規(guī)范》則取消了該系數(shù)。對于水平橫擔(dān)風(fēng)荷載，45°時(shí)x方向風(fēng)荷載，《桿塔規(guī)定》取值0.4WSC(WSC為風(fēng)垂直于橫擔(dān)正面吹風(fēng)時(shí)，橫擔(dān)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值)，《荷載規(guī)范》取值0.35WSC，減少了0.05WSC；60°時(shí)y方向風(fēng)荷載，《桿塔規(guī)定》取值0.7WSC，《荷載規(guī)范》取值0.55WSC，減少了0.15WSC；90°時(shí)x方向風(fēng)荷載，《桿塔規(guī)定》取值0.4，《荷載規(guī)范》取值0.45WSC，增加了0.05WSC。

2.3 安裝及檢修荷載對比

《荷載規(guī)范》相對于《線路規(guī)范》和《桿塔規(guī)定》，對部分附加荷載進(jìn)行了調(diào)整。110 kV跳線附加荷載由1.0 kN調(diào)整為1.5 kN；對于500 kV和750 kV，懸垂塔導(dǎo)線附加荷載由4.0 kN調(diào)整為4.5 kN，地線附加荷載由2.0 kN調(diào)整為3.0 kN，跳線附加荷載2.0 kN調(diào)整為4.0 kN；人重荷載由1 kN調(diào)整為0.8 kN。

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 設(shè)計(jì)條件

以2011版通用設(shè)計(jì)5A2模塊為例，設(shè)計(jì)風(fēng)速為29 m/s，覆冰10 mm，導(dǎo)線型號為4×LGJ-400/35，地線型號為JLB20A-150。5A2-ZBC2塔呼高24～48 m，計(jì)算呼高42 m，水平檔距為550 m，垂直檔距為750 m。5A2-JC2塔呼高21～30 m，計(jì)算呼高30 m，水平檔距為450 m，垂直檔距為800 m，轉(zhuǎn)角度數(shù)20°～40°。

3.2 導(dǎo)地線風(fēng)荷載計(jì)算比較

《荷載規(guī)范》將導(dǎo)地線風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)修正為導(dǎo)地線陣風(fēng)系數(shù)βC，將風(fēng)壓不均勻系數(shù)修正為檔距折減系數(shù)αL。βC由其折減系數(shù)、陣風(fēng)因子、湍流強(qiáng)度確定；αL由峰值因子、導(dǎo)地線脈動(dòng)風(fēng)荷載折減系數(shù)、湍流強(qiáng)度和檔距相關(guān)性積分因子確定。5A2-ZBC2塔調(diào)整前后導(dǎo)線風(fēng)荷載及其相關(guān)參數(shù)對比見表1所列。

表1 荷載參數(shù)對比表

由表1可知，5A2-ZBC2塔規(guī)范調(diào)整后導(dǎo)線風(fēng)荷載增大3.3%，無冰風(fēng)比載減小9.8%，覆冰風(fēng)比載減小33.3%。

風(fēng)荷載和比載前后差異主要由風(fēng)振系數(shù)、檔距折減系數(shù)、體型系數(shù)和風(fēng)壓高度變化系數(shù)影響導(dǎo)致。《線路規(guī)范》中風(fēng)壓不均勻系數(shù)α僅與基準(zhǔn)高度為10 m的風(fēng)速有關(guān)，導(dǎo)地線風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βC與基準(zhǔn)高度為10 m的風(fēng)速和電壓等級有關(guān)；《荷載規(guī)范》將其含義調(diào)整為檔距折減系數(shù)αL和陣風(fēng)系數(shù)βC均與導(dǎo)地線高度、湍流強(qiáng)度等因素有關(guān)，計(jì)算更加合理?！逗奢d規(guī)范》將風(fēng)壓高度變化系數(shù)μZ的冪指數(shù)由0.32修訂為0.30。體型系數(shù)規(guī)范調(diào)整前后取值由1.1(無冰時(shí))、1.2(覆冰時(shí))調(diào)整為1.0。

3.3 桿塔風(fēng)荷載計(jì)算比較

《荷載規(guī)范》基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析和桿塔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將桿塔各段分別近似簡化為質(zhì)點(diǎn)單元進(jìn)行計(jì)算，即團(tuán)集質(zhì)量法。根據(jù)《線路規(guī)范》和《荷載規(guī)范》的計(jì)算方法，對5A2-ZBC2桿塔風(fēng)振系數(shù)βZ進(jìn)行計(jì)算對比見表2所列。對5A2-JC2桿塔風(fēng)振系數(shù)βZ進(jìn)行計(jì)算對比見表3所列。

表2 5A2-ZBC2風(fēng)振數(shù)對比表

表3 5A2-JC2風(fēng)振數(shù)對比表

5A2-ZBC2桿塔風(fēng)振系數(shù)βZ在塔身塔腿變化在-0.1%～0.2%范圍，曲臂、橫擔(dān)及地線支架βZ《荷載規(guī)范》較《線路規(guī)范》增加0.4%～1.3%。5A2-JC2桿塔風(fēng)振系數(shù)βZ在塔身變坡以下基本無變化，橫擔(dān)、地線支架以及橫擔(dān)以上塔身的βZ《荷載規(guī)范》較《線路規(guī)范》增加0.4%～1.1%。由此可以看出，桿塔風(fēng)振系數(shù)βZ計(jì)算方法的改變對500 kV桿塔影響很小。

3.4 電氣荷載和桿塔荷載變化對塔重的影響

綜合考慮電氣荷載和桿塔荷載的變化，對5A2-JC2、5A2-ZBC2塔進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算塔重對比詳見表4所列。

表4 塔重對比表

綜合考慮《荷載規(guī)范》和《線路規(guī)范》的影響，5A2-JC2塔按《荷載規(guī)范》調(diào)整后，計(jì)算塔重減小0.2%～0.3%；5A2-ZBC2塔按《荷載規(guī)范》調(diào)整后，計(jì)算塔重增加0.1%～0.2%?？紤]到桿塔結(jié)構(gòu)分段、統(tǒng)材等因素，施工圖塔重基本不變，《荷載規(guī)范》對5A2模塊系列桿塔的塔重影響很小。

4 結(jié)論

本文基于《荷載規(guī)范》和《線路規(guī)范》中電氣荷載和桿塔荷載的差異對比，以5A2-ZBC2和5A2-JC2塔為實(shí)例，就《荷載規(guī)范》修訂內(nèi)容進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1)《荷載規(guī)范》引入檔距折減系數(shù)αL和陣風(fēng)系數(shù)βC均與導(dǎo)地線高度、湍流強(qiáng)度等因素有關(guān)，計(jì)算導(dǎo)地線風(fēng)荷載更加合理。5A2-ZBC2塔按《荷載規(guī)范》調(diào)整后導(dǎo)線風(fēng)荷載增大3.3%，無冰風(fēng)比載減小9.8%，覆冰風(fēng)比載減小33.3%。

2)按團(tuán)集質(zhì)量法計(jì)算桿塔風(fēng)振系數(shù)βZ對500 kV影響較小，塔身、塔腿基本無變化，直線塔曲臂以上部分、耐張塔橫擔(dān)及以上部分較《線路規(guī)范》增加0.4%～1.3%。

3)綜合考慮《荷載規(guī)范》相對于《線路規(guī)范》的變化，5A2-ZBC2計(jì)算塔重增加0.1%～0.2%，5A2-JC2計(jì)算塔重減少0.2%～0.3%?？紤]到桿塔結(jié)構(gòu)分段、統(tǒng)材等因素，施工圖塔重基本不變，《荷載規(guī)范》對5A2模塊系列桿塔的塔重影響很小，后續(xù)進(jìn)一步分析《荷載規(guī)范》對500 kV其他桿塔的影響。