探討輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分析

淮北萬里電力規(guī)劃設(shè)計院有限公司 周 坤

1 風(fēng)荷載對輸電線路桿塔的影響

1.1 風(fēng)的速度方向會對桿塔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響

風(fēng)作用于輸電線路桿塔導(dǎo)致發(fā)生荷載變化，且通常情況下風(fēng)速與輸電線路桿塔變形或振動劇烈程度呈正相關(guān)關(guān)系。較高風(fēng)速情況會導(dǎo)致高柔性的輸電線路結(jié)構(gòu)中導(dǎo)線位置偏離，導(dǎo)致其余桿塔之間距離發(fā)生變化，由于風(fēng)速的不規(guī)律性引發(fā)導(dǎo)線不規(guī)則運動。風(fēng)速較低時，風(fēng)力作用于輸電線路桿塔會使桿塔結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)線受到?jīng)_擊，原因是低速風(fēng)力形成頻率不定的渦流，對導(dǎo)線產(chǎn)生影響，在風(fēng)速與導(dǎo)線頻率一致時引發(fā)共振現(xiàn)象。當(dāng)作用于輸電線路桿塔的風(fēng)速高于20m/s時輸電線路出現(xiàn)自激振動，振幅過高引發(fā)輸電線路舞動，影響電網(wǎng)安全。風(fēng)的方向?qū)旊娋€路桿塔的影響主要在于風(fēng)向不同導(dǎo)致風(fēng)與導(dǎo)線軸線夾角變化，影響輸電線路舞動情況。

輸電線路導(dǎo)線軸線與風(fēng)之間夾角大小與輸電線路舞動幅度對應(yīng)關(guān)系如下：45～90°穩(wěn)定振動、30～45°振動穩(wěn)定性低、＜20°不會振動，可知風(fēng)與導(dǎo)線軸線間的夾角與導(dǎo)線振動幅度呈正相關(guān)關(guān)系，因此當(dāng)風(fēng)與導(dǎo)線軸線夾角為零、互相平行時導(dǎo)線穩(wěn)定性最好，對輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的影響最小。輸電線路舞動不僅會對線路本身造成破壞，還可能會導(dǎo)致桿塔倒塌事故發(fā)生，帶來斷電等后續(xù)不良影響，阻礙輸電線路正常運行。

1.2 風(fēng)荷載作用對桿塔剛度產(chǎn)生影響

輸電線路桿塔設(shè)計時不僅要考慮到理想狀態(tài)下風(fēng)荷載作用對桿塔結(jié)構(gòu)的影響，還要考慮到極端天氣，如風(fēng)暴情況對輸電線路桿塔的影響。風(fēng)荷載對輸電線路桿塔在垂直方向、橫向水平方向及縱向水平方向均有作用，輸電線路桿塔會在外力作用下發(fā)生動力反應(yīng)，風(fēng)力作用會導(dǎo)致桿塔結(jié)構(gòu)發(fā)生低幅度位移變化，通常情況下對輸電線路正常運行影響不大。一旦風(fēng)力過大會導(dǎo)致輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的加速度發(fā)生變化，如風(fēng)暴情況下輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)加速度顯著變大，輸電線路舞動導(dǎo)致線路和桿塔結(jié)構(gòu)受到不同程度的損壞。因此需安裝一定裝置或進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)桿塔剛度提升，降低風(fēng)力變化對輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性的負(fù)面影響。

2 輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載計算分析

2.1 最大風(fēng)的時距計算

不同計算方法對于輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)性質(zhì)影響不同。輸電線路桿塔最大風(fēng)的時距計算方法主要包括采用瞬間風(fēng)速或采用平均風(fēng)速。不同國家地區(qū)按照電氣安全相關(guān)規(guī)定選擇最大風(fēng)的時距計算方法。一些國家在進行輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的最大風(fēng)的時距計算時采用平均風(fēng)速法，利用風(fēng)速計測算2s、5s或10s內(nèi)平均最大風(fēng)速進行風(fēng)的時距計算。

輸電線路桿塔地區(qū)的最大風(fēng)速統(tǒng)計值計算需將風(fēng)速進行同一高度等效值換算，其變換公示為vi=v(hi/h)α，其中hi為輸電線路風(fēng)速的基準(zhǔn)高度，vi為對應(yīng)最大風(fēng)速統(tǒng)計值，α為風(fēng)壓高度變換系數(shù)，此處取0.16。利用基本風(fēng)壓分布圖計算重現(xiàn)期最大風(fēng)速值公式為采用極值I型分布函數(shù)作為模型應(yīng)用，帶入輸電線路規(guī)定的重現(xiàn)期，獲得最大風(fēng)速值。該公式中=Σvi/n，為歷年來最大風(fēng)速平均值，T為重現(xiàn)期。

2.2 風(fēng)荷載作用下桿塔結(jié)構(gòu)可靠性測算

基于風(fēng)荷載作用的輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)可靠性測算一般包括干涉面積法、蒙特卡洛法、JC法。其中JC法的實用性更強、應(yīng)用范圍更廣泛，蒙特卡洛法的成本更高、可靠性更好，干涉面積法相對而言準(zhǔn)確性不高、限制條件過多。在對輸電線路進行可靠性測算時，可變荷載效應(yīng)與總荷載效應(yīng)間的比值嚴(yán)重影響輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)可靠程度。我國在1994年將調(diào)整系數(shù)β納入到風(fēng)荷載計算考慮因素中去，線條風(fēng)荷載效應(yīng)占總可變荷載變量的50～75%左右，桿塔結(jié)構(gòu)的可靠性與線條風(fēng)荷載值呈正相關(guān)關(guān)系。在將調(diào)整系數(shù)納入到可靠性考慮因素之后，對應(yīng)總可變荷載值是原來的1～1.15倍。

在對微地形區(qū)域的輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載進行計算時，要考慮到地形特點對于風(fēng)荷載變化的影響，風(fēng)荷載計算公式一般為Gh=1×LPh/2，當(dāng)輸電線路沿線風(fēng)速為變化值時其風(fēng)荷載計算公式為Gn=1/2∫LPhdl=1/2(∫L1Ph1dl+∫L2Ph2dl+…+∫LnPhndl)，當(dāng)輸電線路沿線風(fēng)速為固定不變值時其計算公式為Gn=1/2(Ph1L1+Ph2L2+…+PhnLn)，其中L代表輸電線長度，P代表輸電線高度下單位水平風(fēng)荷載。以美國輸電線路風(fēng)荷載計算為例，按照其輸電線路荷載規(guī)范要求，其輸電線路桿塔的設(shè)計風(fēng)荷載計算公式為F=γwQKzKzt(V)2GtGfA，此風(fēng)荷載計算依據(jù)ASCE74-2009，相較于ASCE74-1991在計算方法和考慮因素上有明顯變化。

以我國山丘地形為例探究輸電線路桿塔的風(fēng)荷載計算。如圖1所示，山丘地形的輸電線路桿塔計算要注意分為平地段和坡段，平底段的風(fēng)荷載計算公示為Gh=1×LPh/2，測算應(yīng)用的是高度為hp1處的最大平均風(fēng)速。對于坡段的風(fēng)荷載計算要注意風(fēng)速存在變化情況，其風(fēng)壓變化呈現(xiàn)出拋物線特征，在進行計算式要結(jié)合山腳風(fēng)壓和山頂風(fēng)壓按比重進行結(jié)合計算。

圖1 山丘輸電線路桿塔風(fēng)荷載

對于在埡口地形處的輸電線路桿塔風(fēng)荷載計算，要以山丘處輸電線路桿塔風(fēng)荷載計算作為參考。如圖2，埡口處輸電線路桿塔計算分為三部分，相較于山丘輸電線路桿塔風(fēng)荷載計算多了一個上山坡段。平底段風(fēng)荷載計算公式為Gh=1×LPh/2，上山端風(fēng)速與平底段風(fēng)速相比呈現(xiàn)行增大，其風(fēng)荷載計算方式與山丘處桿塔風(fēng)荷載計算方式一致，要結(jié)合山腳、山頂風(fēng)壓進行綜合計算。

圖2 埡口輸電線路桿塔風(fēng)荷載

2.3 桿塔結(jié)構(gòu)風(fēng)壓計算

輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓高度變化系數(shù)和風(fēng)向變化系數(shù)與輸電線路桿塔建設(shè)區(qū)域地貌和桿塔高度有關(guān)。對于輸電線路桿塔建設(shè)區(qū)域比較平坦或稍有起伏的，風(fēng)壓高度變化系數(shù)一般按照地面粗糙度類別進行選擇。按照相關(guān)表格查取對應(yīng)粗糙度類別的風(fēng)壓變化系數(shù)，從而進行輸電線路桿塔的導(dǎo)線風(fēng)壓計算。按照2006年版本的《建筑物結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的規(guī)定，μZA=1.379(z/10)0.24，μZB=1.000(z/10)0.32，μZC=0.616(z/10)0.44，μZD=0.318(z/10)0.60，其中Z為對地高度。

輸電線路桿塔風(fēng)向變化系數(shù)與風(fēng)向與輸電線路角度有關(guān)。風(fēng)向和輸電線路正交時，要將作用于線路的風(fēng)壓與線路體型系數(shù)進行相乘，設(shè)定風(fēng)與輸電線路之間的角度為θ，根據(jù)測試發(fā)現(xiàn)只能生成正交方向的風(fēng)壓力，此時風(fēng)壓變化系數(shù)為風(fēng)向與輸電線路正交時的sin2θ，θ取值按0°、45°、60°、90°進行計算[1]。

2.4 荷載系數(shù)

輸電線路桿塔的荷載系數(shù)按照相關(guān)規(guī)定通過調(diào)整風(fēng)速重現(xiàn)期獲得，常用于調(diào)整輸電線路安全等級，一般將桿塔結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)與設(shè)計風(fēng)荷載的分項系數(shù)進行相乘，結(jié)果作為荷載系數(shù)。我國不同電壓線路的最小基本風(fēng)速不同：500kV線路10m高處基本風(fēng)速26.85m/s，110～300kV路10m高處基本風(fēng)速23.4m/s。根據(jù)最小基本風(fēng)速要求，對于基本風(fēng)速不超過25m/s的區(qū)域，其設(shè)計風(fēng)速安全等級較高。

2.5 體型系數(shù)

輸電線路桿塔的體型系數(shù)主要包括輸電線路塔架風(fēng)荷載體型系數(shù)與導(dǎo)線、地線體型系數(shù)。其中輸電線路塔架風(fēng)荷載體型系數(shù)主要與桿塔的型號有關(guān)，桿塔的高寬比，桿塔建設(shè)區(qū)域環(huán)境以及桿塔本身的填充情況都影響著桿塔結(jié)構(gòu)荷載體型系數(shù)的大小，通過對國際國內(nèi)風(fēng)荷載相關(guān)規(guī)范進行觀察發(fā)現(xiàn)，桿塔填充率與其風(fēng)荷載體型系數(shù)成負(fù)相關(guān)關(guān)系。而輸電線路桿塔的導(dǎo)線、地線體型系數(shù)與線徑大小有關(guān)：線徑＜17mm、體型系數(shù)1.2，反之為1.1。當(dāng)存在覆冰情況時，則不論線徑范圍體型系數(shù)為1.2。

對我國輸電導(dǎo)線線徑進行觀察發(fā)現(xiàn)其線徑一般在17mm以上，且根據(jù)IEC相關(guān)規(guī)定要求，對于沒有直接測量值和風(fēng)動實驗結(jié)果的導(dǎo)線風(fēng)荷載體型系數(shù)按1.1進行計算，因此我國輸電線路桿塔的導(dǎo)線、地線風(fēng)荷載體型系數(shù)值為1.1。在ASCE74和JEC127相關(guān)規(guī)定記載中，體型系數(shù)還與雷諾靈敏變化情況有關(guān)。

2.6 風(fēng)荷載的比較分析

在對基于風(fēng)荷載的輸電線路桿塔進行設(shè)計時，一般通過比較進行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)判斷：一是比較風(fēng)載荷。因輸電線路桿塔受到風(fēng)的作用是無規(guī)律的，其在對不同風(fēng)的時距和概率進行轉(zhuǎn)換時，選取的風(fēng)力樣本是不同的；二是對風(fēng)壓彎矩比的判斷。風(fēng)壓彎矩比與輸電線路的填充率有關(guān)，在進行風(fēng)荷載計算分析時，假設(shè)輸電線路風(fēng)壓對地面彎矩比占總彎矩的60%，此時桿塔風(fēng)壓力對表面彎矩比占總彎矩的40%，輸電線路桿塔填充率為0.2；三是對不同情況下風(fēng)荷載計算分析結(jié)果進行比較。在進行風(fēng)荷載比較分析時要注意對大風(fēng)時距進行換算，要將輸電線路的桿塔容許應(yīng)力和桿塔的荷載系數(shù)納入到比較分析考慮因素中去[2]。

3 基于風(fēng)荷載的輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

基于風(fēng)荷載的輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化要以國家輸變電網(wǎng)工程關(guān)于輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)技術(shù)規(guī)定作為基礎(chǔ)，以提高桿塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、提高桿塔結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載能力作為優(yōu)化目的進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.1 桿塔塔頭優(yōu)化

一是要根據(jù)輸電線路桿塔建設(shè)區(qū)域風(fēng)力特點和區(qū)域經(jīng)濟條件進行桿塔型號選擇。輸電線路桿塔單回路式塔頭一般包括上字型、鳥骨型、貓頭型、干字型、酒杯型、門型等等其中酒杯型、門型區(qū)別于其他塔頭型式，其導(dǎo)線呈水平排列，優(yōu)勢在于桿塔高度低，導(dǎo)線舞動時碰線概率降低、防雷性好。其余塔頭導(dǎo)線呈三角形排列，優(yōu)勢在于電氣對稱性好、結(jié)構(gòu)簡單、重點較輕，可節(jié)約建筑成本[3]。風(fēng)荷載作為可變荷載對桿塔起作用，可將其分解為垂直荷載、橫向水平荷載和縱向水平荷載。在進行塔頭優(yōu)化設(shè)計時，要根據(jù)區(qū)位特點和建設(shè)需求進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證輸電線路桿塔塔頭設(shè)計可提升桿塔抗風(fēng)效果。

二是要考慮桿塔塔頭坡度與桿塔其他結(jié)構(gòu)部件的匹配程度。在進行桿塔塔頭優(yōu)化設(shè)計時，要保證塔頭、塔身、橫擔(dān)的協(xié)調(diào)性，保證輸電線路桿塔塔頭結(jié)構(gòu)剛度符合桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，增強輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)對風(fēng)力變動引發(fā)的結(jié)構(gòu)位移和剛度變動的應(yīng)對能力。

3.2 桿塔塔身優(yōu)化

一是桿塔塔身坡度的優(yōu)化。塔身坡度設(shè)計影響輸電線路桿塔基礎(chǔ)作用力和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在進行輸電線路桿塔塔身優(yōu)化設(shè)計時要計算桿塔最輕重量的最佳根開，可通過減少桿塔重量降低桿塔耗材實現(xiàn)輸電線路桿塔成本控制[4]。如：110kV的輸電線路選擇直線塔作為桿塔結(jié)構(gòu)，在設(shè)計時要注意塔身上口的大小和探身坡度，要減少輸電線路桿塔的建材消耗和塔身重量，減少輸電線路桿塔基礎(chǔ)范圍。

二是優(yōu)化塔身構(gòu)造橫隔面設(shè)置。通過合理設(shè)計輸電線路桿塔塔身橫隔面，抑制風(fēng)力對桿塔結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)，控制局部振動幅度和振動出現(xiàn)時間，實現(xiàn)基于風(fēng)荷載的輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；三是降低輸電線路桿塔塔高，優(yōu)化桿塔導(dǎo)線布置，實現(xiàn)桿塔結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)變動，實現(xiàn)輸電線路桿塔抗風(fēng)能力增強。以雙回直線塔與雙回緊湊型塔對比為例，通過對雙回直線塔導(dǎo)線布置進行緊湊調(diào)整，其調(diào)整后結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為雙回緊湊型塔，通過導(dǎo)線調(diào)整實現(xiàn)塔高減小，由原來的71.3m下降至50m，實現(xiàn)風(fēng)壓降低，桿塔結(jié)構(gòu)可靠性和穩(wěn)定性增強。

4 結(jié)語

隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展完善，對輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求越來越高，相關(guān)建設(shè)單位要關(guān)注風(fēng)荷載對于輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，探究風(fēng)荷載對桿塔結(jié)構(gòu)的影響方面和影響路徑，加強對桿塔結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的分析研究，實現(xiàn)輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，促進我國電力事業(yè)正常運行發(fā)展，為構(gòu)建安全穩(wěn)定的電力系統(tǒng)打下堅實基礎(chǔ)。