基于±800 kV特高壓直流輸電線路的中美規(guī)范風(fēng)荷載對(duì)比研究

羅永磊，趙 崢，楊光耀

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063）

0 引言

中美規(guī)范在輸電線路桿塔的荷載設(shè)計(jì)差異性大，在美國(guó)規(guī)范被高度驗(yàn)證和認(rèn)可的背景下，研究?jī)烧邞?yīng)用的差異：一方面有助于中國(guó)規(guī)范在國(guó)際工程的理解、應(yīng)用和推廣，另一方面在±800 kV特高壓直流輸電線路的電壓等級(jí)、單體規(guī)模相比常規(guī)線路工程不同，形成了一系列差異化設(shè)計(jì)。

風(fēng)荷載通常是影響架空輸電線路結(jié)構(gòu)的主要因素，雖然美國(guó)規(guī)范和中國(guó)規(guī)范都是基于Davenport風(fēng)速譜，但美國(guó)規(guī)范[1]主要通過(guò)調(diào)整重現(xiàn)期(mean recurrence intervals，MRI)來(lái)提升結(jié)構(gòu)可靠性，而中國(guó)規(guī)范[2]主要通過(guò)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、分項(xiàng)系數(shù)調(diào)整風(fēng)荷載效應(yīng)以保證結(jié)構(gòu)可靠度。因此，從設(shè)計(jì)值進(jìn)行分析能更清楚反映兩者的水平差別。

1 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法研究

1.1 重要性系數(shù)

中國(guó)規(guī)范規(guī)定建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果(危及人的生命、造成經(jīng)濟(jì)損失、產(chǎn)生社會(huì)影響等)嚴(yán)重性，采用不同的安全等級(jí)。將輸電線路劃分為三種結(jié)構(gòu)安全等級(jí)，分別為特高壓工程、110～750 kV線路工程以及臨時(shí)線路工程，不同安全級(jí)別的安全度設(shè)置水平通過(guò)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)來(lái)反映，特高壓工程的安全等級(jí)劃分為一級(jí)，重要性系數(shù)通常取為1.1。

相對(duì)應(yīng)的，美國(guó)規(guī)范[3]根據(jù)使用條件、重要性及破壞后造成的損失程度，將建筑物分為四類風(fēng)險(xiǎn)類別：結(jié)構(gòu)失效對(duì)人的生命風(fēng)險(xiǎn)較低的為Ⅰ類，結(jié)構(gòu)失效可能會(huì)對(duì)平民日常生活造成重大經(jīng)濟(jì)影響或大規(guī)模破壞的為Ⅳ類，結(jié)構(gòu)失效可能對(duì)人的生命造成重大風(fēng)險(xiǎn)為Ⅲ類，其余均劃為Ⅱ類。但對(duì)于風(fēng)荷載，各類建筑的重要性系數(shù)均為1.0。

1.2 荷載分項(xiàng)系數(shù)

中國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)取為1.4，而美國(guó)規(guī)范自2016年修整后將風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)由1.6調(diào)整為1.0，主要通過(guò)業(yè)主要求來(lái)調(diào)整MRI，以此針對(duì)性地提升抗風(fēng)能力。

1.3 風(fēng)荷載重現(xiàn)期MRI

中國(guó)規(guī)范的風(fēng)荷載MRI與電壓等級(jí)有關(guān)，對(duì)于±800 kV特高壓直流輸電線路工程，考慮到特高壓線路的重要性，MRI按照100 a考慮，風(fēng)速值提高約6%，風(fēng)壓值提高約12%。

美國(guó)規(guī)范[3]根據(jù)建(構(gòu))筑物風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別建(構(gòu))筑物的風(fēng)速取值取不同的MRI，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為I、II、III、IV的建筑物MRI分別為300 a、700 a、1 700 a以及3 000 a，而適用于輸電線路的專用標(biāo)準(zhǔn)則要求可采用100 a。

2 風(fēng)荷載設(shè)計(jì)分析

2.1 基本風(fēng)速(風(fēng)壓)

對(duì)于基本風(fēng)壓的計(jì)算，由于統(tǒng)計(jì)資料和統(tǒng)計(jì)時(shí)間較長(zhǎng)，美國(guó)規(guī)范和中國(guó)規(guī)范均根據(jù)氣象臺(tái)、站搜集到的歷年最大風(fēng)速資料，按耿貝爾極值I型概率分布計(jì)算得到一定重現(xiàn)期、觀測(cè)平均時(shí)距和基準(zhǔn)高度下的最大風(fēng)速統(tǒng)計(jì)值，即為基本風(fēng)速。中國(guó)規(guī)范對(duì)于±800 kV直流特高壓線路的基本風(fēng)速取空曠平坦地面上10 m高度處10 min時(shí)距的平均最大風(fēng)速，MRI為100 a。而美國(guó)規(guī)范對(duì)線路的基本風(fēng)速取空曠平坦地面上10 m高度處3 s時(shí)距的陣風(fēng)風(fēng)速，MRI同樣為100 a，兩者主要差別在于時(shí)距。對(duì)于不同時(shí)距平均風(fēng)速的對(duì)比關(guān)系，美國(guó)規(guī)范[1]提供了近似的比值關(guān)系，美國(guó)規(guī)范與中國(guó)規(guī)范對(duì)于±800 kV直流特高壓線路的設(shè)計(jì)風(fēng)速比值大約為1.43。

2.2 地形地貌和高度影響因素

中美規(guī)范均對(duì)地形地貌進(jìn)行了分類，并在風(fēng)速(風(fēng)壓)高度變化系數(shù)中考慮地面粗糙度的影響。體現(xiàn)在計(jì)算公式中，都是采用指數(shù)公式來(lái)計(jì)算風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

式中：zh為距地面高度；zg為常數(shù)；K、α為與地面粗糙類別有關(guān)的系數(shù)，參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1所列。需要注意的是，中美規(guī)范對(duì)于架空輸電線路地面粗糙類別分類不一樣：中國(guó)規(guī)范按照B類地面粗糙類別設(shè)計(jì)，美國(guó)規(guī)范按照C類地面粗糙類別設(shè)計(jì)。

表1 風(fēng)壓高度變化系數(shù)的計(jì)算參數(shù)

將常數(shù)帶入后可知μz/Kz=0.810 7×zh0.09，中美規(guī)范風(fēng)壓高度變化系數(shù)隨高度的變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 風(fēng)壓高度變化系數(shù)對(duì)比圖

由圖1可知：1)中國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范的風(fēng)壓高度變化系數(shù)均隨距地面高度的增加而增大，高度越高，增加得越慢；2)根據(jù)公式計(jì)算，當(dāng)計(jì)算高度大于10.24 m時(shí)，中國(guó)規(guī)范風(fēng)壓高度變化系數(shù)與美國(guó)規(guī)范相同。隨著高度越高，比值越大，中國(guó)規(guī)范與美國(guó)規(guī)范比值接近1.07～1.15。

2.3 風(fēng)載體型系數(shù)

2.3.1 線條和絕緣子串

中國(guó)規(guī)范對(duì)于線條風(fēng)載體型系數(shù)μsc，線徑小于17 mm應(yīng)取1.1，線徑大于或等于17 mm取1.0?！?00 kV特高壓線路導(dǎo)線線徑通常均大于17 mm，即導(dǎo)線風(fēng)載體型系數(shù)μsc取為1.0，地線風(fēng)載體形系數(shù)μsc取為1.1。而美國(guó)規(guī)范線條的風(fēng)載體型系數(shù)cf取1.0。也就是，中國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范導(dǎo)線風(fēng)載體形系數(shù)一致均為1.0，中國(guó)規(guī)范地線風(fēng)載體形系數(shù)1.1大于美國(guó)規(guī)范地線風(fēng)載體形系數(shù)1.0。

2.3.2 桿塔

中國(guó)規(guī)范規(guī)定了具體的取值方法：對(duì)于角鋼塔為1.3，由角鋼組成四面方形自立式桿塔為1.3(1+η)。其中，η為塔架背風(fēng)面荷載降低系數(shù)，與填充系數(shù)有關(guān)。而美國(guó)規(guī)范直接給出了桿塔風(fēng)載體型系數(shù)(阻力系數(shù))與填充系數(shù)相關(guān)的計(jì)算公式Cf=4.0φ2-5.9φ+4.0，φ為填充系數(shù)。中美規(guī)范桿塔風(fēng)載體型系數(shù)，如圖1所示。

由圖2可知：1)中國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范的結(jié)構(gòu)式桿塔風(fēng)載體型系數(shù)，均隨著填充系數(shù)的增大而降低；2)當(dāng)填充系數(shù)大于0.2時(shí)，中國(guó)規(guī)范與美國(guó)規(guī)范比值接近0.7，且基本恒定。

圖2 中美規(guī)范桿塔風(fēng)載體型系數(shù)

2.4 動(dòng)力特性

輸電線路為柔性結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載的脈動(dòng)性對(duì)其影響巨大。中國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范分別采用風(fēng)振系數(shù)(線條風(fēng)可視為陣風(fēng)系數(shù)βC、檔距折減系數(shù)αL乘積)和陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)G來(lái)表征輸電線路結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)振。

2.4.1 導(dǎo)地線

中國(guó)規(guī)范中，線條的檔距折減系數(shù)αL和陣風(fēng)系數(shù)βC主要與水平檔距、平均高度相關(guān)。當(dāng)平均高度不變時(shí)，水平檔距越大，αL×βC越小。當(dāng)水平檔距不變時(shí)，平均高度越大，αL×βC越小。

美國(guó)規(guī)范中，線條的陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)Gw也與水平檔距、有效高度相關(guān)。當(dāng)平均高度不變時(shí)，水平檔距越大，Gw越小。但是，當(dāng)水平檔距不變時(shí)，平均高度越大，Gw反而越大，結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 中國(guó)規(guī)范αL×βC和美國(guó)規(guī)范Gw對(duì)比表

中國(guó)規(guī)范αL×βC均大于美國(guó)規(guī)范Gw，具體比值如圖3所示。

圖3 線條風(fēng)動(dòng)態(tài)特性系數(shù)比值(αL×βC/Gw)圖

由圖可知，中國(guó)規(guī)范與美國(guó)規(guī)范線條風(fēng)動(dòng)態(tài)特性系數(shù)比值αL×βC/Gw在1.53～1.67左右，且隨著檔距越大比值越大，導(dǎo)地線高度越大反而比值越小。

2.4.2 桿塔

中國(guó)規(guī)范的桿塔風(fēng)振系數(shù)βZ采用團(tuán)集質(zhì)量法，將桿塔分段簡(jiǎn)化為若干個(gè)質(zhì)量和面積等效的點(diǎn)，從而形成基于桿塔外形的“質(zhì)點(diǎn)串”，僅考慮結(jié)構(gòu)第一振型一階自振頻率。其計(jì)算值與高度、質(zhì)量、迎風(fēng)面積、自振頻率等密切相關(guān)，因此對(duì)于不同桿塔、同一桿塔的不同部分，風(fēng)振系數(shù)計(jì)算值均可能不同。

美國(guó)規(guī)范的桿塔陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)Gt，則與桿塔計(jì)算高度Zh有關(guān)，且通常按照全高三分之二的高度作為計(jì)算高度，獲得的陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)Gt可簡(jiǎn)化作為計(jì)算全塔的統(tǒng)一值，相對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)單。其陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)Gt均小于1，基本為0.8～0.84，且均隨桿塔高度的增加而緩慢減小。

中國(guó)規(guī)范的桿塔風(fēng)振系數(shù)βZ大于1.0，體現(xiàn)了動(dòng)力特性對(duì)風(fēng)荷載的增大效應(yīng)，而美國(guó)規(guī)范的桿塔陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)Gt小于1.0，體現(xiàn)了動(dòng)力特性對(duì)風(fēng)荷載的減小效應(yīng)。原因主要在于中國(guó)規(guī)范采用10 min平均風(fēng)速，而美國(guó)規(guī)范采用3 s的陣風(fēng)風(fēng)速。

3 結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計(jì)算分析

以典型30 m/s風(fēng)速、0 mm覆冰氣象條件的直線角鋼塔為例，單線圖如圖4所示。

圖4 直線塔桿塔單線圖

結(jié)合上文對(duì)中美規(guī)范的對(duì)比分析，具體設(shè)計(jì)參數(shù)取值見(jiàn)表3所列。為統(tǒng)一計(jì)算水平，將中國(guó)規(guī)范10 min平均最大風(fēng)速換算為美國(guó)規(guī)范0.3 s的陣風(fēng)風(fēng)速。

表3 設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 導(dǎo)線風(fēng)荷載與計(jì)算高度

計(jì)算高度對(duì)導(dǎo)線風(fēng)荷載的影響主要體現(xiàn)在陣風(fēng)系數(shù)βC、檔距折減系數(shù)αL(美國(guó)規(guī)范陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)GW)以及風(fēng)壓高度變化系數(shù)KZ或μZ，常用經(jīng)濟(jì)水平檔距為460 m時(shí)，導(dǎo)線風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同計(jì)算高度的線條風(fēng)荷載

如圖可知：1)計(jì)算高度越高，中國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范的線條風(fēng)荷載就越大，基本成線性關(guān)系；2)對(duì)于線條風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，各個(gè)高度的中國(guó)規(guī)范取值均小于美國(guó)規(guī)范，其比值約為0.92且基本恒定；3)對(duì)于線條風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值，受分項(xiàng)系數(shù)、重要性系數(shù)差異影響，趨勢(shì)有所變化。各個(gè)高度的中國(guó)規(guī)范取值均大于美國(guó)規(guī)范，其比值約為1.42且基本恒定。

3.2 線條風(fēng)荷載與水平檔距

水平檔距對(duì)線條風(fēng)荷載的影響主要體現(xiàn)在風(fēng)振響應(yīng)系數(shù)GW/風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βC，結(jié)合±800 kV架空輸電線路對(duì)地距離、實(shí)際桿塔排位應(yīng)用情況，直線塔平均計(jì)算高度接近45 m，線條風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同水平檔距的線條風(fēng)荷載

如圖可知：1)水平檔距越大，中國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范的線條風(fēng)荷載就越大，基本成線性關(guān)系；2)對(duì)于線條風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，各個(gè)水平檔距的中國(guó)規(guī)范取值均小于美國(guó)規(guī)范，其比值約為0.92且基本恒定；3)對(duì)于線條風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值，受分項(xiàng)系數(shù)、重要性系數(shù)差異影響，趨勢(shì)有所變化。各個(gè)水平檔距的中國(guó)規(guī)范取值均大于美國(guó)規(guī)范，其比值約為1.42且基本恒定。

3.3 塔身風(fēng)荷載

以Z30101A-66塔型為例，塔身風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果如圖7所示，其中橫擔(dān)風(fēng)荷載僅占塔身風(fēng)荷載的7%左右，在這里暫不計(jì)入。

圖7 Z30101A-66塔身風(fēng)荷載(各風(fēng)壓段)

由圖可知：1)對(duì)于塔身風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，中國(guó)規(guī)范取值均小于美國(guó)規(guī)范。位置越低，差距越大，在桿塔腿部位置，中國(guó)規(guī)范取值與美國(guó)規(guī)范的比值約為0.4。隨著高度越高，差距逐漸縮小，當(dāng)大于60 m時(shí)，中國(guó)規(guī)范取值與美國(guó)規(guī)范基本相等；2)對(duì)于塔身風(fēng)壓設(shè)計(jì)值，當(dāng)計(jì)算高度小于40 m時(shí)，中國(guó)規(guī)范取值小于美國(guó)規(guī)范，在桿塔腿部位置，中國(guó)規(guī)范取值與美國(guó)規(guī)范的比值約為0.6。隨著高度越高，差距越小，當(dāng)計(jì)算高度大于40 m時(shí)，中國(guó)規(guī)范的取值反而大于美國(guó)規(guī)范；3)隨著高度增加，中國(guó)規(guī)范與美國(guó)規(guī)范的塔身風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值比值由0.6基本線性增加至1.6，這是由于隨著計(jì)算高度越高，美國(guó)規(guī)范的塔身陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)基本不變，而中國(guó)規(guī)范的塔身風(fēng)振系數(shù)基本單調(diào)遞增；4)對(duì)于Z30101A-66塔身風(fēng)荷載總標(biāo)準(zhǔn)值(各風(fēng)壓段風(fēng)荷載之和)，中國(guó)規(guī)范與美國(guó)規(guī)范比值約為0.65，而對(duì)于考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)以及分項(xiàng)系數(shù)后的設(shè)計(jì)值，中國(guó)規(guī)范與美國(guó)規(guī)范比值約為0.99，基本相等。

3.4 典型桿塔整體分析

結(jié)合上述線條和塔身風(fēng)荷載分析成果，基于Z30101A-66(水平檔距為460 m)典型桿塔，通過(guò)中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)方法進(jìn)行內(nèi)力分析，從而判斷中美國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載對(duì)桿塔整體設(shè)計(jì)影響，輸入條件及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4所列。

表4 Z30101A-66典型桿塔輸入條件及計(jì)算結(jié)果 kN

中國(guó)規(guī)范線條風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值為美國(guó)規(guī)范的1.41倍，而塔身風(fēng)荷載基本相當(dāng)。但是美國(guó)規(guī)范高空處計(jì)算的風(fēng)荷載相對(duì)較小，而低空處計(jì)算的風(fēng)荷載相對(duì)較大，受此塔身風(fēng)荷載分布特點(diǎn)的影響，使得中國(guó)規(guī)范塔身的基礎(chǔ)作用力僅約為美國(guó)規(guī)范的1.39倍和1.28倍。

4 結(jié)論

1)美國(guó)規(guī)范主要通過(guò)調(diào)整MRI來(lái)提升結(jié)構(gòu)可靠性，而中國(guó)規(guī)范主要通過(guò)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、分項(xiàng)系數(shù)調(diào)整風(fēng)荷載效應(yīng)以保證結(jié)構(gòu)可靠度。美國(guó)規(guī)范要求常規(guī)桿塔風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.0，MRI為100 a；中國(guó)規(guī)范對(duì)于±800 kV特高壓線路設(shè)計(jì)，風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.4，MRI為100 a，重要性系數(shù)為1.1。

2)中國(guó)規(guī)范與美國(guó)規(guī)范的線條風(fēng)荷載的比值基本穩(wěn)定，不同高度與水平檔距的影響不大。塔身風(fēng)荷載由于中國(guó)規(guī)范采用團(tuán)集質(zhì)量法，通過(guò)結(jié)構(gòu)振型計(jì)算風(fēng)振系數(shù)，所以塔身風(fēng)荷載分布差異較大。

3)中國(guó)規(guī)范的線條風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值小于美國(guó)規(guī)范，比值基本恒定為0.92左右，但線條風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值卻大于美國(guó)規(guī)范，比值基本恒定為1.42左右。

4)基于Z30101A-66桿塔的分析計(jì)算，中國(guó)規(guī)范與美國(guó)規(guī)范的塔身各風(fēng)壓段風(fēng)荷載比值隨著高度增加而增大，設(shè)計(jì)值比值由0.6線性增加至1.6，這是由于隨著計(jì)算高度越高，美國(guó)規(guī)范的塔身陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)基本不變，而中國(guó)規(guī)范的塔身風(fēng)振系數(shù)基本單調(diào)遞增。即使各分壓段風(fēng)荷載分布規(guī)律不同，但中國(guó)規(guī)范與美國(guó)規(guī)范的塔身風(fēng)荷載總設(shè)計(jì)值(各風(fēng)壓段之和)之比約為0.99，基本相等。

5)通過(guò)對(duì)線條風(fēng)荷載以及塔身風(fēng)荷載的綜合分析，對(duì)于Z30101A-66典型桿塔的計(jì)算，中國(guó)規(guī)范的塔身基礎(chǔ)作用力為美國(guó)規(guī)范的1.39倍和1.28倍。也就是，按照美國(guó)規(guī)范[1]中的《輸電線路設(shè)施預(yù)標(biāo)準(zhǔn)最小設(shè)計(jì)荷載草案》來(lái)設(shè)計(jì)±800 kV架空特高壓輸電線路，其風(fēng)荷載水平低于中國(guó)規(guī)范約23%。