60 m以上非特高壓輸電塔風(fēng)振系數(shù)研究

馬 幼 華

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

0 引言

輸電系統(tǒng)作為電力輸送的載體，是電力能源系統(tǒng)中極為重要的工程結(jié)構(gòu)。其中最為普遍的配電與輸電方式是采用架空輸電線路，作為輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要對(duì)象，其安全穩(wěn)定性對(duì)于輸電系統(tǒng)的正常運(yùn)作起關(guān)鍵作用。設(shè)計(jì)時(shí)考慮的荷載包括風(fēng)荷載、覆冰荷載以及安裝荷載等，其中風(fēng)荷載起控制作用。

風(fēng)荷載的計(jì)算主要依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范及DL/T 5154—2012架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定。其中，在計(jì)算桿塔風(fēng)荷載時(shí)，規(guī)范規(guī)定對(duì)于全高超過(guò)60 m的輸電塔，應(yīng)當(dāng)依據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范計(jì)算相應(yīng)的桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，即風(fēng)振系數(shù)βz。然而該計(jì)算方法的提出主要針對(duì)質(zhì)量及外形連續(xù)均勻變化的高層、高聳結(jié)構(gòu)，輸電塔由于具有較大尺寸及質(zhì)量的橫擔(dān)，其外形及質(zhì)量在高度方向會(huì)有突變，因而這種計(jì)算風(fēng)振系數(shù)的方法并不適用。

目前，工程實(shí)際中，對(duì)于60 m以下的輸電塔，可通過(guò)規(guī)范查表并插值計(jì)算的方式采用一個(gè)全塔一致的風(fēng)振系數(shù)；對(duì)于60 m以上的特高壓輸電塔，設(shè)計(jì)時(shí)可依據(jù)行業(yè)內(nèi)統(tǒng)一的風(fēng)振系數(shù)取值及計(jì)算方法；而一般輸電塔全高超過(guò)60 m的情況相對(duì)較少，如果按照特高壓輸電塔進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，則結(jié)果可能過(guò)于保守，但如果按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算風(fēng)振系數(shù)，也還需進(jìn)行適當(dāng)經(jīng)驗(yàn)性的調(diào)整以保證工程安全。因此，行業(yè)內(nèi)關(guān)于60 m以上非特高壓輸電塔的風(fēng)振系數(shù)取值并不統(tǒng)一。本文針對(duì)這一情況，以全高78.6 m的220 kV/110 kV混壓四回路直線跨越塔(2/1IS-SSZK)為例，采用不同的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法及調(diào)整方式，計(jì)算不同情況下的構(gòu)件響應(yīng)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析。此外，本文還將《架空輸電線路荷載規(guī)范》中提出的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法與目前常用規(guī)范中的計(jì)算方法進(jìn)行比較，分析兩者的區(qū)別及對(duì)輸電塔的適用性。

1 關(guān)于風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法比較

在DL/T 5551—2018架空輸電線路荷載規(guī)范中，對(duì)于桿塔風(fēng)振系數(shù)βz的計(jì)算提出了新的公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

上述風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法，與GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范及DL/T 5154—2012架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定中的計(jì)算方法相比較，主要區(qū)別有：

1)新規(guī)范不再區(qū)分60 m高度以上和60 m高度以下輸電塔的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方式，而統(tǒng)一采用上述計(jì)算式(1)。對(duì)于全高不同的輸電塔，增加了桿塔風(fēng)荷載脈動(dòng)折減系數(shù)εt來(lái)進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)桿塔全高H≥40 m時(shí)，其值取1.0；當(dāng)桿塔全高H≤20 m時(shí)，其值取0.6；當(dāng)桿塔全高20 m

2)新規(guī)范提出了背景因子Bz的新計(jì)算公式(2)，區(qū)別于以往僅適用于質(zhì)量和外觀連續(xù)均勻變化的高層、高聳結(jié)構(gòu)，該計(jì)算公式采用分段計(jì)算，劃分出因帶有橫擔(dān)而發(fā)生質(zhì)量及外形突變的分段，通過(guò)分段對(duì)應(yīng)的質(zhì)量m、迎風(fēng)面構(gòu)件投影面積A以及構(gòu)件體型系數(shù)μs等參數(shù)，考慮了該分段的實(shí)際質(zhì)量及構(gòu)件外觀，使得最終的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算結(jié)果更符合輸電塔質(zhì)量及外觀沿高度方向的分布情況。

綜上所述，新規(guī)范提出的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法，與原有的全塔統(tǒng)一取值或參照高聳結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法相比，其計(jì)算結(jié)果在理論上應(yīng)當(dāng)更符合輸電塔的實(shí)際外觀。然而其計(jì)算公式較原有公式更為復(fù)雜，若不借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，其計(jì)算過(guò)程相當(dāng)困難且耗時(shí)。另一方面，由于新規(guī)范推出時(shí)間較短，行業(yè)內(nèi)對(duì)于風(fēng)振系數(shù)的取值更依賴(lài)于原有規(guī)范，該方法在工程實(shí)際中的適用性仍需經(jīng)過(guò)更多工程的檢驗(yàn)方可做出更為有效的判斷。

2 工程實(shí)際關(guān)于風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法

目前，工程實(shí)際中關(guān)于60 m以下一般輸電塔的風(fēng)振系數(shù)取值，仍按照全塔采用一個(gè)風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算方法。而對(duì)于60 m以上的一般輸電塔，風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算方法則并不統(tǒng)一，主要的幾種方式如下：

1)方法一：按照特高壓的風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行分段插值，其對(duì)應(yīng)參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)振系數(shù)插值計(jì)算表

2)方法二：按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算風(fēng)振系數(shù)，其公式如下：

(7)

(8)

(9)

(10)

其中，φ1(z)為結(jié)構(gòu)第1階振型系數(shù)；H為結(jié)構(gòu)總高度；B為結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度；ρx為脈動(dòng)風(fēng)荷載水平方向相關(guān)系數(shù)；ρz為脈動(dòng)風(fēng)荷載豎直方向相關(guān)系數(shù)；k,a1均為對(duì)應(yīng)粗糙度類(lèi)別的系數(shù)；θB,θv均為修正系數(shù)。若計(jì)算所得的風(fēng)振系數(shù)加權(quán)平均值小于1.6，則對(duì)于βz<1.6的段，直接取1.6。

3)方法三：按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算風(fēng)振系數(shù)，若計(jì)算所得的風(fēng)振系數(shù)加權(quán)平均值小于1.6，則對(duì)全塔的風(fēng)振系數(shù)乘以一個(gè)調(diào)整系數(shù)，使加權(quán)平均值大于1.6。

3 風(fēng)振系數(shù)計(jì)算結(jié)果比較

本文以全高78.6 m的220 kV/110 kV混壓四回路直線跨越塔(2/1IS-SSZK)為例，按上述三種方法計(jì)算相應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)，對(duì)鐵塔的分段如圖1所示。

圖1中，1,2,3,4分段為標(biāo)示高度處的橫擔(dān)分段。其中，由于塔頭多個(gè)分段的風(fēng)振系數(shù)幾乎相同，故將多個(gè)塔頭分段歸為一個(gè)分段1，風(fēng)振系數(shù)取平均值。

用不同方法計(jì)算對(duì)應(yīng)分段風(fēng)振系數(shù)，所得結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，三種方法的風(fēng)振系數(shù)沿高度變化規(guī)律各不相同。按方法一分段插值計(jì)算，塔身風(fēng)振系數(shù)相對(duì)較小，隨高度均勻變化，而在橫擔(dān)處風(fēng)振系數(shù)突變，且增幅較大，為所有方法中橫擔(dān)風(fēng)振系數(shù)的最大值，經(jīng)計(jì)算全塔風(fēng)振系數(shù)沿高度的加權(quán)平均值為1.866；按方法二計(jì)算的風(fēng)振系數(shù)則較穩(wěn)定，大部分塔段在不滿1.6的情況下補(bǔ)足至1.6，全塔加權(quán)平均值為1.605；按方法三計(jì)算的塔身風(fēng)荷載相對(duì)較大，在11段以下隨高度線性均勻變化，而11段以上基本不變，橫擔(dān)處風(fēng)振系數(shù)相對(duì)較小，全塔加權(quán)平均值為1.675。

4 輸電塔桿件應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果比較

采用上述計(jì)算的風(fēng)振系數(shù)結(jié)果，保持氣象條件、桿件規(guī)格等其余條件不變，采用道亨鐵塔計(jì)算軟件，計(jì)算不同方法下的構(gòu)件應(yīng)力比，此處以各塔段塔身主材為對(duì)象進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，三種方法的應(yīng)力比變化趨勢(shì)相同，符合輸電塔主材構(gòu)件應(yīng)力比分布規(guī)律。比較可得，按照方法一計(jì)算的構(gòu)件應(yīng)力比最大，而按方法二計(jì)算的構(gòu)件應(yīng)力比最小，其中最大應(yīng)力比相對(duì)差值在6號(hào)塔段主材處，其值為(72-63)/72×100%=12.5%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)比較不同規(guī)范中關(guān)于風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算公式，并按照實(shí)際工程中關(guān)于風(fēng)振系數(shù)的不同計(jì)算方法，采用道亨鐵塔計(jì)算軟件進(jìn)行構(gòu)件驗(yàn)算，對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1)新荷載規(guī)范提出了風(fēng)荷載脈動(dòng)折減系數(shù)以及背景因子的新計(jì)算公式，使得風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算在理論上更符合鐵塔的外形及質(zhì)量分布情況，但是該規(guī)范的計(jì)算方法尚需經(jīng)過(guò)更多工程實(shí)際檢驗(yàn)。2)按照特高壓計(jì)算方法，其風(fēng)振系數(shù)在橫擔(dān)處會(huì)有相對(duì)較大的取值，可視為考慮橫擔(dān)的質(zhì)量及外形突變，按該方法計(jì)算的風(fēng)振系數(shù)加權(quán)平均值最大。3)按照三種實(shí)際工程中采用的計(jì)算方法，計(jì)算所得主材構(gòu)件應(yīng)力比整體相差不大，但在局部會(huì)有較大差值，故出于安全考慮，應(yīng)采用最為保守的分段插值計(jì)算方法。