輸電鐵塔強風荷載模型及設計規范比較研究

張維倫 晏孝強 黃日星

（東南大學土木工程學院，江蘇 南京210096）

社會經濟的快速發展使得全國用電量顯著增加[1]。隨著國家電網規模的擴大[2]，持續穩定用電成為保證經濟秩序運行的一個重要保障。作為氣象高敏感性行業，電力行業的正常運轉很大程度上受到環境氣象條件的影響。

雷暴天氣是影響輸電線路安全的重要因素之一[3]，而雷暴天氣通常伴隨著大風。強風暴對電網運行構成較大的威脅，會導致輸電線路停運、斷線、倒塔等嚴重安全事故[4]。因此，避免或減輕覆冰、雷電、大風等惡劣氣象環境的風險應在輸電鐵塔設計工作中得到充分重視[5]。

龍卷風是極端天氣的一種，而我國建筑規范與標準中尚未包含龍卷風設計的要求[6]。本文以某110kV 線路直線型鐵塔為研究對象，用ANSYS 軟件建立輸電塔有限元數值模型，計算并比較了風向角為60°時EF1、EF2 級龍卷風和大小為設計風速的常規風作用下輸電塔的響應情況，提出了按規范進行輸電塔設計的改進方案。

1 強風風場結構

強對流強風根據氣象要素可分為颮線、龍卷風。

龍卷風根據其風力及其破壞程度劃分為EF0 到EF5 共六個等級，而EF1 和EF2 級龍卷風的發生頻率較高，故本文主要研究這兩個等級龍卷風作用下的響應與設計風的對比情況。

龍卷風的風場結構與常規風完全不同[7]。國際學界對龍卷風進行了大量研究[8-9]，開發了各種龍卷風實驗和數值模型。

r' 為模擬點距龍卷風中心的距離，rmax為龍卷風最大切向風速半徑r0所對應的坐標為模擬點位置相對于最大風速點無窮遠時，龍卷風的邊界層厚度。

根據氣流所處的位置（坐標值z）不同，將龍卷風的風場結構分為邊界層以上部分和邊界層以下部分。邊界層以上（）風速分量表示為：

邊界層以下，風速分量表示為：

圖3 和圖4 分別為EF1、EF2 級龍卷風半徑為35m 處，切向風速和徑向風速沿高度的分布，由圖3 和圖4 可知，徑向風速只在靠近地面時較大，在離地較高位置很小，且在各高度位置，徑向風速相對于切向風速都很小。因此，本文在分析龍卷風作用對輸電塔結構的影響時主要考慮切向風速的作用。

圖1 EF1 級龍卷風不同高度切向風速在半徑上的分布

圖2 EF2 級龍卷風不同高度切向風速在半徑上的分布

圖3 EF1 級龍卷風風速沿高度分布圖（r=35m/50m）

圖4 EF2 級龍卷風風速沿高度分布圖（r=35m/50m）

2 輸電鐵塔有限元模型

以某110kV 線路直線型鐵塔為研究對象，用ANSYS 軟件建立其有限元數值模型，鐵塔塔高為38.7m，呼高為28m，如圖5（a）所示；根據輸電塔橫隔位置將結構分為14 段，如圖5（b）所示。輸電塔有限元模型包括212 個關鍵點，2075 個節點，1242 個單元。其塔身輔材、斜材、主材、橫隔層等均為等邊角鋼，鋼材等級為Q235，且角鋼截面尺寸隨著高度增加逐漸減小。采用Beam188 三維梁單元進行桿件的模擬。

圖5 輸電鐵塔有限元模型及其分段示意圖

3 輸電鐵塔在龍卷風和設計風作用下的響應比較研究

根據DL/T 5154-2012《架空輸電線路鐵塔結構設計技術規定》[10]，分別進行輸電鐵塔在EF1、EF2 級龍卷風和26.5m/s 常規風作用下的荷載計算，并取60°風向角下的響應進行比較。其中，由于所提取的龍卷風風場已考慮高度變化對風速和基本風壓的影響，故在龍卷風工況下將風壓高度變化系數取為1；在常規風作用下的風荷載計算需考慮風壓高度變化系數的影響。

3.1 EF1、EF2 級龍卷風和常規風下輸電塔基本風壓對比

將EF1、EF2 級龍卷風和26.5m/s 常規風作用下輸電鐵塔各塔段的基本風壓進行對比。如圖6 所示。由于龍卷風風速場已考慮高度的變化，故將風壓高度變化系數引入常規風的基本風壓中，即將常規風的μz·w0作為其基本風壓與龍卷風進行比較。

圖6 常規風和龍卷風基本風壓對比圖

可以看出，EF2 級龍卷風的基本風壓較大，而EF1 級龍卷風的基本風壓低于常規風。在10m 高度處，EF2 級龍卷風和常規風的基本風壓相同。

3.2 輸電鐵塔塔頂位移對比分析

繪制輸電鐵塔在EF1、EF2 級龍卷風和26.5m/s 常規風作用下的塔頂位移圖，匯總如表1 所示。

表1 龍卷風和常規風下輸電鐵塔塔頂位移對比

根據GB 50545-2010《110kV～750kV 架空輸電線路設計規范》[11]規定，該110kV 鐵塔屬于懸垂直線自立式桿塔，其高度為38.7m，撓度限值為116.1mm。該鐵塔在EF1 級龍卷風和常規風作用下的塔頂位移值滿足要求，且在EF1 級龍卷風作用下的塔頂位移相對較小；而在EF2 級龍卷風作用下的塔頂位移超出規范要求。

3.3 輸電塔強度應力對比分析

利用ANSYS 軟件分別繪制三種風場作用下的主材強度應力圖，如圖7 至圖9 所示。

圖7 60°EF1 級龍卷風作用下強度應力云圖

圖8 60°EF2 級龍卷風作用下輸電塔強度應力云圖

圖9 26.5m/s 常規風60°風向角下強度應力云圖

由三種風場下的強度應力云圖可以看出，輸電塔左側塔腿大部分主材受拉力，而右側塔腿大部分主材受壓力，且壓應力峰值高于拉應力峰值。可以直觀地看出，輸電塔中下段塔腿的強度應力相對較大，強度破壞易在中下塔段產生。

提取強度應力數據并作對比如圖10 所示。

圖10 常規風和龍卷風60°風向角下強度應力對比圖

輸電鐵塔在三種風場下各塔段主材最大強度應力隨高度的變化規律基本相同。其中，在EF1 級龍卷風作用下的強度應力值略低于在設計風速線條風（26.5m/s 常規風）作用下的結果；用設計風速進行輸電塔設計可以滿足EF1 級龍卷風的要求；而在EF2 級龍卷風作用下的最大強度應力值約比常規風作用下的結果高167%，且略高于許用應力值215MPa。考慮到EF2 級龍卷風的發生概率約為10.7%，若需提高輸電塔的安全性水平，應適當提高設計風速值。

3.4 輸電鐵塔穩定性對比分析

根據現行設計規范GB 50545-2010《110kV～750kV 架空輸電線路設計規范》[11]、GB50017-2017《鋼結構設計規范》[12]進行結構穩定性分析。

針對不同角度風下主材的承載力情況，取壓力最大的主材計算穩定應力，根據14 個塔段分別驗算14 根主材在龍卷風作用下的穩定性。以結果最大值為代表數據，計算受壓塔腿主材的穩定應力。進行三種風場下輸電鐵塔穩定應力隨高度變化規律對比分析，如圖11 所示。

圖11 常規風和龍卷風60°風向角下穩定應力對比圖

輸電鐵塔在三種工況下穩定應力的變化規律較為相似，在EF1 級龍卷風作用下的穩定應力略小于常規風作用下的結果，且均在許用應力范圍內，故用設計風速進行輸電塔設計可以滿足EF1 級龍卷風的要求；而在EF2 級龍卷風作用下，輸電鐵塔中下段的失穩破壞較為嚴重，雖然三種工況下都在第二塔段達到穩定應力最大值，但在EF2 級龍卷風作用下的最大穩定應力遠超出許用應力215MPa。考慮到EF2 級龍卷風的發生概率較大，應適當提高設計風速值或調整鋼材型號進行輸電塔穩定性校核。

4 結論

4.1 輸電鐵塔在龍卷風和與設計風速大小相同的常規風作用下強度和穩定性隨高度的變化規律相似，用常規風來模擬龍卷風作用進行輸電塔設計有一定合理性。

4.2 在EF1 級龍卷風和26.5m/s 常規風作用下，輸電鐵塔的剛度、強度、穩定性均能滿足規范要求，且在26.5m/s 常規風作用下的響應略高于EF1 級龍卷風作用下的響應，說明規范規定的設計風速能夠滿足EF1 級龍卷風作用的要求。

4.3 在EF2 級龍卷風作用下輸電塔的破壞較為嚴重，不能滿足剛度和穩定性的要求，且中下塔段主材的穩定應力遠遠超出許用值215MPa。為使輸電塔在高等級龍卷風作用下不致發生較大損壞，應適當提高設計風速值或調整鋼材型號，加大所用鋼材的屈服強度。