220kV雙回路直線塔舊塔改造設計研究

劉許凡 杜海強 徐明鳴 黃勇祥

(中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司 湖南長沙 410007)

0 引言

某220kV雙回路輸電鐵塔直線塔ZGU1，地線由原來的一根LBGJ-65-25AC換為一根OPGW-2S1/24-1，地線截面積加大，該塔原先是按舊規范《架空送電線路設計技術規程》(SDJ 3-79)和《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》(SDGJ 94-90)設計，本次改造要求兼顧現行設計規范《110～750kV架空輸電線路設計規范》(GB 50545-2010)和《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》(DL/T 5154-2012)的規定，對原塔進行必要的更新改造。因此，需要對該直線塔ZGU1按新舊規范設計分別進行校核，在充分利用舊塔構件的前提下，明確需要加強哪些構件。

1 新舊規范荷載工況對比分析

直線塔ZGU1的設計使用條件：風速V=35m/s(15m高度)，覆冰C=0mm；導線為2×LGJ-500/35，安全系數K=2.5；地線為一根OPGW-2S1/24-1，安全系數K=3.2；水平檔距Lh=333m，垂直檔距Lv=380m，代表檔距Ld=371m；地面粗糙度類別：B類(山地)。

根據氣象條件，該直線塔ZGU1控制工況有3大類：大風工況、斷線工況和安裝工況。本研究根據工程實際情況對比分析新舊規范荷載工況異同。

1.1 大風工況

桿塔作用荷載一般分解為：橫向荷載、縱向荷載和垂直荷載。該工程新舊規范直線懸垂塔荷載取值差異，主要在橫向荷載和縱向荷載兩方面。大風工況直線懸垂塔的線條張力自平衡，因此，該工程不用考慮其差異，本文主要針對水平風荷載異同進行討論。

風荷載大小主要由設計風速確定，風速取值的新舊規范定義如表1所示[1-2]。該工程直線塔按新規范設計校核，風速為33m/s，按舊規范設計校核，風速為35m/s。按公式(1)換算[3]，新舊規范風速取值大小基本相同。

V10=V15(10/15)α=35×(10/15)0.16=32.8m/s

(1)

式中，V10為10m高風速，V15為15m高風速，α為與粗糙度類別有關的參數。

導、地線和塔身風荷載還要考慮風壓高度系數，如表2所示[4-5]。新規范風壓高度系數μz基本高度為10m，舊規范風壓高度系數Kz基本高度為15m，與新舊規范采用的風速高度相對應，物理含義和計算公式相同。

表2 新舊規范風壓離地面高度變化系數(B類粗糙度) m

新舊規范導地線、桿塔和絕緣子風荷載的標準值計算公式有較大差異，如表3所示[4-5]。該工程沒有覆冰，覆冰風荷載增大系數(B1，B2)不用考慮。

風壓不均勻系數(風速不均勻檔距折減系數)α取值差異如表4所示[4-5]。該工程按新舊規范取值α均為0.70。

導、地線的體型系數μsc(C)和桿塔構件的體型系數μs(C)的新舊規范取值如表5所示[4-5]。新舊規范導、地線的體型系數取值一樣，而桿塔構件的體型系數取值新規范較舊規范小7.1%。

表3 新舊規范風荷載標準值取值公式

表4 新舊規范α取值差異

表5 新舊規范體型系數取值差異

桿塔風荷載調整系數βz(KT)新舊規范取值如表6所示[4-5]。桿塔風荷載調整系數DL/T 5154-2012取值和SDGJ 94-90取值存在較大差異。該工程220kV直線塔ZGU1全高52m，新規范βz取值為1.52，舊規范KT取值為1.5，新規范較舊規范大1.3%。

500kV和750kV線路導、地線風荷載調整系數βc，僅用于計算作用于桿塔上的導線及地線風荷載(不含導線及地線張力弧垂計算和風偏角計算)，βc應按照表7確定；其它電壓等級的線路βc取1.0[5]；舊規范沒有提出這個系數，因此，220kV直線塔 取值新舊規范不產生差異。

綜上所述，該工程大風工況新舊規范要求的水平風荷載很相近，其中，桿塔風荷載調整系數βz(KT)和桿塔構件的體型系數μs(C)的取值存在差異。

1.2 斷線工況

新舊規范220kV直線塔斷線工況的規定如表9所示[4-5]。該工程鐵塔覆冰為零，導線為雙分裂，地形為山地，新舊規范要求的氣象條件基本一致，無風、無冰。當導、地線斷線出現不平衡張力情況時，導、地線斷線工況組合新舊規范不一致，新規范要求比舊規范高，具體差異如表9所示。因此，該工程斷線工況新規范較舊規范要求高。

桿塔應計算最不利風向作用，新舊規范懸垂型桿塔最不利風向的選取基本一致，如表8所示[4-5]。

1.3 安裝工況

新舊規范220kV直線塔安裝工況規定如表10所示，安裝附加荷載新舊規范取值一致[4-5]。該工程鐵塔新舊規范要求的氣象條件取基本一致，10m/s、無冰、相應氣溫。安裝工況垂直荷載取值新規范取100%設計垂直檔距的線條重力，舊規范取50%設計垂直檔距的線條重力，其他要求基本一致。

2 新舊規范荷載作用效應的組合

GB 50545-2010規定，桿塔結構設計應采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法，結構構件可靠度采用可靠指標度量，極限狀態設計表達式采用荷載標準值、材料性能標準值、幾何參數標準值以及各種分項系數等表達。

結構極限狀態即指結構或構件在規定的各種荷載組合作用下或各種變形或裂縫的限值條件下，滿足線路安全運行的臨界狀態。極限狀態分為承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。對于承載能力極限狀態，結構件構件采用荷載效應的基本組合和偶然組合進行設計；對于正常使用極限狀態，結構件構件采用荷載效應的標準組合和長期效應組合進行設計。

SDJ 3-79規定：計算各類桿塔所用的荷載，根據不同情況還應乘以相應的荷載系數。荷載作用效應組合，SDJ 3-79與GB 50545-2010要求完全迥異，不使用荷載分項系數和材料分項系數。其中，SDJ 3-79規定的荷載系數與GB 50545-2010規定的可變荷載組合系數相似，如表11所示[1-2]。

表11 新荷載系數與可變荷載組合系數對比

3 新舊規范構件計算對比分析

決定鐵塔構件規格大小的因素，除了外部荷載大小和荷載作用效應組合之外，還有構件本身的計算強度和剛度。而構件強度和剛度計算涉及到材料強度、軸心拉、壓強度計算，軸心受壓穩定計算和最大長細比等。

DL/T 5154-2012中材料強度，是根據極限狀態設計的原則給出的強度設計值 ，SDGJ 94-90材料強度是根據經驗的容許應力法給出的強度允許值 。

新舊規范軸心受力構件強度、穩定系數計算公式如表12所示[4-5]。其中，強度公式中除了材料強度取值不同之外，構件強度折減系數(構件工作條件系數)的取值也有差異，如表13～表14所示[4-5]。由表13～表14可見，穩定公式差異，除了壓桿穩定強度折減系數與構件工作條件系數的差異外，與軸心受壓構件穩定系數有關的構件計算長度取值也存在差異。

表12 新舊規范軸心受力構件強度、穩定計算公式

表13 DL/T 5154-2012中構件強度折減系數取值

表14 SDGJ 94-90中構件工作條件系數m取值

新舊規范最大長細比取值如表15所示[4-5]。由表15可見，受壓主材、輔助材和受拉材的最大長細比新舊規范相同，受壓斜材的最大長細比不同。

表15 新舊規范鋼結構構件最大長細比

4 道亨模型設計驗算對比分析

根據原始圖紙，本文用道亨軟件建立空間計算模型，選擇驗算模式，分別按新舊規范進行設計驗算，輸出直線塔ZGU1的司令圖(部分桿件規格)，新規范桿件驗算應力比圖和舊規范桿件驗算應力比圖，如圖1所示。

通過計算結果可知，新舊規范橫擔構件和橫擔下部塔身斜材的應力比皆能滿足要求；第⑥段塔身主材和橫擔上部第②段和第③段塔身斜材應力比超出了100%，按新規范的要求需要加強。

(a) ZGU1司令簡圖 (b) 新規范桿件應力比 (c) 舊規范桿件應力比

應力比超限的桿件新舊規范計算結果，從上到下依次如表16所示。表16中前面5個桿件為橫擔上部塔身斜材，其最大桿件內力由斷線工況控制，新舊規范最大桿件內力相差很大，部分超過100%，綜合桿件計算的差異，桿件應力比相差超過75%；最后一個構件為塔身主材，其最大桿件內力由大風工況控制，新舊規范最大內力相差約20%，綜合桿件計算的差異，桿件應力比相差很小，約為4%。

表16 應力比超限的桿件新舊規范計算結果

5 結論

本文從荷載工況、荷載效應組合和桿件計算3方面，對新舊規范220kV雙回路鐵塔設計相關內容進行對比分析，并用道亨軟件分別建模驗算，結論如下：

(1)大風工況荷載取值方法新舊規范基本一致，塔風荷載調整系數取值不同，塔越高，新規取值比舊規范大得越多；桿塔構件體型系數取值新規范較舊規范小7.1%；

(2)斷線工況不平衡張力取值和斷線工況組合不同，新規范斷線工況荷載較舊規范斷線工況荷載取值偏大；

(3)安裝工況垂直荷載取值，新規范取100%設計垂直檔距的線條重力，舊規范取50%設計垂直檔距的線條重力，其他要求基本一致；

(4)荷載作用效應組合，新舊規范要求完全迥異；

(5)新舊規范構件計算存在較大差異，材料強度的取值不同，構件強度折減系數(構件工作條件系數)的取值存在差異，構件計算長度取值也存在差異，構件最大長細比允許值存在差異；

(6)道亨鐵塔設計軟件建模驗算結果顯示，舊塔改造需要加強的構件主要是由斷線工況控制橫擔上部塔身斜材。