我國輸電桿塔結構可靠度研究進展

陳孔陽　王勇　郭銳　譚文韜　周震?！♀o佳偉

：介紹了結構的可靠性與可靠度的基本概念以及可靠指標的計算方法，回顧了我國輸電線路桿塔主要規范的修訂歷程及相應的桿塔結構設計方法;進而從結構構件和結構體系兩個層次分析了我國輸電桿塔結構及其構件可靠度的研究進展。結果表明，我國輸電線路桿塔結構的可靠指標基本達不到設計可靠指標的要求;需從結構構件和結構體系兩個層次提高桿塔結構的可靠度設置水平;應建立桿塔結構可靠度分析所需變量的統計資料庫。

：輸電桿塔結構 結構體系 結構構件 可靠度 可靠指標

中圖分類號：?TM75 ???文獻標識碼：A???文章編號：1672-3791（2021）02（b）-0000-00

State of the Art in the Reliability of Transmission Tower Structure in China

： The paper briefly introduces the basic conceptions of reliability and degree of reliability as well as the computing method of the reliability index. Then the paper reviews the main standards and technical codes in regard to the transmission tower structure in China， and the design methods of the tower structure are also summarized. On this basis， the analysis on the research advances in the reliability of transmission tower structure are conducted in structural system. The researches show that the reliability index of the transmission tower structural system cannot meet the requirement of the designed reliability index. The reliability level of the transmission tower structure is supposed to be improved not only from the perspective of structural member but also from the perspective of the system. The research on the statistical parameters of the basic variables in the performance function applicable to the transmission tower structure is indispensable.

Transmission tower structure; Structural system; Structural member; Degree of reliability; Reliability index

我國輸電桿塔結構以前一直沿用前蘇聯的容許應力設計方法，1999年改為以概率統計理論為基礎的極限狀態設計方法，采用分項系數的設計表達式。近些年來，我國氣候條件復雜多變，冰、風、地震等自然災害頻發，給輸電線路桿塔結構帶來了巨大挑戰。在這種情況下，研究我國輸電線路桿塔的可靠度以及如何適當提高其可靠度水平， 具有重要的理論意義和工程實用價值。

可靠性是指結構在規定的時間內和規定的條件下，完成結構預定功能的能力?？煽慷仁侵附Y構在規定的時間內和規定的條件下，完成結構預定功能的概率，也可稱為可靠概率。由此可見，后者是前者的定量描述。而可靠指標是度量結構可靠度的數值指標，為失效概率負的標準正態分布函數的反函數。

若結構抗力表示為，作用效應表示為，則表示判斷結構是否能夠完成預定功能的功能函數如下：

式（1）中：（?）為結構的功能函數;（=1，2，…，）為基本變量，指結構上的各種作用影響、材料、環境、巖土指標及幾何參數等，基本變量在可靠度分析過程中作為隨機變量。

結構可靠度是結構在設計使用年限內處于正常運行狀態、完成預定功能的概率，即

當功能函數值服從正態分布時，結構的可靠指標可表示為：

式（3）中：為隨機變量的平均值;為隨機變量的標準差。

通過結構的可靠指標建立與結構的可靠度（即可靠概率）和失效概率的對應關系式如下：

在實際工程中，由于很難得各項基本變量在功能函數中的真實分布情況，想要通過精確的概率計算得到可靠指標常常存在很大的困難，因此許多國內外學者提出了近似計算可靠指標的方法。目前國內外主要的設計規范基本采用一種實用的近似概率法——一次二階矩法。一次二階矩法采用隨機變量的一階矩和二階矩（均值和方差）來描述隨機變量的分布特性，在數學計算上采取了一些近似簡化方法，即線性化方法。在可靠指標計算方法中，一次二階矩法最簡單、最常用的計算方法，多數其他方法是以一次二階矩法為基礎加以延伸。一次二階矩法又分成兩種主要計算方法：中心點法和驗算點法。

中心點法局限性較大，只有在基本變量服從正態分布，且功能函數為線性方程的情況下才可以適用。而在實際工程中，多數基本變量不滿足服從正態分布的條件，其功能函數也常常是非線性方程。因此，若采用中心點法計算實際工程結構，則計算結果誤差較大。

為使理論模式與客觀實際相符，國際《結構安全度聯合委員會（JCSS）》推薦了驗算點法（JC法），驗算點法是一種對中心點法的改進方法，這種方法不再要求基本變量滿足正態分布，而是考慮到基本變量的實際任意分布，通過數學變換將基本變量任意分布轉化為當量正態分布后，再進行可靠指標計算。采用這種方法，可以對可靠指標進行更加精確的近似計算，更適用于實際工程應用，且計算量和計算難度增加不大。

20世紀50年代我國水利部參考前蘇聯的相關規范，頒布了《高壓架空電力線路設計技術規程》。為了規范35～330 kV架空送電線路設計，1979年水利部頒布實施SDJ 3-79《架空送電線路設計技術規程》。1999年經貿委頒布DL/T 5092-1999P《110～500 kV架空送電線路設計技術規程》，將架空送電線路設計的適用范圍調整為110～500 kV。2010年建設部針對2008年冰災情況，修訂了GB 50545-2010《110～750 kV架空輸電線路設計規范》，增加了750 kV內容及覆冰工況。2019年國家發布了關于輸電線路荷載的新規范DL/T 5551-2018《架空輸電線路荷載規范》。上述規范起初采用容許應力法（鋼結構）和安全系數法（RC構件），但自1999年起全面采用了以概率統計理論為基礎的極限狀態設計方法。

2.2可靠度分析應考慮的荷載組合和設計工況

輸電線路桿塔結構的荷載按隨時間的變化，可分為永久荷載和可變荷載。由于永久荷載變異系數小，因而可將各永久荷載作用效應作為一種荷載效應。可變荷載主要有風荷載、冰雪荷載、導線張力、地線張力、拉線張力、安裝檢修附加荷載、結構變形引起的次生荷載等。結合輸電線路的運行經驗以及輸電桿塔結構的相關設計規定可知，在輸電線路及桿塔運行的某一時刻，一般只考慮一種可變荷載對作用效應起控制作用。

在設計輸電桿塔結構時，正常運行情況、斷線情況和安裝情況的荷載組合是各類桿塔的基本荷載組合。當線路工程處于氣象區有覆冰條件時，還應計算不均勻覆冰的情況。此外，輸電桿塔結構的失效只考慮運行過程中可能出現的失效，而不考慮安裝荷載以及安裝荷載所控制的構件。

安利強等人采用一次二階矩方法對河西走廊實施的±80 0kV/750 kV交直流同塔多回線路桿塔進行了可靠度計算，結果表明，大風工況下±800 kV設計標準時的構件可靠度指標均值為3.588，各自設計標準下的構件可靠度指標均值為3.341，均小于該工程一級安全等級下的目標可靠度指標3.7。楊風利依據現行輸電線路設計規范，采用JC法計算了大風工況和風冰組合工況下輸電線路桿塔構件的可靠指標，結果表明，兩種工況下100年重現期的桿塔構件可靠指標范圍分別為3.95～4.29和3.43～3.71，比荷載采用50年重現期時分別提高了大約25.7%和25.5%。孟令星等人以某500 kV跨越高速鐵路輸電塔-線體系為工程背景，采用JC法（改進的一次二階矩法）分析了上述輸電桿塔結構中單構件的可靠指標，對可靠指標水平最低桿件的位置進行了分析，為工程設計提供了有益參考。

在實際的輸電桿塔工程中，若整體結構中僅有某個構件破壞，未必會導致整個輸電桿塔結構的失效。更大的可能是，在若干構件相繼破壞后，桿塔結構才出現破壞，這若干個構件的先后失效構成了一個失效模式。在工程結構領域，由于荷載的隨機屬性、結構失效模式多樣性等因素，增加了工程結構體系的可靠度問題的復雜程度，至今整個工程結構體系的可靠度研究仍處于初始階段。

劉玥君等人以220 kV貓頭型角鋼塔為例，采用數值模擬方法，探究了輸電線路在冰風荷載作用下的可靠度，結果表明，覆冰厚度為30 mm時，結構可靠指標不大于2.33;風速為10 m/s時，結構可靠指標不大于2.44。陳波等人基于實際工程結構研究了小根開細柔輸電桿塔在不同強度風荷載作用下的可靠性，結果表明，當風速回歸期取為100年時，風速大小為38.98 m/s，45°、60°和90°風向下可靠指標分別為2.2、2.3、3.2，如若在風速接近60 m/s的強臺風作用下，桿塔的破壞概率超過30%。孟令星等人以某500kV跨越高速鐵路輸電塔-線體系為工程背景，采用窄界限法分析了輸電桿塔體系的可靠指標，并分別計算了不同荷載工況下輸電桿塔的可靠度，結果表明，整個桿塔體系的可靠指標低于3.7，不滿足跨越高速鐵路輸電線路桿塔的可靠指標要求。

目前的基本共識是我國輸電線路桿塔結構和構件的可靠指標尚達不到工程結構目標可靠指標的要求。作為生命線工程的重要載體，輸電桿塔結構的可靠度設置水平應予以適當的提高。應加強輸電桿塔體系可靠度方面的基礎性研究，為我國輸電桿塔的結構設計采用基于結構體系目標可靠度設計方法提供理論基礎。建議對輸電桿塔結構的荷載加強調研和統計分析，為桿塔結構體系的可靠度分析提供基礎性資料。

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作者簡介：陳孔陽（1993—），女，博士，工程師，研究方向為輸電線路設計。