中國與美國輸電塔風荷載技術標準比較與分析

王振華，金曉華

(廣東省電力設計研究院，廣州市 510663)

0 引言

隨著我國大量的工程設計公司走向國際，了解和掌握國內外技術標準的差異對我國的電力建設以及參與涉外工程均有重要意義。風荷載是輸電塔設計的控制荷載［1-3］，而文獻［4］已被國際業界廣泛采用，因此了解和掌握文獻［4］中輸電塔風荷載的計算方法至關重要。

我國輸電線路荷載規范主要包括文獻［5-7］，文獻［8］將文獻［5］與文獻［9-11］進行了了對比，分析了體型系數、風壓高度系數等參數的計算差異;文獻［12］僅比較了文獻［5］與文獻［4，10］中風壓高度變化系數的區別。文獻［4］較文獻［9］在輸電塔風荷載的計算方法和參數取值方面有所改進，如基本風速、陣風響應因子、地形影響因子和斜向風計算方法等，因此有必要將我國規范與文獻［4］在輸電塔風荷載計算方面進行詳細的比較與分析。

1 基本公式

我國規范中的桿塔風荷載計算公式為

式中:Ws為風向與桿塔塔面相垂直時桿塔風荷載標準值;W0為基本風壓;μz為風壓高度變化系數;μs為構件的體形系數;βz為桿塔風荷載調整系數;B為覆冰時風荷載增大系數;Af為構件承受風壓投影面積。

文獻［4］中輸電線路結構的設計風荷載為

式中:F為風方向的風荷載;γw為重現期荷載調整因子;Q為空氣密度常數;Kz為風壓高度變化系數;Kzt為地形影響因子;V50為50年重現期3 s陣風風速;G為陣風響應因子;Cf為風力系數;A為迎風向投影面積。

2 計算參數

2.1 基本風速

我國規范中采用B類地貌下離地10 m、10 min的年平均最大風速作為基本風速［13］，其中500～750 kV輸電線路重現期為50年，其基本風速不宜低于27 m/s，110～330 kV輸電線路重現期為30年，其基本風速不宜低于23.5 m/s。

在文獻［14］中，采用50年一遇的C類地貌下離地10 m、3 s陣風風速作為基本風速，風速轉換為風壓的空氣密度常數Q為0.613。

2.2 風壓高度變化系數

我國規范中一般采用B類地貌進行輸電線路設計，其風壓高度變化系數為

式中z為鐵塔各節段的中心高度。

文獻［4］中風壓高度變化系數為

式中:zh為結構有效高度，10 m≤zh≤zg，當鐵塔高度小于或等于60 m時，取鐵塔2/3高度作為有效高度，當鐵塔高度大于60 m時，有效高度為鐵塔各節段的中心高度;zg為梯度高度;α為冪指數。

在鐵塔小于60 m時，我國規范與文獻［4］中風壓高度變化系數的計算高度不同，我國規范仍采用各節段中心的對地高度，文獻［4］則取2/3鐵塔高度。將我國規范的B類地貌與文獻［4］中C類地貌的風壓高度變化系數進行比較，100 m高度范圍內的風壓高度變化系數及比值見表1。

由表1可以看出:文獻［4］的風壓高度變化系數小于我國規范值，隨著高度增加，文獻［4］與我國規范的風壓高度變化系數比值越來越小。

表1 我國規范與文獻［4］的風壓高度系數對比Tab.1Comparison of height variation factor of wind pressure between Chinese code and ASCE 74—2009

2.3 體型系數

我國規范中角鋼塔體型系數為1.3(1+η)，鋼管塔體型系數為0.7～1.2(1+η)，η為背風面荷載降低系數。

文獻［4］采用文獻［14］中正方形和三角形截面形狀網格桁架結構的風力系數，如表2所示。如果塔的桿件為圓截面，那么風力系數需要乘以表3中的修正系數來確定，其中φ為填充率。

不同填充率時我國規范與文獻［4］的體型系數比較見表4，其中我國規范的鋼管塔體型系數為0.8(1+η)，可以看出:當填充率小于0.3或大于0.5時，我國規范與文獻［4］的體型系數差別較大;鋼管塔體型系數差別大于角鋼塔體型系數。一般鐵塔的填充率介于0.3～0.5之間，此時兩種規范的角鋼塔體型系數差別小于18%，而鋼管塔體型系數差別為36%。

2.4 風荷載調整系數

我國規范風荷載調整系數βz主要考慮脈動風振的影響。全高在20 m及以下桿塔的自振周期較小(一般在0.25 s以下)，可以不考慮風振的影響(即βz=1.0);全高不超過60 m時全塔采用1個系數;桿塔超過60 m時，特別是較高的大跨越桿塔，βz根據文獻［7］僅考慮結構第一振型影響，取值為βz= 1+ενφz/μz且加權平均不小于1.6。對寬度較大或迎風面增加較大的計算段(如橫擔等)，應給予適當加大。

表4 我國規范與文獻［4］的體型系數對比Tab.4Comparison of shape factors between Chinese code and ASCE 74—2009

文獻［4］中輸電結構的陣風響應因子Gt為

式中:Zh為鐵塔有效高度;KV為10 m高度的3 s陣風風速與10 min平均風速比值，其值為1. 43;αFM為持續風的冪指數;κ為表面阻力系數;Ls為湍流積分尺度。地貌類別常數如表5所示。

表5 地貌類別常數Tab.5Exposure category constants

文獻［4］中陣風響應因子基于Davenport推導的輸電線路陣風響應評估公式，該公式考慮了陣風空間相關性、風譜和結構動力特性。文獻［4］在應用此公式時忽略了共振響應分量，只考慮背景響應分量。這一假設是基于導線、地線、結構的風振動響應彼此異相，而且導線和地線的氣動阻尼將大幅度減少共振響應，從而使準靜態背景響應成為主要響應。

文獻［4］在C類地貌下的陣風響應因子計算結果見表6，可以看出:隨著高度增加，陣風響應因子降低。按照文獻［4］，3 s陣風風速與10 min平均風速之比為1.43，則10 min平均風速下的陣風響應因子為1.50～1.66。兩國規范的陣風響應因子計算值大體相當。

表6 結構陣風響應因子Tab.6Structure gust response factors

2.5 地形影響因子

我國規范中對于通過山區線路的設計風速按附近平地風速增大10%計算，以此反映山區的微地形影響和狹管等效應。

文獻［4］將地形特征分為二維山脊和懸崖或者三維軸對稱山丘二大類。如圖1所示，H為相對地面以上山丘或者懸崖的高度;Lh為迎風方向從山頂到山丘或懸崖至地面一半高度處的水平距離。

圖1 地形影響因子Fig.1Topographic factor

輸電線路位于半山或者鄰近懸崖的地形影響因子方程為

式中:K1為考慮地形特征形狀和最大增速影響的系數;K2為考慮離山頂的上風向或下風向距離加大而風速增加減小的系數;K3為考慮局部地形以上高度增加而風速減小的系數，K3=e－γZ/Lh;x為山頂到結構的距離(上風或下風);Z為局部地面以上的高度。

文獻［4］中C類地貌下二維山脊地形(H= 100 m，Lh=200 m)山頂和半山腰處100 m高度范圍內風荷載的地形影響因子見表7，可以看出:山頂處的風荷載地形影響因子大于半山腰處，隨著高度的增加，其地形影響因子逐漸減小。

表7 山頂和半山腰處的風荷載地形影響因子Tab.7Topographic factor of wind force at top and half of hills

2.6 覆冰風荷載增大系數

我國規范中按照不同的覆冰厚取不同的風荷載增大系數，5 mm冰區取1.1，10 mm冰區取1.2，15 mm冰區取1.6，20 mm冰區取1.8，20 mm以上冰區取2.0～2.5。

文獻［4］認為結構上的覆冰雖然增加了結構擋風面積，但對于寬截面的結構桿件(如桿截面)，在整個投影面上由冰產生的摩擦阻力增加很小;對于角桿件，投射面積的增加部分因角尖處冰復層的流線效應減小從而抵消風力系數。因此，對大多數輸電線路結構，通常不需要對桿件上因覆冰引起的擋風面積增加進行補償。

2.7 斜向風荷載計算方法

我國規范塔身和橫擔風荷載在塔順線路(Y)和垂直線路(X)方向的分量見表8。

文獻［4］中鐵塔在橫向和縱向各自獨立的荷載計算為

表8 斜向風的鐵塔橫向和縱向風荷載Tab.8Transverse and longitudinal directions of the tower for yawed wind

式中:Ft、Fl分別為垂直和順線路方向的荷載;ψ為偏向角;Amt、Aml分別為平行和垂直于線路方向所有桿件的面積;Cft、Cfl分別為平行和垂直于線路方向的風力系數。

我國規范中塔身的斜向風荷載計算參考了文獻［9-10］，其計算式為

式(11)中橫向和縱向荷載分別為Ft=Fcosψ和Fl=Fsinψ，風洞試驗已證實結構的最大效應發生在小于45°的風向角。文獻［4］中塔身橫向和縱向風荷載只與各自橫向和縱向擋風面以及風向角有關。

3 結論

(1)我國規范與文獻［4］中桿塔風荷載計算均采用風振系數乘以平均風荷載的方法，我國規范中采用10 min平均風速，而文獻［4］中采用3 s陣風風速。我國規范按不同的電壓等級采用不同的風速重現期，突出了500 kV及以上輸電線路的重要性，而文獻［4］無此項規定。

(2)我國規范的鐵塔風壓計算高度取各節段中心位置高度，而文獻［4］中對小于60 m的鐵塔取2/3鐵塔高度，對大于60 m的鐵塔取各節段中心位置高度。文獻［4］中的C類地貌與我國規范中的B類地貌相比，在相同高度處文獻［4］的風壓高度變化系數小于我國規范值，而且隨著高度的增加，文獻［4］與我國規范的風壓高度變化系數比值越來越小。

(3)我國規范中角鋼塔和鋼管塔的體型系數均小于文獻［4］中的值，而且鋼管塔體型系數差別較大。

(4)兩國規范中風振系數的計算原理基本相同，均是考慮結構在風荷載作用下動力響應的綜合系數。我國規范采用的風荷載調整系數與美國規范的陣風響應因子計算值大體相當，但文獻［4］中鐵塔陣風響應因子隨著高度的增加而降低，這與我國規范的規律相反。

(5)對山區地形，我國規范采用的設計風速為附近平地風速增大10%，對特殊地形，文獻［4］考慮了地形影響因子。文獻［4］雖然考慮了特殊地形的影響，但在實際工程此類地形較少，其應用范圍也比較小。

(6)我國規范與文獻［4］中對桿塔構件覆冰時風荷載的計算存在較大差異，我國規范按不同覆冰厚度采用不同的風荷載增大系數，而文獻［4］通常不采用此系數。我國規范對覆冰工況考慮了風荷載增大系數，相當于增大了風速，由于覆冰工況下設計風速為10 m/s，與無冰時的設計風速相比要小，因此對鐵塔桿件設計影響很小。

(7)我國規范中鐵塔在斜向風下橫向和縱向的風荷載計算參考了文獻［9］的有關規定，但文獻［4］已經修改了上述計算方法。2種規范相比，0°和90°風荷載計算方法相同，斜向風下的風荷載計算方法不同。

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(編輯:張磊)