輸電塔結構可靠度分析

張卓群，李宏男，貢金鑫，田雷，李嘉祥

(1. 大連理工大學建設工程學部，遼寧省大連市 116024；2.國網北京經濟技術研究院，北京市 102209)

輸電塔結構可靠度分析

張卓群1，李宏男1，貢金鑫1，田雷2，李嘉祥1

(1. 大連理工大學建設工程學部，遼寧省大連市 116024；2.國網北京經濟技術研究院，北京市 102209)

為研究按輸電線路設計規范設計的桿塔結構構件的可靠度水平，是否滿足跨越輸電線路桿塔構件可靠度的要求，對一個典型的500 kV角鋼桿塔和一個典型的220 kV鋼管桿塔進行可靠度分析。分析結果表明：針對研究的鋼管桿塔和角鋼桿塔而言，鋼管桿塔構件的可靠指標大于角鋼桿塔構件的可靠指標；盡管實際桿塔構件的可靠指標比符合規范要求時的最小可靠指標大，但可能不能達到跨越高鐵線路輸電線路桿塔目標可靠指標3.7的要求；通過提高桿塔結構的重要性系數、折減直線塔的檔距和減小轉角塔的轉角可以提高桿塔構件的可靠指標。

高速鐵路；輸電線路；輸電桿塔；可靠度

0 引 言

輸電塔結構作為高壓電能輸送的載體，是重要的生命線工程。輸電塔結構具有桿塔高聳、跨度大且跨越地形綿延起伏，結構整體柔度隨桿塔高度增加而非線性的增加，輸電塔與導輸電線在不同量級的動力特性條件下藕聯工作等特點，極易受到外界荷載(風、覆冰)的影響[1-4]。近年來隨著我國電網的不斷升級改造，輸電塔傳輸網絡不斷向高聳大跨越，超高壓甚至特高壓的方向發展。特別是針對跨越高速鐵路的輸電線路，塔體結構的安全度不僅關系到國家電網和鐵路系統的安全運行，也關系到人民群眾的生命安全[5-7]。此外，由于高速鐵路和輸電線路工程都處于快速發展階段，雙方的建設時序和標準并非完全一致，最終導致了輸電塔可靠性和安全性存在一定的隱憂。因此，在重新梳理和分析研究現有輸電線路設計技術的基礎上，提出一套完整、高效和實用的可靠度計算方法是十分必要和亟待完成的[8]。

為適應這一發展需要以及規范輸電線路跨(鉆)越高速鐵路的設計工作，大連理工大學與國網北京經濟研究院聯合開展了跨越高速鐵路輸電線路可靠度的專題研究。本文在輸電塔規范中可靠度理論的基礎上，重點研究了跨越高速鐵路輸電線路桿塔體系可靠度的計算方法。通過對一個典型的500 kV角鋼塔和一個220 kV鋼管桿塔結構構件的可靠度分析，計算結果表明這2類輸電塔結構都滿足DL/T 5154—2002《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》中桿塔構件的最低可靠指標。此外，鑒于設計中具體桿塔要滿足多方面的設計要求，本文分析的結果表明輸電塔結構絕大多數構件的可靠指標都遠大于規范。

1 500 kV角鋼塔可靠度分析

1.1 構件功能函數和變量統計參數

桿塔桿件的功能函數[9-12]可表示為

Z=R-NG-∑NQi

(1)

式中：R為構件抗力(受力強度或受壓穩定)；NG為永久荷載產生的軸力；NQi為第i個可變荷載產生的軸力。

各變量的平均值和標準差為：

(2)

(3)

(4)

式中：kNG、δNG為恒荷載的均值系數和變異系數；NGk為永久荷載標準值產生的軸力；kNQi，δNQi為第i個可變荷載的均值系數和變異系數；NQik為第i個可變荷載標準值產生的軸力；kR、δR為抗力計算模式不定性系數的均值系數和變異系數；Rk為根據桿塔設計圖紙中桿件的型號和強度標準值計算的抗力標準值。

各變量的統計參數(均值系數k和變異系數δ)和概率分布見表1[13]。

表1 輸電塔結構荷載與抗力可靠度統計參數

1.2 構件軸力分解

按照式(1)，可靠度分析中需要區分不同性質的荷載產生的軸力，如永久荷載、風荷載、覆冰荷載等，而現在的桿塔設計軟件計算的軸力是按荷載的方向給出的，因此需要將軟件計算的軸力按荷載進行分解，分解方法如下：

(1)永久荷載和風荷載組合下，荷載分為2部分：豎直方向的永久荷載(自重)和水平方向的風荷載。

(2)永久荷載、風荷載和覆冰荷載組合下，荷載分為3部分：豎直方向的永久荷載(自重)、水平方向的風荷載和豎直方向作用的覆冰荷載。

(3)永久荷載、風荷載和不均勻覆冰荷載組合下，荷載分為3部分：豎直方向的永久荷載(自重)、水平方向的風荷載和豎直方向作用的不均勻覆冰荷載。

1.3 輸電塔模型

選取5E3-SJ2轉角塔(20°～40°)和5E3-SZK直線塔進行分析。5E3塔應用范圍為海拔1 000 m以內、設計基本風速為29 m/s(離地10 m)、覆冰厚度為10 mm的雙回路鐵塔。2種輸電塔的計算模型如圖1所示。

1.4 荷載工況

實際中的輸電塔要承受其自身、絕緣子、金具和導地線的重量及風荷載和覆冰荷載，另外設計中還要根據具體情況采用不同的轉角和檔距。因此輸電塔設計中要考慮多種工況，本文可靠度分析考慮的工況如表2所示。

表2 角鋼塔荷載工況

1.5 可靠度計算

采用可靠度計算的JC方法，計算了5E3-SZK直線塔和5E3-SJ2轉角塔對應于表2中各荷載工況的可靠指標，其中表3和表4為5E3-SZK直線塔構件可靠指標最小2個荷載工況的前10個構件的可靠指標，表5和表6為5E3-SJ2轉角塔構件可靠指標最小2個荷載工況的前10個構件的可靠指標。圖2和圖3給出了2個桿塔最不利荷載工況可靠指標最小的前10個構件的具體位置。由圖2和圖3可以看出，在永久荷載和風荷載組合的情況下，5E3-SZK直線塔和5E3-SJ2轉角塔可靠指標最小的前10個構件，均出現在桿塔的主材上；而在永久荷載、風荷載和覆冰荷載組合的情況下，5E3-SZK直線塔和5E3-SJ2轉角塔可靠指標最小的前10個構件，均出現在桿塔的橫擔上。

1.6 不同轉角和折減檔距的可靠指標

表3～6給出了5E3輸電塔一個荷載工況的可靠指標。其中構件的最小可靠指標為3.39，小于目標可靠指標3.7，不滿足跨越高鐵輸電線路桿塔構件的可靠度要求[13]，設計或工程中可采用不同的措施來滿足目標可靠指標要求。

(1)提高結構重要性系數。

DL/T 5154—2002《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》規定了輸電線路桿塔構件的分項系數設計表達式，提高重要性系數γ0的值，可以提高構件的安全水平。表7～8給出了2種荷載組合下重要性系數γ0=1.0～1.3時5E3-SZK直線塔和5E3-SJ2轉角塔的可靠指標。由表中結果可以看出，重要性系數提高0.1，桿塔構件的可靠指標約提高0.3；當γ0=1.0時5E3-SJ2轉角塔的可靠指標不滿足文獻[13]的目標可靠指標3.7，如果取γ0=1.1，則滿足了目標可靠指標的要求。

圖1 角鋼塔模型

表3 60°大風荷載，耦合線終端，5E3-SZK直線塔的可靠指標

表4 覆冰荷載，耦合線正常，5E3-SZK直線塔的可靠指標

圖2 5E3-SZK直線塔2個荷載工況的可靠指標

表5 大風荷載，有不平衡張力，5E3-SJ2轉角塔的可靠度指標

圖3 5E3-SJ2直線塔2個荷載工況的可靠指標

表6 覆冰荷載，有不平衡張力，5E3-SJ2轉角塔的可靠度指標

表7 5E3-SZK直線塔不同重要性系數時的可靠度指標

表85E3-SJ2轉角塔不同重要性系數時的可靠度指標

Tab.8Reliabilityindexesofangletower5E3-SJ2withdifferentimportantfactors

(2)折減檔距。

折減輸電桿塔的檔距，可以減小導地線的重力、風荷載和覆冰荷載，從而提高桿塔構件的安全度。表9為5E3-SZK直線塔不同折減檔距時的可靠指標。由表9可以看出，檔距折減后，桿塔構件的可靠指標提高，但對于不同的荷載組合，相同檔距折減百分比時桿塔構件的可靠指標提高幅度是不同的，有覆冰荷載時，可靠指標的提高幅度較大。

表9 5E3-SZK直線塔不同折減檔距時的可靠度指標

(3)折減角度。

改變轉角桿塔的轉角，可以改變轉角的受力狀態，從而改變桿塔構件的安全度。表10為5E3-SJ2轉角塔不同轉角時的可靠指標。由表10可以看出，桿塔轉角由大變小后，不同荷載組合情況下桿塔構件的可靠指標變化不同。對于永久荷載和風荷載組合，隨著桿塔轉角的減小構件可靠指標提高；對于永久荷載、風荷載和覆冰荷載組合，隨著桿塔轉角的減小構件可靠指標不變。

表10 轉角塔5E3-SJ2考慮轉角折減的可靠度指標

2 220 kV鋼管桿塔可靠度分析

2.1 結構功能函數

鋼管桿塔結構有受拉、局部穩定、彎曲、剪切、復合受力破壞等多個失效模式[14]，其功能函數如下：

(1)構件軸心受拉強度：

(5)

(2)構件壓彎局部穩定：

(6)

(7)

(3)構件的彎曲強度：

(8)

(4)構件的剪切強度：

(9)

(5)構件復合受力強度：

(10)

式中：N1為軸心拉力；N2為軸心壓力；An為構件凈截面面積；f為鋼材強度；fa為多邊形構件壓彎局部穩定強度。構件截面面積、慣性矩等參數按式(11)～(14)計算：

Ag=3.22Dt

(11)

Ix=Iy=0.411D3t

(12)

(13)

(14)

2.2 鋼管桿塔模型

選取SGJ42轉角塔(10°～30°)和SGZK4直線塔進行分析。這2個塔為應用范圍為海拔1 000 m以內、設計基本風速為23.5 m/s(離地10 m)、覆冰厚度為10 mm的雙回路鐵塔。計算模型如圖4所示。

2.3 荷載工況

本文可靠度分析考慮的鋼管桿塔的荷載工況如表11所示。

表11 鋼管桿塔的荷載工況

2.4 可靠度計算

2.4.1 計算方法

依據式(5)～(14)給出的多個功能函數計算鋼管桿塔構件的可靠指標，取最小的可靠指標作為幾種失效模式的可靠指標。

在考慮的所有荷載組合工況中，“90°大風荷載，呼高為48 m，檔距無折減”工況的可靠指標最小，見表12。由表12可以看出，最小構件的可靠指標滿足輸電線路桿塔構件可靠指標不小于3.7的要求。

圖4 鋼管桿塔模型

2.4.2 不同轉角和折減檔距的可靠指標

同角鋼塔一樣，通過提高設計中的結構重要性系數、折減直線塔檔距和改變轉角塔轉角可提高桿塔構件的可靠指標。表13～16為采取這些措施后可靠指標的計算結果。

由表13和表14可以看出，同角鋼塔一樣，結構重要性系數提高0.1，SGZK4直線塔和SGJ42轉角塔的可靠指標均約提高0.5。由表15可以看出，直線塔檔距折減后，桿塔構件的可靠指標提高，但對于不同的荷載組合，相同檔距折減百分比時桿塔構件的可靠指標提高幅度不同，有覆冰荷載時，可靠指標提高的幅度較大。由表16可以看出，轉角塔轉角由大變小后，不同荷載組合情況下桿塔構件的可靠指標變化不同。對于永久荷載和風荷載組合，隨著桿塔轉角的減小構件可靠指標提高；對于永久荷載、風荷載和覆冰荷載組合，隨著桿塔轉角的減小構件可靠指標基本不變。

表13 SGZK4直線塔不同重要性系數時的可靠指標

表14SGJ42轉角塔不同重要性系數時的可靠指標

Tab.14ReliabilityindexesofangletowerSGJ42withdifferentimportantfactors

表15SGZK4直線塔檔距折減后的可靠指標

Tab.15ReliabilityindexesofstraighttowerSGZK-4withdifferentspans

表16SGJ42轉角塔不同轉角時的可靠指標

Tab.16ReliabilityindexesofangletowerSGJ42withdifferentturnangles

3 結 論

(1)針對本文分析的鋼管桿塔和角鋼桿塔而言，鋼管桿塔構件的可靠指標大于角鋼桿塔構件的可靠指標。

(2)盡管實際桿塔構件的可靠指標比符合規范要求時的最小可靠指標大，但可能不能達到跨越高鐵線路輸電線路桿塔目標可靠指標3.7的要求。

(3)通過提高桿塔結構的重要性系數、折減直線塔的檔距和減小轉角塔的轉角可以提高桿塔構件的可靠指標。

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[14]DL/T 5130—2001. 架空送電線路鋼管桿設計技術規定[S]. 北京：中國電力出版社, 2001.

(編輯：張媛媛)

ReliabilityAnalysisofTransmissionTowerStructure

ZHANG Zhuoqun1, LI Hongnan1, GONG Jinxin1, TIAN Lei2, LI Jiaxiang1

(1. Faculty of Infrastructure Engineering Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning Province, China;2.State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

To check whether the reliability of tower structures designed based on the current design code of transmission lines could satisfy the reliability requirement of tower members in the transmission line crossing high speed railway, the reliability analysis was carried out for 500 kV typical angle steel tower and 220 kV typical steel tube tower. It is indicated that the reliability index of steel tube tower is lager than that of angle steel tower for the case studied in the paper. The reliability index of tower member may not meet the requirement of 3.7 for the transmission line crossing high speed railway, although it is larger than the minimum reliability index required in current design code. The reliability of tower members can be upgraded by increasing the importance factor of tower components, reducing the span of tangent tower or the angle of angle tower.

high speed railway; transmission line; transmission tower; reliability

國家電網公司科技項目(B3440912K006)，國家自然科學基金委創新研究群體基金(51121005)；高等學校學科創新引智計劃資助(B08014)。

TM 753

： A

： 1000-7229(2014)05-0034-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.006

2013-11-07

：2014-02-18

張卓群(1985)，男，博士，主要從事輸電塔結構優化設計、災變分析以及安全性評估等研究工作，E-mail: zhangzhuoqun_2006@163.com；

李宏男(1957)，男，長江學者特聘教授，主要從事建筑結構抗風、抗震等災變分析、健康監測與診斷研究等工作，E-mail: hnli@dlut.edu.cn；

貢金鑫(1964)，男，教授，主要從事工程結構可靠性理論與應用的研究工作，E-mail:jinxingong@163.com；

田雷(1973)，男，本科，高級工程師，主要從事輸電線路設計技術、研究和咨詢工作，E-mail：tianlei@ chinasperi.sgcc.cm.cn；

李嘉祥(1985)，男，博士，主要從事輸電線路舞動及安全性評估等工作，E-mail：lijiaxiang1985@126.com。