輸電線路設計規范中風荷載計算方法微探

黨強斌

摘 要：當前電力行業發展中，各國有著不同的輸電線路設計規范，通過對各自的風荷載計算公式與計算參數進行比較，得知我國現行規范設計中風荷載在數值上與其他國家的計算結果相似，但參數規定方面卻有著一定的討論價值。基于此，本文以風荷載計算方法作為研究對象，結合輸電線路的設計規范，闡述了具體的計算公式與各項系數。

關鍵詞：輸電線路;設計規范;風荷載;計算方法

中圖分類號：TU312.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0173-02

0 引言

高壓輸電線路屬于風敏感結構，要求設備可以在風荷載作用下安全運行，這對輸電線路設計中的風荷載計算提出了嚴格的要求。有研究人員針對我國現行的GB50545-2012《110-750kV架空輸電線路設計技術規范》的風荷載進行研究。經比較分析，我國輸電線路風荷載對高度變化十分敏感，桿塔高度較低，風荷載與其他國家的計算結果更加接近;桿塔高度較高，計算結果較大。隨著規范的重新修訂，輸電線路風荷載計算結合參數的變化情況，影響了風荷載設計值。

1 輸電線路設計規范中風荷載的計算公式分析

本文在探究輸電線路風荷載計算方式之前，選擇了以下幾個國家的輸電線路設計規范，通過對比與分析探究相應的計算公式。風荷載計算公式研究中涉及到以下國家與協會的設計規范：

（1）我國GB50545-2010《110-750kV架空輸電線路設計規范》。桿塔風壓公式為，線條風壓為。公式中W0為基本風壓，分別為風壓高度變化系數與體型系數，為風振系數，α和γ分別為風壓不均勻系數與荷載系數。

（2）國際電工協會規范IEC60826-2003。桿塔風壓與線條風壓公式分別為和。其中C是體型系數，G為風振系數與高度變化系數，G1是檔距折減系數，γ是荷載系數。

（3）美國輸電線路設計規范ASCE74-2009。桿塔風壓與線條風壓公式具體為和。KZ為風壓高度的變化系數，C和G分別為體型系數與風振系數。

（4）日本輸電線路設計規范JEC127-1979。桿塔風壓與線條風壓分別為和 。其中α是風壓高度變化系數，C是體型系數，K1和K2分別為結構規模類型系數與地貌系數[1]。經過以上分析得知，計算桿塔風荷載情況時，各國設計規范將高度、風脈動與結構體型因素考慮其中。

2 基本風壓與荷載系數研究

2.1 基本風壓

基本風壓公式為，公式中，v為最大風速，為空氣密度。中國、日本、國際電工協會將基本風速指定為10min時距，要求在平坦的地形距離地面10m高度且重現期為50年。美國設計規范中將基本風速規定為3s時距，平坦開闊地貌下距離地面10m高且重現期為50年[2]。

2.2 荷載系數

輸電線路風荷載計算中，荷載系數可以對輸電線路安全等級加以調整。除了我國現行規范以外，國際電工協會、美國與日本都是采用調節風速重現期的方式來得到荷載系數。而我國設計規范中，以結構重要性系數與風荷載分項系數為主，將二者相乘，其結果就是荷載系數。我國GB50545-2010對線路最小基本風速提出了以下規定內容：不低于500kV電壓等級的高壓線路，10m高度基本風速不能低于每秒26.85m;330kV以下、110kV以上的電路，10m高基本風速不能低于每秒23.4m。我國內陸地區，基本風速很少有超過每秒25m的，因此人們在設計風速時無需考慮荷載系數問題。

3 體型系數研究

3.1 塔架風荷載體型系數

關于塔架風荷載的體型系數，該內容與構件形狀、風偏、塔架高寬比有關，有時也會聯系到周圍遮蔽情況和塔架自身填充率。分析各國家輸電線路設計規范中桿塔填充料與體型系數之間的關系，為了強化研究效果，建議將塔身截面設置為矩形，將構件定義為角鋼桿塔。桿塔風荷載的體型系數和填充料關系密切。桿塔填充率越大，體型系數就會越小;桿塔填充料越小，體型系數就會越大，這是因為構件與構件之間存在遮蔽效應。當填充率相同時，結合不同國家的設計規范，將體型系數進行對比，發現除了我國GB50545-2010輸電線路設計規范以外，美國、日本和國際電工協會設計規范中的體型系數更接近。應用日本輸電線路設計規范JEC127-1979的公式計算體型系數研究，當桿塔填充料一致的情況下，橫擔風荷載體型系數比桿塔低45%。由此可見，日本輸電線路設計規范在風荷載體型系數方面的研究更加細致，計算的結果也更加精確，這一點需要我國GB50545設計規范學習[3]。

3.2 導線與地線體型系數

我國GB50545線路風荷載設計規定中，導線與地線體型系數是。線路直徑低于17mm，或者線路表面覆冰時，體型系數為1.2。線路直徑超過17mm時，體型系數為1.1。結合線路的實際運行情況，超過220kV的導線直徑也超過了17mm。基于這一情況，我國對高壓線路導線和地線風荷載計算時，體型系數統一取值為1.1。

國際電工協會規范IEC60826-2003提出以下規定：缺乏直接性測量或沒有直接進行風洞實驗的情況下，一般導線風荷載體型系數為1.0。

美國輸電線路設計規范ASCE74-2009中提出了導線與地線風荷載體型系數的取值為1.0。導線和地線風荷載體型系數與雷諾數有關聯，當雷諾數低于3×104時，線路風荷載體型系數會超過1，美國輸電線路設計規范中的最小設計風速中，如果導線與地線直徑超過13mm，與此同時雷諾數大于3×104。由此，導線與地線風荷載體型系數取值為1.0。

日本輸電線路設計規范JEC127-1979中也是結合雷諾數進行線路圓截面風荷載體型系數的研究。當雷諾數低于4×105的時候，輸電線路風荷載體型系數為1.2;當雷諾數超過4×105時，輸電線路導線與地線風荷載體型系數為0.75。正常情況下，線路雷諾數不會超過4×105，所以風荷載體型系數多數會取值為1.2。

4 風壓高度變化系數

4.1 桿塔風壓高度系數

針對線路風壓高度的變化系數，各國設計規范分別從地形地貌與基準高度角度出發，探究這些因素給風壓高度系數帶來的影響與變化。中國、美國與日本的輸電線路風荷載設計規范將風速根據高度的變化來規定風壓高度系數的，國際電工協會是綜合系數角度考慮風塔高度系數。不同規范中，標準地貌規定方面，美國風荷載設計規范規定了C類地貌，其他規范規定了B類地貌為標準地貌。我國GB50545線路風荷載設計規范數值比國際電工協會規范IEC60826-2003要小。

不同國家的線路風荷載設計規范中，針對桿塔分段節離地高度做出了不同的規定。我國GB50545規定了節間頂點處計算離地高度;美國ASCE規范規定了重心處計算離地高度;日本JEC規范規定了中心處計算離地高度。所有的風壓高度變化系數和離地高度計算中，美國ASCE規范得出的計算值與實際最相符，我國GB50545規范中計算值較大，日本JEC規范的計算結果與真實情況相比偏小[4]。

4.2 導線與地線風壓高度變化系數

針對不同規范中對于導線與地線離地高度做出了以下規定：（1）日本JEC規范與中國GB50545規范提出導線離地高度為三分之一弧垂高度與最低點離地高度之和。（2）美國ASCE提出導線與地線風壓高度變化系數應為桿塔附著點離地高度和三分之一弧垂高度之差。（3）國際電工協會IEC規范中提出導線與地線離地高度為桿塔附著點高度。GB50545和JEC規范中，對導線和地線風壓高度變化系數的設置更加貼近于實際，ASCE與IEC規范中，風壓高度變化系數可能偏離實際，最終導致風荷載較大。

5 風振系數研究

各項規范中，對于導線和地線風振系數的規定基本相似，各規范根據桿塔風振系數做出比較，通過風振系數的研究了解風荷載計算方式。中國GB50545規范提出了以下關于風振系數的內容，桿塔高度低于60m時，全高使用1個風振系數;桿塔高度超過60m時，結合《建筑結構荷載規范》中提出的內容，應用自下而上不斷增加的數值變化情況，但風振系數不應低于1.6。國際電工協會IEC規范中的G綜合高度風壓系數與風動脈影響情況，對風振系數做出了相應規定。風壓高度系數分離之后，風振系數也被分離出來，最終得出與我國GB50545規范相當的風荷載系數，但其規律相反。美國ASCE規范中陣風系數包含10min與3s風速轉換和風脈動影響。將轉換因素分離出來后，數值與我國GB50545規范風荷載系數相似，隨著高度的增加，風荷載系數下降，這與桿塔的體型無關，一個桿塔的高度會對應一個系數值。經比較發現，我國GB50545規范各其他國家不同，風振系數在高度不同情況下變化趨勢也會不同，這是因為我國設計規范應用的自下而上的風振系數，數值逐漸變大。與日本、美國、國際電工協會提出的風振系數變化情況相比，安全度相同狀態下，桿塔底部彎矩會較大，這樣的設計方式可能會增加施工成本。

我國GB50545規范只適合用在外形和重量不受高度影響的等截面結構，規范沒有考慮到輸電塔橫擔質量的變化可能。我國荷載規范中，桿塔全高不超過60m時，桿塔風荷載調整系數應按照規定對全高采用統一一個系數;當塔體超過60m，風振系數從荷載規范中引用即可，但這樣的引用方式會影響桿塔自身風荷載計算結果。10mm及以下冰區不均勻覆冰情況的導、地線不平衡張力取值應不低于下表規定的導、地線最大使用張力的百分數，同時垂直冰荷載按75%設計覆冰荷載計算。2012年后，新的荷載計算規范針對線路風荷載計算提出了地面粗糙度系數的調整，隨著風壓高度系數的變化，地面粗糙度系數也會變化，即0.16調整為0.15。整體來看，塔底彎矩大了14%，這樣的變回將導致輸電線路建設成本增加，不利于電力企業的經濟效益提升。

6 結語

總而言之，現代化電力行業發展狀態下，電力企業從經濟效益角度出發根據相應的規范對輸電線路風力荷載情況加以計算。本文從日本JEC規范、中國GB50545規范、美國ASCE規范、國際電工協會IEC規范四種規范角度入手，結合各自的相同點與不同點分析風力荷載計算方式。我國設計規范規定了最小風速，綜合結構重要性系數與風力荷載分項系數等影響因素，保證了桿塔安全性。

參考文獻

[1] 楊悅.脈動風載下的輸電線路風偏計算研究[D].浙江大學，2015.

[2] 張盈哲，廖宗高，謝強.輸電線路設計規范中風荷載計算方法的比較[J].電力建設，2017，34（07）：57-62.

[3] 王振華.美國輸電線路風荷載計算介紹[J].特種結構，2016，29（04）：22-24+32+4.

[4] 肖洪偉，李喜來，廖宗高，唐國安，段松濤.輸電線路風荷載調整系數（風振系數）計算探討[J].電力建設，2017（09）：33-38.