60 m以上非特高壓輸電塔風振系數研究

馬 幼 華

(上海電力設計院有限公司，上海 200025)

0 引言

輸電系統作為電力輸送的載體，是電力能源系統中極為重要的工程結構。其中最為普遍的配電與輸電方式是采用架空輸電線路，作為輸電系統設計的主要對象，其安全穩定性對于輸電系統的正常運作起關鍵作用。設計時考慮的荷載包括風荷載、覆冰荷載以及安裝荷載等，其中風荷載起控制作用。

風荷載的計算主要依據現行規范GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范及DL/T 5154—2012架空送電線路桿塔結構設計技術規定。其中，在計算桿塔風荷載時，規范規定對于全高超過60 m的輸電塔，應當依據GB 50009—2012建筑結構荷載規范計算相應的桿塔風荷載調整系數，即風振系數βz。然而該計算方法的提出主要針對質量及外形連續均勻變化的高層、高聳結構，輸電塔由于具有較大尺寸及質量的橫擔，其外形及質量在高度方向會有突變，因而這種計算風振系數的方法并不適用。

目前，工程實際中，對于60 m以下的輸電塔，可通過規范查表并插值計算的方式采用一個全塔一致的風振系數；對于60 m以上的特高壓輸電塔，設計時可依據行業內統一的風振系數取值及計算方法；而一般輸電塔全高超過60 m的情況相對較少，如果按照特高壓輸電塔進行設計計算，則結果可能過于保守，但如果按照《建筑結構荷載規范》計算風振系數，也還需進行適當經驗性的調整以保證工程安全。因此，行業內關于60 m以上非特高壓輸電塔的風振系數取值并不統一。本文針對這一情況，以全高78.6 m的220 kV/110 kV混壓四回路直線跨越塔(2/1IS-SSZK)為例，采用不同的風振系數計算方法及調整方式，計算不同情況下的構件響應，并對結果進行比較分析。此外，本文還將《架空輸電線路荷載規范》中提出的風振系數計算方法與目前常用規范中的計算方法進行比較，分析兩者的區別及對輸電塔的適用性。

1 關于風振系數計算方法比較

在DL/T 5551—2018架空輸電線路荷載規范中，對于桿塔風振系數βz的計算提出了新的公式：

(1)

(2)

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(5)

(6)

上述風振系數計算方法，與GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范及DL/T 5154—2012架空送電線路桿塔結構設計技術規定中的計算方法相比較，主要區別有：

1)新規范不再區分60 m高度以上和60 m高度以下輸電塔的風振系數計算方式，而統一采用上述計算式(1)。對于全高不同的輸電塔，增加了桿塔風荷載脈動折減系數εt來進行調整，當桿塔全高H≥40 m時，其值取1.0；當桿塔全高H≤20 m時，其值取0.6；當桿塔全高20 m

2)新規范提出了背景因子Bz的新計算公式(2)，區別于以往僅適用于質量和外觀連續均勻變化的高層、高聳結構，該計算公式采用分段計算，劃分出因帶有橫擔而發生質量及外形突變的分段，通過分段對應的質量m、迎風面構件投影面積A以及構件體型系數μs等參數，考慮了該分段的實際質量及構件外觀，使得最終的風振系數計算結果更符合輸電塔質量及外觀沿高度方向的分布情況。

綜上所述，新規范提出的風振系數計算方法，與原有的全塔統一取值或參照高聳結構的計算方法相比，其計算結果在理論上應當更符合輸電塔的實際外觀。然而其計算公式較原有公式更為復雜，若不借助計算機技術，其計算過程相當困難且耗時。另一方面，由于新規范推出時間較短，行業內對于風振系數的取值更依賴于原有規范，該方法在工程實際中的適用性仍需經過更多工程的檢驗方可做出更為有效的判斷。

2 工程實際關于風振系數計算方法

目前，工程實際中關于60 m以下一般輸電塔的風振系數取值，仍按照全塔采用一個風振系數的計算方法。而對于60 m以上的一般輸電塔，風振系數的計算方法則并不統一，主要的幾種方式如下：

1)方法一：按照特高壓的風振系數進行分段插值，其對應參數如表1所示。

表1 風振系數插值計算表

2)方法二：按照《建筑結構荷載規范》計算風振系數，其公式如下：

(7)

(8)

(9)

(10)

其中，φ1(z)為結構第1階振型系數；H為結構總高度；B為結構迎風面寬度；ρx為脈動風荷載水平方向相關系數；ρz為脈動風荷載豎直方向相關系數；k,a1均為對應粗糙度類別的系數；θB,θv均為修正系數。若計算所得的風振系數加權平均值小于1.6，則對于βz<1.6的段，直接取1.6。

3)方法三：按照《建筑結構荷載規范》計算風振系數，若計算所得的風振系數加權平均值小于1.6，則對全塔的風振系數乘以一個調整系數，使加權平均值大于1.6。

3 風振系數計算結果比較

本文以全高78.6 m的220 kV/110 kV混壓四回路直線跨越塔(2/1IS-SSZK)為例，按上述三種方法計算相應的風振系數，對鐵塔的分段如圖1所示。

圖1中，1,2,3,4分段為標示高度處的橫擔分段。其中，由于塔頭多個分段的風振系數幾乎相同，故將多個塔頭分段歸為一個分段1，風振系數取平均值。

用不同方法計算對應分段風振系數，所得結果如圖2所示。

由圖2可知，三種方法的風振系數沿高度變化規律各不相同。按方法一分段插值計算，塔身風振系數相對較小，隨高度均勻變化，而在橫擔處風振系數突變，且增幅較大，為所有方法中橫擔風振系數的最大值，經計算全塔風振系數沿高度的加權平均值為1.866；按方法二計算的風振系數則較穩定，大部分塔段在不滿1.6的情況下補足至1.6，全塔加權平均值為1.605；按方法三計算的塔身風荷載相對較大，在11段以下隨高度線性均勻變化，而11段以上基本不變，橫擔處風振系數相對較小，全塔加權平均值為1.675。

4 輸電塔桿件應力比計算結果比較

采用上述計算的風振系數結果，保持氣象條件、桿件規格等其余條件不變，采用道亨鐵塔計算軟件，計算不同方法下的構件應力比，此處以各塔段塔身主材為對象進行分析，計算結果如圖3所示。

由圖3可知，三種方法的應力比變化趨勢相同，符合輸電塔主材構件應力比分布規律。比較可得，按照方法一計算的構件應力比最大，而按方法二計算的構件應力比最小，其中最大應力比相對差值在6號塔段主材處，其值為(72-63)/72×100%=12.5%。

5 結語

本文通過比較不同規范中關于風振系數的計算公式，并按照實際工程中關于風振系數的不同計算方法，采用道亨鐵塔計算軟件進行構件驗算，對比分析計算結果，得出以下結論：

1)新荷載規范提出了風荷載脈動折減系數以及背景因子的新計算公式，使得風振系數的計算在理論上更符合鐵塔的外形及質量分布情況，但是該規范的計算方法尚需經過更多工程實際檢驗。2)按照特高壓計算方法，其風振系數在橫擔處會有相對較大的取值，可視為考慮橫擔的質量及外形突變，按該方法計算的風振系數加權平均值最大。3)按照三種實際工程中采用的計算方法，計算所得主材構件應力比整體相差不大，但在局部會有較大差值，故出于安全考慮，應采用最為保守的分段插值計算方法。