輸電線(xiàn)路風(fēng)冰荷載重現(xiàn)期及結(jié)構(gòu)可靠性影響分析

楊風(fēng)利

（中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京100055）

0 引 言

輸電線(xiàn)路是電網(wǎng)的主要網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其安全可靠性關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。作用在輸電線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)上的荷載按其隨時(shí)間的變異性可分為永久荷載、可變荷載和特殊荷載，大風(fēng)荷載和覆冰荷載是輸電桿塔最重要的兩種可變荷載。輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù)線(xiàn)路電壓等級(jí)和重要程度確定大風(fēng)、覆冰等氣象荷載的重現(xiàn)期，荷載重現(xiàn)期取值對(duì)于輸電線(xiàn)路可靠性具有重要影響。大風(fēng)、覆冰荷載作用的下桿塔結(jié)構(gòu)可靠度是制定桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵指標(biāo)，其計(jì)算值與荷載效應(yīng)比、荷載重現(xiàn)期、抗力分項(xiàng)系數(shù)、荷載分項(xiàng)系數(shù)等多個(gè)因素相關(guān)。

國(guó)內(nèi)外輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范大都是基于可靠度理論建立的［1-5］。IEC 標(biāo)準(zhǔn)［3］將系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法引入輸電線(xiàn)路的整體設(shè)計(jì)。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)［4］中桿塔、基礎(chǔ)采用基于可靠度理論的極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，而導(dǎo)地線(xiàn)、金具、絕緣子等組件仍采用安全系數(shù)法，整個(gè)體系的強(qiáng)度匹配設(shè)計(jì)方法還有待研究，而桿塔、導(dǎo)地線(xiàn)、金具、絕緣子等組件的可靠度研究是這一研究工作的基礎(chǔ)和前提。

2008 年電網(wǎng)冰災(zāi)以來(lái)，很多學(xué)者針對(duì)輸電線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)可靠度開(kāi)展了多項(xiàng)研究［6-13］。熊鐵華等［6］以覆冰厚度為控制量分析了覆冰荷載作用下輸電鐵塔的主要失效模式，計(jì)算了輸電鐵塔體系可靠度。陳海波等［7］研究了風(fēng)荷載作用下桿塔結(jié)構(gòu)體系可靠度，用JC 法計(jì)算了考慮線(xiàn)條風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)前后500 kV 桿塔構(gòu)件的可靠度，通過(guò)串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系Ditlevsen算法確定了桿塔結(jié)構(gòu)體系的失效概率。馮云芬等［8］針對(duì)跨越高速鐵路輸電線(xiàn)路進(jìn)行了桿塔構(gòu)件可靠度校準(zhǔn)分析，認(rèn)為大風(fēng)荷載作用下中國(guó)規(guī)范桿塔構(gòu)件可靠度水平略低于建筑結(jié)構(gòu)，風(fēng)冰組合荷載作用下中國(guó)規(guī)范桿塔構(gòu)件的可靠度水平與美國(guó)接近。李峰等［9］建立了輸電線(xiàn)路風(fēng)、冰荷載概率統(tǒng)計(jì)模型，采用一次二階矩法對(duì)中國(guó)規(guī)范桿塔構(gòu)件可靠度進(jìn)行了分析，認(rèn)為桿塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可靠度水平基本可以達(dá)到目標(biāo)可靠度要求。

以上研究為后續(xù)開(kāi)展桿塔結(jié)構(gòu)可靠度分析計(jì)算提供了重要參考和借鑒，但研究大都是基于DL∕T 5154—2002 標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展的，由于近10 年輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了多次修訂，荷載及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生了較大變化，其對(duì)桿塔結(jié)構(gòu)可靠度的影響需要做進(jìn)一步評(píng)估。此外，輸電線(xiàn)路氣象荷載重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)、荷載效應(yīng)比等對(duì)桿塔結(jié)構(gòu)可靠度的綜合影響還需進(jìn)行深入分析。

本文依 據(jù)DL∕T 5154—2012［5］、DL∕T 5551—2018［14］等現(xiàn)行輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范，分析了大風(fēng)、覆冰荷載重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)取值，采用JC 法計(jì)算了大風(fēng)工況和風(fēng)冰組合工況下輸電線(xiàn)路桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)，得到了荷載效應(yīng)比、荷載重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)對(duì)桿塔構(gòu)件可靠指標(biāo)的影響規(guī)律，提出了特高壓等重要輸電線(xiàn)路風(fēng)冰荷載重現(xiàn)期取值建議。

1 風(fēng)、冰荷載重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)

1.1 荷載重現(xiàn)期

風(fēng)速、覆冰厚度的重現(xiàn)期對(duì)大風(fēng)、覆冰荷載荷載取值具有重要影響。風(fēng)、冰荷載重現(xiàn)期越長(zhǎng)，設(shè)計(jì)風(fēng)速和覆冰厚度越大，桿塔抗風(fēng)、抗冰能力就越強(qiáng)，但桿塔重量也越重，工程投資也會(huì)相應(yīng)增加。因此，合理確定大風(fēng)、覆冰荷載的重現(xiàn)期對(duì)輸電線(xiàn)路安全運(yùn)行和降低工程造價(jià)具有十分重要的意義。

2019 年頒布實(shí)施的DL∕T 5551—2018《架空輸電線(xiàn)路荷載規(guī)范》［14］3.02節(jié)規(guī)定，架空輸電線(xiàn)路的設(shè)計(jì)氣象條件根據(jù)電壓等級(jí)和線(xiàn)路重要性分別取100 年、50 年和30 年；混壓同塔多回路宜按最高電壓等級(jí)確定重現(xiàn)期。GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［15］中規(guī)定風(fēng)雪（冰）荷載基本值的重現(xiàn)期為50 年一遇；同時(shí)規(guī)定，對(duì)于高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)以及對(duì)風(fēng)荷載比較敏感的其他結(jié)構(gòu)，基本風(fēng)壓或基本雪壓應(yīng)適當(dāng)提高。

對(duì)應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類(lèi)可靠度水平的輸電線(xiàn)路，IEC 標(biāo)準(zhǔn)最大設(shè)計(jì)風(fēng)速和覆冰厚度的重現(xiàn)期分別為50 年、150 年、500 年。230 kV 以上輸電線(xiàn)路宜取Ⅱ類(lèi)（150 年一遇）可靠性水平，對(duì)于主干電網(wǎng)或供給特殊負(fù)荷的唯一電源線(xiàn)路，應(yīng)取Ⅲ類(lèi)（500年一遇）可靠性水平。

美國(guó)ASCE 規(guī)范［1］中對(duì)應(yīng)不同可靠度水平的重現(xiàn)期分別取50 年、100 年、200 年、400 年，而且只有臨時(shí)線(xiàn)路的重現(xiàn)期小于50 年。英國(guó)、日本、加拿大等許多國(guó)家大風(fēng)風(fēng)速和覆冰厚度的重現(xiàn)期多取為50年。

各國(guó)（組織）規(guī)范均認(rèn)為風(fēng)速及覆冰厚度的年最大值符合極值I型概率分布，重現(xiàn)期為T(mén)的最大風(fēng)速或最大覆冰厚度xR可按下式確定：

式中：u分布的位置函數(shù)，即其分布的眾值；α為分布的尺度函數(shù)為樣本均值；C1、C2為與樣本均值和方差相關(guān)的系數(shù)；νx為變異系數(shù)。

1.2 荷載重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)

1.2.1 風(fēng)速及風(fēng)壓調(diào)整系數(shù)

不同重現(xiàn)期的大風(fēng)風(fēng)速換算是較為復(fù)雜的問(wèn)題，不同地點(diǎn)、不同大風(fēng)樣本，可能會(huì)有不同的換算關(guān)系。不同重現(xiàn)期風(fēng)速與平均風(fēng)速的取值有統(tǒng)計(jì)關(guān)系，可以根據(jù)極值Ⅰ型分布采用式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算。下面以50 年重現(xiàn)期為基準(zhǔn)，分別按照中國(guó)、IEC 和ASCE 規(guī)范方法計(jì)算其他重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的風(fēng)速及風(fēng)壓調(diào)整系數(shù)。

中國(guó)規(guī)范規(guī)定，根據(jù)工程途經(jīng)地區(qū)各氣象臺(tái)站不同重現(xiàn)期的統(tǒng)計(jì)風(fēng)速，變異系數(shù)νx取0.20，按照耿貝爾法計(jì)算大風(fēng)風(fēng)速及風(fēng)壓的重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 中國(guó)規(guī)范風(fēng)速及風(fēng)壓調(diào)整系數(shù)Table 1 Factors to adjust wind speed and wind pressure in Chinese standard

IEC 標(biāo)準(zhǔn)的參考風(fēng)速VT是根據(jù)年平均最大風(fēng)速和統(tǒng)計(jì)風(fēng)速的變異系數(shù)νx決定的，其風(fēng)速統(tǒng)計(jì)方法與中國(guó)一致。不同變異系數(shù)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速換算關(guān)系見(jiàn)表2。由表2 可知，IEC 標(biāo)準(zhǔn)采用變異系數(shù)νx取0.16時(shí)的風(fēng)速調(diào)整系數(shù)，即150年和500年重現(xiàn)期大風(fēng)風(fēng)速分別是50 年大風(fēng)風(fēng)速的1.1 倍和1.2倍。ASCE規(guī)范風(fēng)速及風(fēng)壓的重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)見(jiàn)表3，表中調(diào)整系數(shù)對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)νx為0.18。

表2 IEC標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速調(diào)整系數(shù)Table 2 Factors to adjust wind speed in IEC standard

表3 ASCE規(guī)范風(fēng)速及風(fēng)壓調(diào)整系數(shù)Table 3 Factors to adjust wind speed and wind pressure in ASCE standard

1.2.2 覆冰厚度及冰重調(diào)整系數(shù)

GB 50009—2012［15］規(guī)定，覆冰厚度重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)與風(fēng)速重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)相同。IEC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，任意重現(xiàn)期的覆冰厚度或冰重，可以用50 年重現(xiàn)期的覆冰厚度或冰重參考值分別乘以重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)γTit或γTiw得到。IEC 標(biāo)準(zhǔn)和ASCE 規(guī)范不同重現(xiàn)期的覆冰厚度（冰重）調(diào)整系數(shù)見(jiàn)表4 和表5，覆冰同時(shí)風(fēng)速的重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)均取1.0。

表4 IEC標(biāo)準(zhǔn)覆冰厚度及冰重調(diào)整系數(shù)Table 4 Factors to adjust ice thickness and ice weight in IEC standard

表5 ASCE規(guī)范覆冰厚度調(diào)整系數(shù)Table 5 Factors to adjust ice thickness and ice weight in ASCE standard

2 JC法計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠度的基本理論

當(dāng)基本變量X 中含有非正態(tài)隨機(jī)變量時(shí)，首先要進(jìn)行當(dāng)量正態(tài)化。設(shè)X中的Xi為非正態(tài)隨機(jī)變量，其均值和方差分別為概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)為別為為與Xi對(duì)應(yīng)的當(dāng)量正態(tài)化變量，其均值和方差分別為

JC 法是采用當(dāng)量正態(tài)化的驗(yàn)算點(diǎn)法，其迭代計(jì)算步驟為：①假定初始驗(yàn)算點(diǎn)x*，一般可取x*=μX；②對(duì)非正態(tài)分布變量Xi，分別采用式（3）和式（4）計(jì)算（3）采用式（5）計(jì)算cosθXi；④采用式（6）計(jì)算β；⑤采用式（7）計(jì)算新的x*；⑥以新的x*重復(fù)步驟②至⑤，直至前后兩次計(jì)算‖ x*‖之差小于給定的容差ε。

式中：β 為可靠指標(biāo)；g（x）為結(jié)構(gòu)功能函數(shù)；cosθXi為變量Xi的靈敏度系數(shù)。

3 不同重現(xiàn)期的桿塔結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)分析

考慮永久荷載與風(fēng)荷載組合、永久荷載與風(fēng)荷載和覆冰荷載組合2 種情況。輸電線(xiàn)路桿塔構(gòu)件可能由受壓穩(wěn)定或受拉強(qiáng)度控制，構(gòu)件軸心受壓穩(wěn)定時(shí)的分析除抗力統(tǒng)計(jì)參數(shù)與軸心受力構(gòu)件不同外，功能函數(shù)、荷載效應(yīng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差均相同。根據(jù)第2 節(jié)所述JC 法的基本理論，編制了輸電線(xiàn)路桿塔構(gòu)件可靠度計(jì)算的MATLAB 程序［16］，容差ε=1×10-8。下面以軸心受壓穩(wěn)定情況為例說(shuō)明桿塔構(gòu)件可靠指標(biāo)β的計(jì)算過(guò)程。

3.1 永久荷載與風(fēng)荷載組合

永久荷載與風(fēng)荷載組合作用下（簡(jiǎn)稱(chēng)“大風(fēng)工況”），輸電線(xiàn)路桿塔構(gòu)件軸心受壓時(shí)的功能函數(shù)為

式中：R為構(gòu)件抗力；SG為永久荷載產(chǎn)生的軸力；SW為風(fēng)荷載產(chǎn)生的軸力。

永久荷載效應(yīng)SG和風(fēng)荷載效應(yīng)SW的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為分別為永久荷載效應(yīng)、風(fēng)荷載效應(yīng)的均值系數(shù)和變異系數(shù)；ρW為風(fēng)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值與永久荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值的比值，稱(chēng)為“風(fēng)荷載效應(yīng)比”，ρW一般為4～8。

大風(fēng)工況下桿塔構(gòu)件抗力R的均值為

式中：kR為輸電線(xiàn)路桿塔構(gòu)件抗力的均值系數(shù)；為抗力分項(xiàng)系數(shù)，fk為鋼材強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，fd為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，GB 50017—2003 規(guī)定Q235鋼γR=1.087，Q345、Q390 和Q420 鋼γR=1.111；γ0為桿塔結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；γG為永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.2；γW為可變荷載（風(fēng)荷載）分項(xiàng)系數(shù)，取1.4；ψ為可變荷載組合系數(shù)，大風(fēng)、覆冰等正常運(yùn)行工況取1.0；γTW為風(fēng)荷載重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)，50年重現(xiàn)期γTW=1.0，100 年重現(xiàn)期γTW=1.145；根 據(jù)GB 50545—2010［4］規(guī)定，βC為線(xiàn)條風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，500 kV 及以上電壓等級(jí)輸電線(xiàn)路根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)速大小取1.00～1.30；ρC為線(xiàn)條風(fēng)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值與風(fēng)荷載總效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值的比值，一般取0.5～0.8。

3.2 永久荷載與風(fēng)荷載和覆冰荷載組合

永久荷載與風(fēng)荷載和覆冰荷載組合作用下（簡(jiǎn)稱(chēng)“風(fēng)冰組合工況”），輸電線(xiàn)路桿塔構(gòu)件軸心受壓時(shí)的功能函數(shù)為

式中：SI為覆冰荷載產(chǎn)生的軸力；其他參數(shù)同式（8）。

覆冰荷載效應(yīng)SI的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為為覆冰荷載效應(yīng)的均值系數(shù)和變異系數(shù)；覆冰同時(shí)風(fēng)速一般小于10 m∕s，是大風(fēng)工況設(shè)計(jì)風(fēng)速的1∕3～1∕2、大風(fēng)荷載的1∕9～1∕4，因此ρW一般為0.5～2.0；ρI為覆冰荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值與永久荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值的比值，稱(chēng)為“覆冰荷載效應(yīng)比”，ρI一般為0.5～2.5；其他參數(shù)同3.1節(jié)。

風(fēng)冰組合工況下桿塔構(gòu)件抗力R的均值為

式中：γTI為覆冰荷載重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)，取值按照覆冰厚度與覆冰荷載的近似對(duì)應(yīng)關(guān)系確定；其他參數(shù)說(shuō)明及取值同式（9）。

與覆冰厚度相關(guān)的覆冰荷載包括覆冰自重荷載、不均勻覆冰荷載和覆冰斷線(xiàn)荷載等，設(shè)計(jì)覆冰厚度隨重現(xiàn)期的增加而增加，相應(yīng)的覆冰設(shè)計(jì)荷載也逐漸增大。由于缺乏實(shí)測(cè)覆冰厚度數(shù)據(jù)，中國(guó)規(guī)范只針對(duì)不同電壓等級(jí)輸電線(xiàn)路規(guī)定了大風(fēng)、覆冰的荷載重現(xiàn)期，不同設(shè)計(jì)覆冰厚度的覆冰區(qū)規(guī)定了斷線(xiàn)張力和不均勻覆冰不平衡張力。斷線(xiàn)張力和不均勻覆冰不平衡張力與桿塔構(gòu)件荷載效應(yīng)大致呈線(xiàn)性關(guān)系，下面由不同冰區(qū)的覆冰荷載標(biāo)準(zhǔn)值，反推重現(xiàn)期覆冰厚度與覆冰荷載調(diào)整系數(shù)的關(guān)系。下面以DL∕T 5154—2012 規(guī)定的重冰區(qū)導(dǎo)地線(xiàn)斷線(xiàn)張力為例（表6），分析重現(xiàn)期覆冰厚度與覆冰荷載調(diào)整系數(shù)的關(guān)系。

表6 覆冰區(qū)斷線(xiàn)張力百分比Table 6 Breaking tension percent in icing areas %

由于中國(guó)規(guī)范沒(méi)有明確給出不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)覆冰厚度的換算關(guān)系，根據(jù)表5所示的ASCE規(guī)范關(guān)于重現(xiàn)期覆冰厚度的調(diào)整系數(shù)取值，以50 年重現(xiàn)期覆冰厚度t50=20 mm 為基準(zhǔn)，100 年重現(xiàn)期覆冰厚度的調(diào)整系數(shù)γTit為1.25，計(jì)算得到t100=25 mm。由于輸電線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)最大使用張力為一定值，斷線(xiàn)張力和不均勻覆冰不平衡張力一般采用最大使用張力的百分?jǐn)?shù)表示。斷線(xiàn)張力等覆冰設(shè)計(jì)控制荷載并不是與覆冰厚度增大而呈線(xiàn)性增加關(guān)系。相對(duì)于50 年重現(xiàn)期覆冰厚度，100 年重現(xiàn)期覆冰厚度的斷線(xiàn)張力荷載調(diào)整系數(shù)為

按此方法，可以得到t50=20 mm、30 mm、40 mm時(shí)，100 年重現(xiàn)期覆冰厚度相對(duì)于50 年重現(xiàn)期覆冰厚度的斷線(xiàn)張力荷載調(diào)整系數(shù)γTI，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 斷線(xiàn)張力重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)Table 7 Factors to adjust breaking tension from 100-year return period to 50-year return period

不均勻覆冰不平衡張力等覆冰荷載重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)的計(jì)算方法與斷線(xiàn)張力類(lèi)似，此處不再詳述。

3.3 荷載效應(yīng)比的取值說(shuō)明

由于輸電線(xiàn)路可變荷載與永久荷載的變異性不同，故在桿塔構(gòu)件的可靠度計(jì)算中，需考慮不同荷載效應(yīng)比（ρW、ρI、ρC）的影響。

（1）大風(fēng)工況下的荷載效應(yīng)比。取ρW=4.0、5.0、6.0、7.0、8.0，并取線(xiàn)條風(fēng)荷載效應(yīng)與風(fēng)荷載總效應(yīng)的比值ρC=0.5、0.6、0.7和0.8。

（2）風(fēng)冰組合工況下的荷載效應(yīng)比。考慮風(fēng)、冰荷載參與組合時(shí)，要同時(shí)考慮覆冰荷載與永久荷載的效應(yīng)比值ρI以及風(fēng)荷載與永久荷載的效應(yīng)比值ρW。桿塔構(gòu)件可靠指標(biāo)計(jì)算時(shí)取ρW=0.5、1.0、1.5、2.0，ρI=0.5、1.0、1.5、2.0、2.5；線(xiàn)條風(fēng)荷載效應(yīng)與風(fēng)荷載總效應(yīng)的比值ρC=0.6。

3.4 桿塔構(gòu)件可靠指標(biāo)影響分析

根據(jù)3.1～3.3 節(jié)的分析結(jié)果，確定大風(fēng)工況和風(fēng)冰組合工況下，計(jì)算輸電線(xiàn)路桿塔構(gòu)件可靠指標(biāo)的相關(guān)參數(shù)及取值，詳見(jiàn)表8。

對(duì)應(yīng)50 年、100 年重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)風(fēng)速和設(shè)計(jì)覆冰厚度，按照表8 所列參數(shù)取值，計(jì)算得到了材質(zhì)為Q235、Q345 軸心受拉和軸心受壓穩(wěn)定控制桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)β，共1 280 種計(jì)算情況。大風(fēng)工況下，50 年重現(xiàn)期、材質(zhì)Q235 和100 年重現(xiàn)期、材質(zhì)Q345的軸心受壓構(gòu)件可靠指標(biāo)曲面云圖如圖1所示。風(fēng)冰組合工況下，50年重現(xiàn)期、材質(zhì)Q235和100年重現(xiàn)期、材質(zhì)Q345的軸心受拉構(gòu)件可靠指標(biāo)曲面云圖如圖2 所示。由圖1 和圖2 可以看出，桿塔構(gòu)件可靠指標(biāo)β 隨線(xiàn)條風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βc的增大而增大，其中βc對(duì)大風(fēng)工況下可靠指標(biāo)的影響比風(fēng)冰組合工況更為明顯；大風(fēng)工況和風(fēng)冰組合工況下，βc=1.3的可靠指標(biāo)比βc=1.0時(shí)分別增大約15%和8%。由式（9）可知，βc=1.0 時(shí)，ρC的取值變化對(duì)桿塔結(jié)構(gòu)桿件可靠指標(biāo)β 無(wú)影響，因而圖1中對(duì)應(yīng)的可靠指標(biāo)曲面為一平面。

表8 桿塔構(gòu)件可靠指標(biāo)計(jì)算相關(guān)參數(shù)及取值Table 8 Parameters for calculating the reliability indexes of transmission tower members

大風(fēng)工況下，風(fēng)荷載效應(yīng)比ρW和線(xiàn)條風(fēng)荷載效應(yīng)比ρC變化對(duì)可靠指標(biāo)β影響不大，可靠指標(biāo)β隨風(fēng)荷載效應(yīng)比ρW的增大略有降低，隨線(xiàn)條風(fēng)荷載效應(yīng)比ρC的增大略有增大。風(fēng)冰組合工況下，可靠指標(biāo)β 隨風(fēng)荷載效應(yīng)比ρW的增大略有降低；覆冰荷載效應(yīng)比ρI對(duì)可靠指標(biāo)β 的影響較為明顯，隨ρI增大β 逐漸減小，最大降低幅度達(dá)到30%以上。

大風(fēng)工況和風(fēng)冰組合工況下，桿塔構(gòu)件100年重現(xiàn)期和50 年重現(xiàn)期的可靠指標(biāo)β100、β50及相對(duì)差值百分比見(jiàn)表9。DL∕T 5551—2018 規(guī)定特高壓輸電線(xiàn)路的氣象條件重現(xiàn)期為100 年，基本設(shè)計(jì)風(fēng)速最小值為27 m∕s，因而線(xiàn)條風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βc≥1.2。由表9 可知，大風(fēng)工況下，當(dāng)風(fēng)荷載重現(xiàn)期為100 年、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1、線(xiàn)條風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βc≥1.2 時(shí)，Q235、Q345 構(gòu)件可靠指標(biāo)β100的 平 均 值 范 圍 為3.95～4.29，達(dá) 到 了GB 50068—2001［17］規(guī)定的Ⅰ級(jí)延性破壞結(jié)構(gòu)構(gòu)件目標(biāo)可靠指標(biāo)β≥3.7 的要求。風(fēng)冰組合工況下，當(dāng)風(fēng)、冰荷載重現(xiàn)期為100 年（覆冰荷載調(diào)整系數(shù)γTI=1.045）、γ0=1.1、βc≥1.2時(shí)，Q235、Q345構(gòu)件可靠指標(biāo)β100的平均值范圍為3.43～3.71，部分可靠指標(biāo)計(jì)算值與β=3.7 相比最大相差7.3%。需要說(shuō)明的是，風(fēng)冰組合工況下β100=3.43～3.71 的計(jì)算值是基于γTI=1.045 得到的。實(shí)際特高壓工程中γTI的取值一般高于1.045，以γTI=1.2、βc=1.3 為例，Q235材質(zhì)桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)均值β100=3.72。

圖1 大風(fēng)工況軸心受壓桿件可靠指標(biāo)Fig.1 Reliability index for axial compression transmission tower members under wind load case

圖2 風(fēng)冰組合工況軸心受拉桿件可靠指標(biāo)Fig.2 Reliability index for axial tension transmission tower members under wind-ice combination load case

大風(fēng)工況和風(fēng)冰組合工況下，桿塔構(gòu)件100年重現(xiàn)期可靠指標(biāo)β100相比50 年重現(xiàn)期可靠指標(biāo)β50，平均值分別提高約25.7%和25.5%。由此可見(jiàn)，在提高輸電線(xiàn)路氣象荷載重現(xiàn)期的同時(shí)，桿塔構(gòu)件的可靠度水平也得到了相應(yīng)提高。結(jié)合我國(guó)輸電線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，對(duì)于特高壓、大跨越等重要輸電線(xiàn)路，風(fēng)荷載和覆冰荷載的重現(xiàn)期取100年較為合理。

表9 50年和100年重現(xiàn)期桿塔構(gòu)件可靠指標(biāo)對(duì)比Table 9 Comparison on the reliability indexes of transmission tower members for 50-year and 100-year return period

4 結(jié) 論

本文考慮永久荷載與風(fēng)荷載組合、永久荷載與風(fēng)荷載和覆冰荷載組合2 種工況，結(jié)合現(xiàn)行輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范分析了風(fēng)冰荷載重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)取值，采用JC 法計(jì)算了1 280 種情況下輸電線(xiàn)路桿塔構(gòu)件的可靠指標(biāo)，分析了荷載效應(yīng)比、荷載重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)、桿件受力類(lèi)型等參數(shù)的綜合影響，主要結(jié)論如下：

（1）桿塔構(gòu)件可靠指標(biāo)β 隨線(xiàn)條風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βc的增大而增大，其中βc對(duì)大風(fēng)工況下可靠指標(biāo)的影響比風(fēng)冰組合工況更為明顯。風(fēng)冰組合工況下，可靠指標(biāo)β 隨風(fēng)荷載效應(yīng)比ρW的增大略有降低；覆冰荷載效應(yīng)比ρI對(duì)可靠指標(biāo)β 的影響較為明顯，隨ρI增大β 逐漸減小，最大降低幅度達(dá)到30%以上。

（2）大風(fēng)工況下，T=100 年、γ0=1.1、βc≥1.2 時(shí)，Q235、Q345 受拉構(gòu)件或受壓構(gòu)件可靠指標(biāo)β100的平均值范圍為3.95～4.29，達(dá)到了GB 50068—2001規(guī)定的目標(biāo)可靠指標(biāo)β≥3.7 的要求。風(fēng)冰組合工況下，T=100 年、覆冰荷載調(diào)整系數(shù)γTI=1.045、γ0=1.1、βc≥1.2 時(shí)，Q235、Q345 構(gòu)件可靠指標(biāo)β100的平均值范圍為3.43～3.71，部分可靠指標(biāo)計(jì)算值與β=3.7相比最大相差7.3%。

（3）大風(fēng)工況和風(fēng)冰組合工況下，桿塔構(gòu)件100 年重現(xiàn)期可靠指標(biāo)β100相比50 年重現(xiàn)期可靠指標(biāo)β50，平均值分別提高約25.7%和25.5%，建議特高壓、大跨越等重要輸電線(xiàn)路的風(fēng)荷載和覆冰荷載重現(xiàn)期取100年。