新輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)桿塔設(shè)計(jì)的影響性分析

汪楚清，王輝

(1.寧夏回族自治區(qū)電力設(shè)計(jì)院有限公司，寧夏 銀川 750004；2.北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

基于當(dāng)時(shí)的認(rèn)知水平與電網(wǎng)安全可靠性需求，我國(guó)的《110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50545—2010)[1]已不滿(mǎn)足當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，也不利于我國(guó)的電網(wǎng)基建技術(shù)走向國(guó)外。新修訂的《架空輸電線路電氣設(shè)計(jì)規(guī)程》(DL/T 5582—2020)[2]、《架空輸電線路荷載規(guī)范》(DL/T 5551—2018)[3]和《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5486—2020)[4]則共同構(gòu)成了輸電線路行業(yè)新的主體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)框架。根據(jù)國(guó)網(wǎng)基建部相關(guān)要求，線路工程均需按新規(guī)范開(kāi)展設(shè)計(jì)和校核工作。但目前關(guān)于新規(guī)范對(duì)桿塔結(jié)構(gòu)的影響分析較少，如李鑫等[5]、李敏生等[6]、徐彬等[7]對(duì)國(guó)內(nèi)外鐵塔風(fēng)荷載的計(jì)算原理進(jìn)行了對(duì)比分析，趙崢等[8]對(duì)新版荷載規(guī)范的主要修編內(nèi)容作了淺略解析，趙勇等[9]研究發(fā)現(xiàn)新版荷載規(guī)范計(jì)算出的風(fēng)荷載要高于原規(guī)范，吳海洋等[10]探討了新規(guī)范中的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)取值是否合理的問(wèn)題。為此，調(diào)取了寧夏“十四五”規(guī)劃擬開(kāi)展的工程計(jì)劃，以寧夏35～330 kV輸電線路工程常用的桿塔通用設(shè)計(jì)模塊為分析樣本，研究新規(guī)范對(duì)桿塔方面的影響，以期為未來(lái)工程的順利實(shí)施提供理論依據(jù)。

1 新規(guī)范修訂要點(diǎn)

1.1 《架空輸電線路荷載規(guī)范》(DL/T 5551—2018)

此規(guī)范主要對(duì)各架空輸電線路的線條風(fēng)荷載、桿塔風(fēng)荷載等內(nèi)容進(jìn)行了修訂。

1.1.1 線條風(fēng)荷載

相比舊規(guī)范，新規(guī)范在線條風(fēng)荷載計(jì)算中全面引入風(fēng)工程理論，將舊規(guī)范中的風(fēng)壓不均勻系數(shù)與風(fēng)速脫鉤，將導(dǎo)地線風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)與風(fēng)速和電壓等級(jí)脫鉤，轉(zhuǎn)而建立兩者與導(dǎo)線水平檔距、保證率和湍流度之間的關(guān)系，并分別改稱(chēng)為檔距折減系數(shù)αL和導(dǎo)地線陣風(fēng)系數(shù)βC。新規(guī)范中的導(dǎo)線、地線及跳線風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算方法見(jiàn)式(1)—式(6)：

WX=βC·αL·W0·μZ·μSC·d·LP·B1·sin2θ

(1)

βC=γC(1+2g·IZ)

(2)

(3)

(4)

(5)

W0=V02/1600

(6)

式中:WX—風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；

βC—導(dǎo)地線陣風(fēng)系數(shù)；

αL—檔距折減系數(shù)；

W0—基準(zhǔn)風(fēng)壓；

μZ—風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

μSC—導(dǎo)線或地線的體型系數(shù)；

d—導(dǎo)線或地線的外徑或覆冰時(shí)的計(jì)算外徑；

LP—桿塔的水平檔距；

B1—導(dǎo)地線覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)；

θ—風(fēng)向與導(dǎo)線或地線方向之間的夾角；

γC—導(dǎo)地線風(fēng)荷載折減系數(shù)，取0.9；

g—峰值因子，取2.5；

IZ—導(dǎo)線平均高z處的湍流強(qiáng)度；

I10—10 m高度名義湍流強(qiáng)度；

z—導(dǎo)地線平均高度；

α—地面粗糙度指數(shù)；

εc—導(dǎo)地線風(fēng)荷載脈動(dòng)折減系數(shù)；

δL—檔距相關(guān)性積分因子；

LX—水平向相關(guān)函數(shù)的積分長(zhǎng)度；

e—自然常數(shù)；

V0—基本風(fēng)速。

1.1.2 桿塔風(fēng)荷載

與舊規(guī)范相比，新規(guī)范在計(jì)算桿塔風(fēng)振系數(shù)時(shí)采用團(tuán)集質(zhì)量法，與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)保持一致。采用團(tuán)集質(zhì)量法的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：βzi—第i點(diǎn)的順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)；

mi、Ai、φ1i、μsi、μzi—第i點(diǎn)的質(zhì)量、面積、一階振型系數(shù)、體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

εt—脈動(dòng)折減系數(shù)；

I10—10 m高處湍流度；

α—地面粗糙度指數(shù)；

g—峰值因子。

脈動(dòng)風(fēng)豎向相干函數(shù)cohz(zj,zj')采用由Shiotani提出的與頻率無(wú)關(guān)的簡(jiǎn)化公式：

(12)

1.2 《架空輸電線路電氣設(shè)計(jì)規(guī)程》(DL/T 5582—2020)

此規(guī)范主要是對(duì)風(fēng)偏角計(jì)算、絕緣配合要求等進(jìn)行了修訂。

1.2.1 風(fēng)偏角的計(jì)算

引入了荷載規(guī)范的計(jì)算方法，并結(jié)合風(fēng)偏放電的物理特點(diǎn)進(jìn)行系數(shù)調(diào)整。與導(dǎo)地線線條荷載計(jì)算相比，導(dǎo)地線間隙風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)僅與導(dǎo)地線、跳線相關(guān)，而與鐵塔無(wú)關(guān)，εc不考慮折減，同時(shí)電氣響應(yīng)遠(yuǎn)較結(jié)構(gòu)響應(yīng)敏感，g取3.6。相比舊規(guī)范，新規(guī)范在絕緣子風(fēng)偏計(jì)算中引入順風(fēng)向絕緣子風(fēng)荷載屏蔽折減系數(shù)，此系數(shù)只與串型和串?dāng)?shù)有關(guān)。

1.2.2 絕緣配合要求

此規(guī)范對(duì)海拔高度超過(guò)1000 m地區(qū)懸垂絕緣子串片數(shù)的修正計(jì)算式做了調(diào)整，計(jì)算公式如下：

nH=nem1(H-1000)/8150

(13)

1.3 《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5486—2020)

此規(guī)范主要是對(duì)材料強(qiáng)度指標(biāo)、軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算公式、軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度折減系數(shù)、交叉斜材計(jì)算長(zhǎng)度、軸心受力構(gòu)件的寬厚比限值等內(nèi)容進(jìn)行了修訂。

1.3.1 材料強(qiáng)度指標(biāo)

鋼材抗力分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)符合表1。

表1 鋼材抗力分項(xiàng)系數(shù)

1.3.2 軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算

軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)符合下列兩式的規(guī)定：

(14)

(15)

式中:N—軸心拉力或軸心壓力設(shè)計(jì)值；

A—構(gòu)件毛截面面積；

An—構(gòu)件凈截面面積；

fy—鋼材的屈服強(qiáng)度；

fu—鋼材的抗拉強(qiáng)度最小值；

γR—鋼材的抗力分項(xiàng)系數(shù)；

η—構(gòu)件強(qiáng)度折減系數(shù)，相比舊規(guī)范，新規(guī)范對(duì)于受拉桿件的強(qiáng)度折減較多。

1.3.3 計(jì)算長(zhǎng)度

對(duì)于按平行軸計(jì)算的主材，新規(guī)范計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)由1.2調(diào)整為1.1。交叉斜材計(jì)算長(zhǎng)度及修正系數(shù)K2調(diào)整為按式(16)計(jì)算。

兩根斜材一拉一壓時(shí)：

(16)

兩根斜材同時(shí)受壓時(shí)：

(17)

式中：N—計(jì)算桿的內(nèi)力；

N0—相交另一桿的內(nèi)力。

1.3.4 軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算

新規(guī)范對(duì)軸心受壓構(gòu)件的寬厚比限值進(jìn)行了調(diào)整：

(18)

式中：w—翼緣自由外伸寬度；

t—厚度；

φ—軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ分a類(lèi)、b類(lèi)，軸心受壓鋼構(gòu)件的截面分為a類(lèi)、a*類(lèi)和b類(lèi)；

fy—鋼材的屈服強(qiáng)度。

1.4 小 結(jié)

可以看出，此次規(guī)范的修訂實(shí)質(zhì)是對(duì)輸電線路的可靠度水平進(jìn)行了調(diào)整，最終落腳點(diǎn)體現(xiàn)在了風(fēng)荷載的計(jì)算上，包括風(fēng)偏角風(fēng)荷載、導(dǎo)地線線條風(fēng)荷載和塔身風(fēng)荷載。而在其他方面并無(wú)太多變化，僅是結(jié)合多年的工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)某些問(wèn)題進(jìn)行了明確或做了整合。

2 新舊規(guī)范荷載計(jì)算的差異性分析

2.1 風(fēng)偏角風(fēng)荷載

由于風(fēng)偏角荷載計(jì)算公式調(diào)整較大，尤其是對(duì)27～31 m/s風(fēng)速區(qū)間影響最大，以220 kV在大風(fēng)工況下的搖擺角計(jì)算為例，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2看出，按新規(guī)范計(jì)算出的搖擺角普遍比舊規(guī)范要大1°～2°，同時(shí)由于絕緣配合的變化，導(dǎo)致塔頭尺寸會(huì)有所增加。

表2 導(dǎo)地線風(fēng)偏計(jì)算

2.2 導(dǎo)地線線條風(fēng)荷載

選取βCαLμZ計(jì)為考察基準(zhǔn)，分別計(jì)算了典型110 kV和220 kV的線條風(fēng)荷載，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 線條風(fēng)荷載計(jì)算

可見(jiàn)，新規(guī)范對(duì)導(dǎo)地線線條風(fēng)荷載的計(jì)算較原規(guī)范有很大程度的增加，算例表明增幅在15%以上。

2.3 塔身風(fēng)荷載

選取加權(quán)平均后的桿塔風(fēng)振系數(shù)βz(90°風(fēng)向)計(jì)為考察基準(zhǔn)，分別計(jì)算了典型110 kV、220 kV和330 kV的塔身風(fēng)荷載,見(jiàn)表4。

表4 塔身風(fēng)荷載計(jì)算

可見(jiàn)，新規(guī)范對(duì)塔身風(fēng)荷載的計(jì)算較原規(guī)范有很大程度的增加，算例表明增幅在20%左右。

2.4 風(fēng)荷載的影響

通過(guò)以上分析得出新規(guī)范引起35～330 kV線路桿塔的搖擺角略有增大，導(dǎo)地線線條風(fēng)荷載和塔身風(fēng)荷載也有所增加。需要指出的是輸電塔結(jié)構(gòu)是空間桁架體系，并不意味著風(fēng)荷載水平的增加會(huì)影響桿塔結(jié)構(gòu)的承載力，其結(jié)構(gòu)的承載力還要受導(dǎo)地線張力和自重的影響，風(fēng)荷載只占其中一部分。隨著電壓等級(jí)的增加，由于大截面和多分裂導(dǎo)地線的使用，反而風(fēng)荷載對(duì)桿塔結(jié)構(gòu)的影響程度會(huì)減弱。

3 新規(guī)范對(duì)桿塔設(shè)計(jì)的影響

收集了寧夏“十四五”規(guī)劃期間35～330 kV輸電線路工程，以常用的桿塔通用設(shè)計(jì)模塊為分析樣本，塔型共計(jì)139個(gè)。

3.1 桿塔校核分析

桿塔校核主要包括塔頭間隙和承載力校核兩方面，校核結(jié)果(見(jiàn)表5)表明，塔頭間隙不合格率約為90%，桿塔綜合不合格率約為93%。

表5 桿塔校核結(jié)果

3.2 塔重和基礎(chǔ)作用力分析

由于樣本數(shù)據(jù)量較大，僅列出部分具有代表性的塔型，表6和表7分別表明新規(guī)范引起塔重約增加3%～10%，基礎(chǔ)作用力平均增大20%以上。由于鐵塔和基礎(chǔ)在輸電線路本體造價(jià)中占比很大，必須在工程建設(shè)中考慮其帶來(lái)的影響。

表6 塔重影響性分析

表7 基礎(chǔ)作用力影響性分析

4 結(jié) 論

綜上所述，本次新規(guī)范的修訂內(nèi)容較多，對(duì)35 ～330 kV桿塔的影響很大，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)電氣規(guī)程將引起風(fēng)偏角普遍增大1°～2°，再考慮到絕緣配合的變化，導(dǎo)致原桿塔通用設(shè)計(jì)塔頭間隙普遍不滿(mǎn)足新規(guī)程要求，不合格率達(dá)到90%以上，僅有部分耐張塔電氣間隙滿(mǎn)足要求。

(2)荷載規(guī)范將引起導(dǎo)地線線條風(fēng)荷載增大15%以上，引起塔身風(fēng)荷載增大20%以上，這一變化將引起塔重和基礎(chǔ)作用力的增加。

(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程將引起部分桿件強(qiáng)度不夠，尤其是單顆螺栓連接的斜材和輔材。

(4)新規(guī)范綜合將引起原典設(shè)塔重增加3%～10%，基礎(chǔ)作用力增加20%以上，這將導(dǎo)致工程量的增加。在基建前期階段應(yīng)考慮規(guī)范修訂帶來(lái)的影響，尤其是在工期和綜合造價(jià)方面，建議加強(qiáng)工程的全過(guò)程管理工作。