《架空輸電線路荷載規范》對500 kV線路桿塔的影響分析

王金龍，蒙春玲

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

風荷載是輸電線路桿塔的主要承受荷載之一，在懸垂塔中的影響比重占60%左右，在耐張塔中的影響比重占30%左右。因此輸電線路桿塔風荷載計算尤為重要，研究規范修訂對桿塔的影響具有重要意義。

DL/T 5551—2018《架空輸電線路荷載規范》[1](以下簡稱《荷載規范》)于2018年底發布，2019年5月1日實施。《荷載規范》總結了我國輸電線路荷載設計經驗，經過調查研究、計算分析，參考有關國外標準，整合了既有標準中的荷載部分，對部分荷載內容進行了修訂，對桿塔和導地線風荷載中的多個參數進行了重新定義。本文通過比較《荷載規范》與GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》[2](以下簡稱《線路規范》)差異，以2011版通用設計桿塔5A2-ZBC2和5A2-JC2為例，分析了導地線風荷載計算公式修訂前后參數變化及其對風荷載和比載的影響，給出了桿塔風振系數計算調整前后該系數取值的變化，最后綜合分析了《荷載規范》修訂對500kV線路塔重的影響。

1 電氣荷載差異

1.1 導地線風荷載計算公式的對比

根據《線路規范》第10.1.18條公式：

式中：WX為垂直于導線及地線方向的水平風荷載標準值；α為風壓不均勻系數；βC為導線及地線風荷載調整系數；μZ為風壓高度變化系數；μSC為導線或地線的體型系數；d為導線或地線的外徑或覆冰時的計算外徑；LP為桿塔的水平檔距；B為覆冰時風荷載增大系數；θ為風向與導線或地線方向之間的夾角；W0為基準風壓標準值；V為基準高度為10 m的風速。

本文后續涉及《線路規范》的相同參數，含義與上述說明一致，不再單獨注明。

根據《荷載規范》第6.1.1條公式：

式中：βC為導地線陣風系數；αL為檔距折減系數；B1為導地線覆冰風荷載增大系數；γC為導地線風荷載折減系數；g為峰值因子，取2.5；IZ為導線平均高z處的湍流強度；I10為10 m高度名義湍流強度；z為導地線平均高度，m；α為地面粗糙度指數；εc為導地線風荷載脈動折減系數；δL為檔距相關性積分因子；LX為水平向相關函數的積分長度；V0為基本風速，m/s。e為自然常數，可取2.718 28；其余參數含義同《線路規范》第10.1.18條公式。

本文后續涉及《荷載規范》的相同參數，含義與上述說明一致，不再單獨注明。

《線路規范》中風壓不均勻系數α僅與基準高度為10 m的風速有關，導地線風荷載調整系數βC與基準高度為10 m的風速和電壓等級有關，α和βC取值由風速、電壓等級確定不夠嚴謹；《荷載規范》將α和βC的含義分別調整為檔距折減系數αL和陣風系數βC，調整后參數取值與導地線高度、湍流強度等因素有關，計算更加嚴謹合理。《荷載規范》依據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[3]對風壓高度變化系數μZ的冪指數進行了修訂。

1.2 導地線比載計算公式的對比

根據《線路規范》，導地線比載計算公式如下：

無冰風比載計算：

覆冰風比載計算：

式中：b為冰厚；根據《荷載規范》，導地線比載計算公式如下：

無冰風比載計算：

覆冰風比載計算：

1.3 絕緣子串風荷載計算公式對比

根據《線路規范》第10.1.21條公式：

式中：AI為絕緣子串承受風壓面積計算值；

根據《荷載規范》第6.3.1條公式：

式中：AI為單聯絕緣子串承受風壓面積計算值；n為垂直風向絕緣子聯數；λI為順風向絕緣子串風荷載屏蔽折減系數；μSI為絕緣子串體型系數；B3為絕緣子串覆冰荷載增大系數；

《荷載規范》引入了絕緣子串體型系數和順風向絕緣子串風荷載屏蔽折減系數。

2 桿塔荷載差異

2.1 桿塔風荷載計算公式的對比

根據《線路規范》第10.1.19條公式：

式中：WS為桿塔風荷載標準值；βZ為桿塔風荷載調整系數；μS為構件體型系數；AS為承受風壓的投影面積計算值；B為覆冰時風荷載增大系數。

根據《荷載規范》第6.2.1條公式：

式中：βZ為高度Z處的桿塔風振系數；B2為桿塔構件覆冰風荷載增大系數；AS為迎風面構件的投影面積計算值。

《荷載規范》中桿塔風振系數βZ計算方法有較大的調整，引入團集質量法計算桿塔風振系數。

2.2 角度風荷載對比

對于塔身風荷載，DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》[4](以下簡稱《桿塔規定》)在45°和60°風向時，引入K1塔身風斷面形狀系數，對于單角鋼斷面取1.0，對于組合角鋼斷面取1.1；而《荷載規范》則取消了該系數。對于水平橫擔風荷載，45°時x方向風荷載，《桿塔規定》取值0.4WSC(WSC為風垂直于橫擔正面吹風時，橫擔風荷載標準值)，《荷載規范》取值0.35WSC，減少了0.05WSC；60°時y方向風荷載，《桿塔規定》取值0.7WSC，《荷載規范》取值0.55WSC，減少了0.15WSC；90°時x方向風荷載，《桿塔規定》取值0.4，《荷載規范》取值0.45WSC，增加了0.05WSC。

2.3 安裝及檢修荷載對比

《荷載規范》相對于《線路規范》和《桿塔規定》，對部分附加荷載進行了調整。110 kV跳線附加荷載由1.0 kN調整為1.5 kN；對于500 kV和750 kV，懸垂塔導線附加荷載由4.0 kN調整為4.5 kN，地線附加荷載由2.0 kN調整為3.0 kN，跳線附加荷載2.0 kN調整為4.0 kN；人重荷載由1 kN調整為0.8 kN。

3 計算實例

3.1 設計條件

以2011版通用設計5A2模塊為例，設計風速為29 m/s，覆冰10 mm，導線型號為4×LGJ-400/35，地線型號為JLB20A-150。5A2-ZBC2塔呼高24～48 m，計算呼高42 m，水平檔距為550 m，垂直檔距為750 m。5A2-JC2塔呼高21～30 m，計算呼高30 m，水平檔距為450 m，垂直檔距為800 m，轉角度數20°～40°。

3.2 導地線風荷載計算比較

《荷載規范》將導地線風荷載調整系數修正為導地線陣風系數βC，將風壓不均勻系數修正為檔距折減系數αL。βC由其折減系數、陣風因子、湍流強度確定；αL由峰值因子、導地線脈動風荷載折減系數、湍流強度和檔距相關性積分因子確定。5A2-ZBC2塔調整前后導線風荷載及其相關參數對比見表1所列。

表1 荷載參數對比表

由表1可知，5A2-ZBC2塔規范調整后導線風荷載增大3.3%，無冰風比載減小9.8%，覆冰風比載減小33.3%。

風荷載和比載前后差異主要由風振系數、檔距折減系數、體型系數和風壓高度變化系數影響導致。《線路規范》中風壓不均勻系數α僅與基準高度為10 m的風速有關，導地線風荷載調整系數βC與基準高度為10 m的風速和電壓等級有關；《荷載規范》將其含義調整為檔距折減系數αL和陣風系數βC均與導地線高度、湍流強度等因素有關，計算更加合理。《荷載規范》將風壓高度變化系數μZ的冪指數由0.32修訂為0.30。體型系數規范調整前后取值由1.1(無冰時)、1.2(覆冰時)調整為1.0。

3.3 桿塔風荷載計算比較

《荷載規范》基于結構動力分析和桿塔結構的特點，將桿塔各段分別近似簡化為質點單元進行計算，即團集質量法。根據《線路規范》和《荷載規范》的計算方法，對5A2-ZBC2桿塔風振系數βZ進行計算對比見表2所列。對5A2-JC2桿塔風振系數βZ進行計算對比見表3所列。

表2 5A2-ZBC2風振數對比表

表3 5A2-JC2風振數對比表

5A2-ZBC2桿塔風振系數βZ在塔身塔腿變化在-0.1%～0.2%范圍，曲臂、橫擔及地線支架βZ《荷載規范》較《線路規范》增加0.4%～1.3%。5A2-JC2桿塔風振系數βZ在塔身變坡以下基本無變化，橫擔、地線支架以及橫擔以上塔身的βZ《荷載規范》較《線路規范》增加0.4%～1.1%。由此可以看出，桿塔風振系數βZ計算方法的改變對500 kV桿塔影響很小。

3.4 電氣荷載和桿塔荷載變化對塔重的影響

綜合考慮電氣荷載和桿塔荷載的變化，對5A2-JC2、5A2-ZBC2塔進行計算，計算塔重對比詳見表4所列。

表4 塔重對比表

綜合考慮《荷載規范》和《線路規范》的影響，5A2-JC2塔按《荷載規范》調整后，計算塔重減小0.2%～0.3%；5A2-ZBC2塔按《荷載規范》調整后，計算塔重增加0.1%～0.2%。考慮到桿塔結構分段、統材等因素，施工圖塔重基本不變，《荷載規范》對5A2模塊系列桿塔的塔重影響很小。

4 結論

本文基于《荷載規范》和《線路規范》中電氣荷載和桿塔荷載的差異對比，以5A2-ZBC2和5A2-JC2塔為實例，就《荷載規范》修訂內容進行了分析，得出以下結論：

1)《荷載規范》引入檔距折減系數αL和陣風系數βC均與導地線高度、湍流強度等因素有關，計算導地線風荷載更加合理。5A2-ZBC2塔按《荷載規范》調整后導線風荷載增大3.3%，無冰風比載減小9.8%，覆冰風比載減小33.3%。

2)按團集質量法計算桿塔風振系數βZ對500 kV影響較小，塔身、塔腿基本無變化，直線塔曲臂以上部分、耐張塔橫擔及以上部分較《線路規范》增加0.4%～1.3%。

3)綜合考慮《荷載規范》相對于《線路規范》的變化，5A2-ZBC2計算塔重增加0.1%～0.2%，5A2-JC2計算塔重減少0.2%～0.3%。考慮到桿塔結構分段、統材等因素，施工圖塔重基本不變，《荷載規范》對5A2模塊系列桿塔的塔重影響很小，后續進一步分析《荷載規范》對500 kV其他桿塔的影響。