探討輸電線路桿塔結構風荷載分析

淮北萬里電力規劃設計院有限公司 周 坤

1 風荷載對輸電線路桿塔的影響

1.1 風的速度方向會對桿塔結構產生影響

風作用于輸電線路桿塔導致發生荷載變化，且通常情況下風速與輸電線路桿塔變形或振動劇烈程度呈正相關關系。較高風速情況會導致高柔性的輸電線路結構中導線位置偏離，導致其余桿塔之間距離發生變化，由于風速的不規律性引發導線不規則運動。風速較低時，風力作用于輸電線路桿塔會使桿塔結構中的導線受到沖擊，原因是低速風力形成頻率不定的渦流，對導線產生影響，在風速與導線頻率一致時引發共振現象。當作用于輸電線路桿塔的風速高于20m/s時輸電線路出現自激振動，振幅過高引發輸電線路舞動，影響電網安全。風的方向對輸電線路桿塔的影響主要在于風向不同導致風與導線軸線夾角變化，影響輸電線路舞動情況。

輸電線路導線軸線與風之間夾角大小與輸電線路舞動幅度對應關系如下：45～90°穩定振動、30～45°振動穩定性低、＜20°不會振動，可知風與導線軸線間的夾角與導線振動幅度呈正相關關系，因此當風與導線軸線夾角為零、互相平行時導線穩定性最好，對輸電線路桿塔結構的影響最小。輸電線路舞動不僅會對線路本身造成破壞，還可能會導致桿塔倒塌事故發生，帶來斷電等后續不良影響，阻礙輸電線路正常運行。

1.2 風荷載作用對桿塔剛度產生影響

輸電線路桿塔設計時不僅要考慮到理想狀態下風荷載作用對桿塔結構的影響，還要考慮到極端天氣，如風暴情況對輸電線路桿塔的影響。風荷載對輸電線路桿塔在垂直方向、橫向水平方向及縱向水平方向均有作用，輸電線路桿塔會在外力作用下發生動力反應，風力作用會導致桿塔結構發生低幅度位移變化，通常情況下對輸電線路正常運行影響不大。一旦風力過大會導致輸電線路桿塔結構的加速度發生變化，如風暴情況下輸電線路桿塔結構加速度顯著變大，輸電線路舞動導致線路和桿塔結構受到不同程度的損壞。因此需安裝一定裝置或進行結構優化設計實現桿塔剛度提升，降低風力變化對輸電線路桿塔結構穩定性和安全性的負面影響。

2 輸電線路桿塔結構的風荷載計算分析

2.1 最大風的時距計算

不同計算方法對于輸電線路桿塔結構性質影響不同。輸電線路桿塔最大風的時距計算方法主要包括采用瞬間風速或采用平均風速。不同國家地區按照電氣安全相關規定選擇最大風的時距計算方法。一些國家在進行輸電線路桿塔結構的最大風的時距計算時采用平均風速法，利用風速計測算2s、5s或10s內平均最大風速進行風的時距計算。

輸電線路桿塔地區的最大風速統計值計算需將風速進行同一高度等效值換算，其變換公示為vi=v(hi/h)α，其中hi為輸電線路風速的基準高度，vi為對應最大風速統計值，α為風壓高度變換系數，此處取0.16。利用基本風壓分布圖計算重現期最大風速值公式為采用極值I型分布函數作為模型應用，帶入輸電線路規定的重現期，獲得最大風速值。該公式中=Σvi/n，為歷年來最大風速平均值，T為重現期。

2.2 風荷載作用下桿塔結構可靠性測算

基于風荷載作用的輸電線路桿塔結構可靠性測算一般包括干涉面積法、蒙特卡洛法、JC法。其中JC法的實用性更強、應用范圍更廣泛，蒙特卡洛法的成本更高、可靠性更好，干涉面積法相對而言準確性不高、限制條件過多。在對輸電線路進行可靠性測算時，可變荷載效應與總荷載效應間的比值嚴重影響輸電線路桿塔結構可靠程度。我國在1994年將調整系數β納入到風荷載計算考慮因素中去，線條風荷載效應占總可變荷載變量的50～75%左右，桿塔結構的可靠性與線條風荷載值呈正相關關系。在將調整系數納入到可靠性考慮因素之后，對應總可變荷載值是原來的1～1.15倍。

在對微地形區域的輸電線路桿塔結構風荷載進行計算時，要考慮到地形特點對于風荷載變化的影響，風荷載計算公式一般為Gh=1×LPh/2，當輸電線路沿線風速為變化值時其風荷載計算公式為Gn=1/2∫LPhdl=1/2(∫L1Ph1dl+∫L2Ph2dl+…+∫LnPhndl)，當輸電線路沿線風速為固定不變值時其計算公式為Gn=1/2(Ph1L1+Ph2L2+…+PhnLn)，其中L代表輸電線長度，P代表輸電線高度下單位水平風荷載。以美國輸電線路風荷載計算為例，按照其輸電線路荷載規范要求，其輸電線路桿塔的設計風荷載計算公式為F=γwQKzKzt(V)2GtGfA，此風荷載計算依據ASCE74-2009，相較于ASCE74-1991在計算方法和考慮因素上有明顯變化。

以我國山丘地形為例探究輸電線路桿塔的風荷載計算。如圖1所示，山丘地形的輸電線路桿塔計算要注意分為平地段和坡段，平底段的風荷載計算公示為Gh=1×LPh/2，測算應用的是高度為hp1處的最大平均風速。對于坡段的風荷載計算要注意風速存在變化情況，其風壓變化呈現出拋物線特征，在進行計算式要結合山腳風壓和山頂風壓按比重進行結合計算。

圖1 山丘輸電線路桿塔風荷載

對于在埡口地形處的輸電線路桿塔風荷載計算，要以山丘處輸電線路桿塔風荷載計算作為參考。如圖2，埡口處輸電線路桿塔計算分為三部分，相較于山丘輸電線路桿塔風荷載計算多了一個上山坡段。平底段風荷載計算公式為Gh=1×LPh/2，上山端風速與平底段風速相比呈現行增大，其風荷載計算方式與山丘處桿塔風荷載計算方式一致，要結合山腳、山頂風壓進行綜合計算。

圖2 埡口輸電線路桿塔風荷載

2.3 桿塔結構風壓計算

輸電線路桿塔結構的風壓高度變化系數和風向變化系數與輸電線路桿塔建設區域地貌和桿塔高度有關。對于輸電線路桿塔建設區域比較平坦或稍有起伏的，風壓高度變化系數一般按照地面粗糙度類別進行選擇。按照相關表格查取對應粗糙度類別的風壓變化系數，從而進行輸電線路桿塔的導線風壓計算。按照2006年版本的《建筑物結構荷載規范》中的規定，μZA=1.379(z/10)0.24，μZB=1.000(z/10)0.32，μZC=0.616(z/10)0.44，μZD=0.318(z/10)0.60，其中Z為對地高度。

輸電線路桿塔風向變化系數與風向與輸電線路角度有關。風向和輸電線路正交時，要將作用于線路的風壓與線路體型系數進行相乘，設定風與輸電線路之間的角度為θ，根據測試發現只能生成正交方向的風壓力，此時風壓變化系數為風向與輸電線路正交時的sin2θ，θ取值按0°、45°、60°、90°進行計算[1]。

2.4 荷載系數

輸電線路桿塔的荷載系數按照相關規定通過調整風速重現期獲得，常用于調整輸電線路安全等級，一般將桿塔結構重要性系數與設計風荷載的分項系數進行相乘，結果作為荷載系數。我國不同電壓線路的最小基本風速不同：500kV線路10m高處基本風速26.85m/s，110～300kV路10m高處基本風速23.4m/s。根據最小基本風速要求，對于基本風速不超過25m/s的區域，其設計風速安全等級較高。

2.5 體型系數

輸電線路桿塔的體型系數主要包括輸電線路塔架風荷載體型系數與導線、地線體型系數。其中輸電線路塔架風荷載體型系數主要與桿塔的型號有關，桿塔的高寬比，桿塔建設區域環境以及桿塔本身的填充情況都影響著桿塔結構荷載體型系數的大小，通過對國際國內風荷載相關規范進行觀察發現，桿塔填充率與其風荷載體型系數成負相關關系。而輸電線路桿塔的導線、地線體型系數與線徑大小有關：線徑＜17mm、體型系數1.2，反之為1.1。當存在覆冰情況時，則不論線徑范圍體型系數為1.2。

對我國輸電導線線徑進行觀察發現其線徑一般在17mm以上，且根據IEC相關規定要求，對于沒有直接測量值和風動實驗結果的導線風荷載體型系數按1.1進行計算，因此我國輸電線路桿塔的導線、地線風荷載體型系數值為1.1。在ASCE74和JEC127相關規定記載中，體型系數還與雷諾靈敏變化情況有關。

2.6 風荷載的比較分析

在對基于風荷載的輸電線路桿塔進行設計時，一般通過比較進行設計標準判斷：一是比較風載荷。因輸電線路桿塔受到風的作用是無規律的，其在對不同風的時距和概率進行轉換時，選取的風力樣本是不同的；二是對風壓彎矩比的判斷。風壓彎矩比與輸電線路的填充率有關，在進行風荷載計算分析時，假設輸電線路風壓對地面彎矩比占總彎矩的60%，此時桿塔風壓力對表面彎矩比占總彎矩的40%，輸電線路桿塔填充率為0.2；三是對不同情況下風荷載計算分析結果進行比較。在進行風荷載比較分析時要注意對大風時距進行換算，要將輸電線路的桿塔容許應力和桿塔的荷載系數納入到比較分析考慮因素中去[2]。

3 基于風荷載的輸電線路桿塔結構優化措施

基于風荷載的輸電線路桿塔結構優化要以國家輸變電網工程關于輸電線路桿塔結構設計相關技術規定作為基礎，以提高桿塔結構穩定性、提高桿塔結構風荷載能力作為優化目的進行結構設計。

3.1 桿塔塔頭優化

一是要根據輸電線路桿塔建設區域風力特點和區域經濟條件進行桿塔型號選擇。輸電線路桿塔單回路式塔頭一般包括上字型、鳥骨型、貓頭型、干字型、酒杯型、門型等等其中酒杯型、門型區別于其他塔頭型式，其導線呈水平排列，優勢在于桿塔高度低，導線舞動時碰線概率降低、防雷性好。其余塔頭導線呈三角形排列，優勢在于電氣對稱性好、結構簡單、重點較輕，可節約建筑成本[3]。風荷載作為可變荷載對桿塔起作用，可將其分解為垂直荷載、橫向水平荷載和縱向水平荷載。在進行塔頭優化設計時，要根據區位特點和建設需求進行結構優化，保證輸電線路桿塔塔頭設計可提升桿塔抗風效果。

二是要考慮桿塔塔頭坡度與桿塔其他結構部件的匹配程度。在進行桿塔塔頭優化設計時，要保證塔頭、塔身、橫擔的協調性，保證輸電線路桿塔塔頭結構剛度符合桿塔結構設計要求，增強輸電線路桿塔結構對風力變動引發的結構位移和剛度變動的應對能力。

3.2 桿塔塔身優化

一是桿塔塔身坡度的優化。塔身坡度設計影響輸電線路桿塔基礎作用力和結構設計，在進行輸電線路桿塔塔身優化設計時要計算桿塔最輕重量的最佳根開，可通過減少桿塔重量降低桿塔耗材實現輸電線路桿塔成本控制[4]。如：110kV的輸電線路選擇直線塔作為桿塔結構，在設計時要注意塔身上口的大小和探身坡度，要減少輸電線路桿塔的建材消耗和塔身重量，減少輸電線路桿塔基礎范圍。

二是優化塔身構造橫隔面設置。通過合理設計輸電線路桿塔塔身橫隔面，抑制風力對桿塔結構的動力效應，控制局部振動幅度和振動出現時間，實現基于風荷載的輸電線路桿塔結構優化設計；三是降低輸電線路桿塔塔高，優化桿塔導線布置，實現桿塔結構風荷載調整系數變動，實現輸電線路桿塔抗風能力增強。以雙回直線塔與雙回緊湊型塔對比為例，通過對雙回直線塔導線布置進行緊湊調整，其調整后結構表現為雙回緊湊型塔，通過導線調整實現塔高減小，由原來的71.3m下降至50m，實現風壓降低，桿塔結構可靠性和穩定性增強。

4 結語

隨著電力系統不斷發展完善，對輸電線路桿塔結構的設計要求越來越高，相關建設單位要關注風荷載對于輸電線路桿塔結構穩定性的影響，探究風荷載對桿塔結構的影響方面和影響路徑，加強對桿塔結構風荷載的分析研究，實現輸電線路桿塔結構的優化升級，促進我國電力事業正常運行發展，為構建安全穩定的電力系統打下堅實基礎。