輸電線路導(dǎo)線風荷載計算

輸電線路導(dǎo)線風荷載計算

1輸電塔風荷載計算方法《美國供電線路結(jié)構(gòu)負荷指南》（asce74-2009）是世界上最重要的供電線路設(shè)計規(guī)范之一，受到許多國家工程部門的借鑒和采用。熟悉設(shè)計標準對提高工程和外國工程的設(shè)計水平非常重要。風荷載是輸電塔設(shè)計的控制荷載，而輸電導(dǎo)線風荷載在輸電塔總風荷載中占有較大比例，因此有必要了解和掌握ASCE74—2009輸電導(dǎo)線風荷載的計算方法。中國輸電線路荷載規(guī)范主要為《110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(GB50545—2010)，美國輸電線路荷載規(guī)范為《GuidelinesforElectricalTransmissionLineStructuralLoading(ThirdEdition)》(ASCE74—2009)。文獻2風荷載的載和地線設(shè)計GB50545的導(dǎo)線和地線水平風荷載計算公式為：其中：WASCE74—2009的導(dǎo)線和地線設(shè)計風荷載計算公式為：其中：F為風方向的風荷載；λ3計算參數(shù)3.1兩種線路重現(xiàn)期GB50545參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2001)，采用離地10m高B類地貌下10min平均年最大風速作為基本風速，其中500kV～750kV輸電線路重現(xiàn)期為50年，110kV～330kV輸電線路重現(xiàn)期為30年。風速轉(zhuǎn)換為風壓的計算公式為WASCE74—2009參考ASCE7—05，采用50年一遇離地10m高C類地貌下3s陣風風速作為基本風速，當采用國際單位制時，風速轉(zhuǎn)換為風壓的空氣密度常數(shù)Q取0.613，單位為N/m3.2導(dǎo)線和地線風壓的高度GB50545一般采用B類地貌進行輸電線路設(shè)計，其風壓高度變化系數(shù)的計算公式為：其中：Z為導(dǎo)線或地線相對地面高度。ASCE74—2009中風壓高度變化系數(shù)的計算公式為：其中：10m≤ZGB50545與ASCE74—2009在電線風壓計算高度取法有差異，GB50545取導(dǎo)線或地線相對地面高度，而ASCE74—2009取所有導(dǎo)線和地線掛點相對地面的平均高度。表3給出了地貌條件相似的GB50545的B類地貌與ASCE74—2009的C類地貌在40m～100m高度范圍內(nèi)的風壓高度變化系數(shù)及比值，由表可以看出：ASCE74—2009的風壓高度變化系數(shù)小于GB50545值，隨著高度增加，ASCE74—2009與GB50545的風壓高度變化系數(shù)比值越來越小。3.3線徑大小應(yīng)取GB50545中當線徑小于17mm或覆冰時(不論線徑大小)應(yīng)取1.2；線徑大于或等于17mm時，該系數(shù)取1.1。ASCE74—2009認為除非基于風力系數(shù)測量的數(shù)據(jù)外，單根或多分裂導(dǎo)線和地線的風力系數(shù)C3.4脈動風對風荷載調(diào)整系數(shù)和陣風影響系數(shù)GB50545對500kV及以上電壓等級根據(jù)風速不同采用風荷載調(diào)整系數(shù)，見表4。規(guī)范的條文解釋是考慮500kV線路因絕緣子串較長、子導(dǎo)線多，有發(fā)生動力放大作用的可能，且隨風速增大而增大。ASCE74—2009的電線(導(dǎo)線和地線)的陣風響應(yīng)因子G其中：S為導(dǎo)線和地線的水平檔距；ZGB50545的風荷載調(diào)整系數(shù)和ASCE74—2009的陣風響應(yīng)因子都是主要考慮導(dǎo)地線在脈動風下的動力放大作用。GB50545的風荷載調(diào)整系數(shù)僅針對500kV及以上電壓等級輸電線路，110kV～330kV輸電線路不采用該系數(shù)。ASCE74—2009的陣風響應(yīng)因子針對任何電壓等級輸電線路，并且該系數(shù)與導(dǎo)線的高度、檔距和地貌條件等因素有關(guān)。表6和表7分別給出了不同高度和不同水平檔距下導(dǎo)地線的陣風響應(yīng)因子，可以看出：隨著高度增加，陣風響應(yīng)因子降低；隨著檔距增大，陣風響應(yīng)因子降低。如果簡單的采用3s陣風風速和10min平均風速為1.43的換算關(guān)系分析，ASCE74—2009對應(yīng)10min平均風速下的陣風響應(yīng)因子為1.22～1.33。總體來說，當設(shè)計風速大于27m/s時，GB50545取1.2～1.3的風荷載調(diào)整系數(shù)與美國規(guī)范的陣風響應(yīng)因子計算值大體相當。3.5地形特征的影響GB50545對通過山區(qū)線路的設(shè)計風速按附近平地風速資料增大10%，以此反映山區(qū)的微地形影響和狹管等效應(yīng)。ASCE74—2009采用ASCE7—05中一些表示風速通過山丘和懸崖時特別建議，將地形特征分為兩大類(二維山脊和懸崖，或者三維軸對稱山丘)，見圖1,H為相對地面以上山丘或者懸崖的高度，L當該位置上風區(qū)域100H或2mile(兩者取小值)無此種地形特征，在設(shè)計中可以考慮地形影響。但以下情況不考慮風速增大的影響：H/L輸電線路位于半山或者鄰近懸崖的地形影響因子方程為：表9出了ASCE74—2009在C類地貌下二維山脊地形(H=100m,L3.6冰區(qū)的制備GB50545按照不同的覆冰厚取不同的風荷載增大系數(shù)，5mm冰區(qū)取1.1mm、10mm冰區(qū)取1.2mm、15mm冰區(qū)取1.3mm、20mm及以上冰區(qū)取1.5～2.0。ASCE74—2009不考慮導(dǎo)地線覆冰風荷載增大系數(shù)。3.7耐張段內(nèi)單位荷載的施加GB50545計算桿塔荷載時根據(jù)風速不同給出了不同的風壓不均勻系數(shù)，見表10。ASCE74—2009不考慮此系數(shù)，主要是認為電線系統(tǒng)對不均勻檔距風荷載計算張力的復(fù)雜性以及預(yù)測這些風荷載固有的不確定性，建議在耐張段內(nèi)對所有檔距保守的施加相同的單位荷載。風壓不均勻系數(shù)主要基于風的空間相關(guān)性，風荷載在某一檔內(nèi)同時達到最大的可能性很小。GB50545主要參考前蘇聯(lián)、美國、日本、德國等規(guī)范，結(jié)合我國實際運行經(jīng)驗，提出了風壓不均勻系數(shù)的取值要求。ASCE74—2009中的電線陣風響應(yīng)因子隨著檔距的增加，其值變小，某種程度上考慮了風的空間相關(guān)性。4lbgj—算例以某500kV鐵塔為例，塔頭尺寸如圖2所示，設(shè)計風速為35m/s，呼高為54m，水平檔距為450m，導(dǎo)線型號為4×ACSR—720/50，地線型號為LBGJ—150—40AC。采用GB50545和ASCE74—2009分別計算導(dǎo)線設(shè)計風荷載(采用GB50545計算時考慮風荷載分項系數(shù)1.4，另外不考慮地形因素影響)，計算結(jié)果見表11和表12，可以看出：按GB50545計算的導(dǎo)線風荷載以及產(chǎn)生的鐵塔底部剪力和彎矩大于ASCE74—2009，其主要原因是GB50545的風壓高度系數(shù)和體型系數(shù)大于ASCE74—2009相應(yīng)值，另外計算鐵塔荷載時風荷載考慮了分項系數(shù)1.4。5風壓高度變化系數(shù)及風壓不均勻系數(shù)(1)GB50545與ASCE74—2009計算導(dǎo)線風荷載最大的區(qū)別為基本風速的取值，GB50545采用10min平均風速，而ASCE74—2009采用3s陣風風速，另外GB50545按不同的電壓等級采用不同的風速重現(xiàn)期。(2)GB50545的B類地貌與ASCE74—2009的C類地貌相比，ASCE74—2009的風壓高度變化系數(shù)小于GB50545值，隨著高度的增加，ASCE74—2009與GB50545的風壓高度變化系數(shù)比值越來越小。(3)GB50545的導(dǎo)線體型系數(shù)比ASCE74—2009值大10%～20%。(4)GB50545僅對500kV及以上電壓等級輸電線路采用風荷載調(diào)整系數(shù)，ASCE74—2009的導(dǎo)線陣風響應(yīng)因子與其高度、檔距和地貌條件等因素有關(guān)。GB50545根據(jù)風速不同取1.2～1.3的風荷載調(diào)整系數(shù)與美國規(guī)范的陣風響應(yīng)因子大體相當。(5)GB50545對山區(qū)地形的設(shè)計風速按附近平地風速資料增大10%考慮。對特殊地形，ASCE74—2009考慮地形影響因子。(6)GB505