GB50545与ASCE74输电导线风荷载对比

王振华，金晓华

(广东省电力设计研究院，广东 广州 510663)

GB50545与ASCE74输电导线风荷载对比

王振华，金晓华

(广东省电力设计研究院，广东 广州 510663)

《美国输电线路结构荷载指南》(ASCE74—2009)是世界上重要的输电线路设计规范之一。风荷载是输电塔设计的控制荷载，而输电塔总风荷载中导线风荷载占较大比例，了解GB50545与ASCE74—2009导线风荷载计算方法的区别对输电塔设计非常必要。介绍了GB50545与ASCE74—2009输电导线风荷载计算公式，并详细比较了基本风速、风压高度变化系数、体型系数、风荷载调整系数、地形影响因子、覆冰风荷载增大系数和风压不均匀系数等计算参数的差异，结果为输电工程设计提供参考。

GB50545；ASCE74；导线风荷载；参数；差异。

1 概述

《美国输电线路结构荷载指南》(ASCE74—2009)作为世界上主要的输电线路设计规范之一，被许多国家的工程界所借鉴和采用，熟悉其设计标准对涉外工程和提高从业者设计水平非常重要。风荷载是输电塔设计的控制荷载，而输电导线风荷载在输电塔总风荷载中占有较大比例，因此有必要了解和掌握ASCE74—2009输电导线风荷载的计算方法。

中国输电线路荷载规范主要为《110kV～750kV架空输电线路设计规范》(GB50545—2010)，美国输电线路荷载规范为《Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading(Third Edition)》(ASCE74—2009)。文献[3]和文献[4]将GB50545—2010与ASCE74—1991、IEC60826—2003等规范做了对比，分析了体型系数、风压高度系数等计算参数的差异，但主要是针对杆塔风荷载计算，没有涉及导线风荷载。ASCE74—2009较ASCE74—1991在输电导线风荷载的计算方法和参数取值方面发生了变化，比如基本风速、风振系数和地形影响因子等，因此有必要比较与分析GB50545与ASCE74—2009在输电导线风荷载计算方面的差异。本文首先给出了两国规范的输电导线风荷载计算公式，然后分析了各计算参数的差异，比较结果可为输电塔设计提供参考。

2 基本公式

GB50545的导线和地线水平风荷载计算公式为：

其中：Wx为垂直于导线及地线方向的水平风荷载标准值(kN)；α为风压不均匀系数；Wo为基准风压标准值(kN/m2)；μz为基准高度为10m的风压高度变化系数；μsc为导地线体型系数；βc为500kV和750kV线路导地线风荷载调整系数；d为导地线的外径或覆冰时的计算外径(m)；Lp为杆塔的水平档距(m)；B1为覆冰时风荷载增大系数；θ为风向与导地线之间的夹角(°)。

ASCE74—2009的导线和地线设计风荷载计算公式为：

其中：F为风方向的风荷载；λw为重现期荷载调整因子(如表1所示)；Q为空气密度常数；Kz为风压高度变化系数； Kzt为地形影响因子；V为50年重现期3s阵风风速；Gw为阵风响应因子；ψ为风向与垂直导地线的法线之间的夹角；Cf为风力系数(体型系数)；A为风方向投影面积。

表1 重现期荷载调整因子

3 计算参数

3.1 基本风速

GB50545参考《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)，采用离地10m高B类地貌下10min平均年最大风速作为基本风速，其中500kV～750kV输电线路重现期为50年，110kV～330kV输电线路重现期为30年。风速转换为风压的计算公式为W0= V2/160c，单位为kN/m2。

ASCE74—2009参考ASCE7—05，采用50年一遇离地10m高C类地貌下3s阵风风速作为基本风速，当采用国际单位制时，风速转换为风压的空气密度常数Q取0.613，单位为N/m2。

3.2 风压高度变化系数

GB50545一般采用B类地貌进行输电线路设计，其风压高度变化系数的计算公式为：

其中：Z为导线或地线相对地面高度。

ASCE74—2009中风压高度变化系数的计算公式为：

其中：10m≤Zh≤Zg，Zh为所有导线和地线挂点相对地面的平均高度；Zg为梯度高度；α为幂指数。

表2 各类地貌的幂指数和梯度高度

GB50545与ASCE74—2009在电线风压计算高度取法有差异，GB50545取导线或地线相对地面高度，而ASCE74—2009取所有导线和地线挂点相对地面的平均高度。表3给出了地貌条件相似的GB50545的B类地貌与ASCE74—2009的C类地貌在40m～100m高度范围内的风压高度变化系数及比值，由表可以看出：ASCE74—2009的风压高度变化系数小于GB50545值，随着高度增加，ASCE74—2009与GB50545的风压高度变化系数比值越来越小。

表3 GB50545与ASCE74—2009风压高度系数比较

3.3 体型系数

GB50545中当线径小于17mm或覆冰时(不论线径大小)应取1.2；线径大于或等于17mm时，该系数取1.1。ASCE74—2009认为除非基于风力系数测量的数据外，单根或多分裂导线和地线的风力系数Cf= 1.0。如果裸导线使用基于风洞试验小于1.0的风力系数，但覆冰导线的风力系数仍取1.0。由此可见：GB50545的导线体型系数比ASCE74—2009值大10%～20%。

3.4 风荷载调整系数(阵风响应因子)

GB50545对500kV及以上电压等级根据风速不同采用风荷载调整系数，见表4。规范的条文解释是考虑500kV线路因绝缘子串较长、子导线多，有发生动力放大作用的可能，且随风速增大而增大。

表4 导地线风荷载调整系数

ASCE74—2009的电线(导线和地线)的阵风响应因子Gw的计算公式如下：

其中：S为导线和地线的水平档距；Zh为电线有效高度，即为所有导线和地线挂点的平均高度；Kv为10m高3s阵风风速与10min平均风速比值，其值为1.43；αFM为持续风的幂指数；k为表面阻力系数；Lg为湍流积分尺度见表5。

表5 地貌类别常数

GB50545的风荷载调整系数和ASCE74—2009的阵风响应因子都是主要考虑导地线在脉动风下的动力放大作用。GB50545的风荷载调整系数仅针对500kV及以上电压等级输电线路，110kV～330kV输电线路不采用该系数。ASCE74—2009的阵风响应因子针对任何电压等级输电线路，并且该系数与导线的高度、档距和地貌条件等因素有关。

表6和表7分别给出了不同高度和不同水平档距下导地线的阵风响应因子，可以看出：随着高度增加，阵风响应因子降低；随着档距增大，阵风响应因子降低。如果简单的采用3s阵风风速和10min平均风速为1.43的换算关系分析，ASCE74—2009对应10min平均风速下的阵风响应因子为1.22～1.33。总体来说，当设计风速大于27m/s时，GB50545取1.2～1.3的风荷载调整系数与美国规范的阵风响应因子计算值大体相当。

表6 不同高度时导线和地线阵风响应因子

表7 不同水平档距时导线和地线阵风响应因子

3.5 地形影响因子

GB50545对通过山区线路的设计风速按附近平地风速资料增大10%，以此反映山区的微地形影响和狭管等效应。

ASCE74—2009采用ASCE7—05中一些表示风速通过山丘和悬崖时特别建议，将地形特征分为两大类(二维山脊和悬崖，或者三维轴对称山丘)，见图1，H为相对地面以上山丘或者悬崖的高度，Lh为迎风方向从山顶到山丘或悬崖至地面一半高度处的水平距离。

当该位置上风区域100H或2mile(两者取小值)无此种地形特征，在设计中可以考虑地形影响。但以下情况不考虑风速增大的影响：H/Lh<0.2当，或C和D类地貌H<15f t(4.5m)，或B类地貌H<60f t(18m)。

输电线路位于半山或者邻近悬崖的地形影响因子方程为：

其中：K1为考虑地形特征的形状和最大增速影响的系数，见表8；K= 1-，为考虑

2离山顶的上风向或下风向距离加大而风速增加减小的系数；K2= e-γz/Lh，为考虑局部地形以上高度增加而风速减小的系数；x为从山顶到结构的距离(上风或下风)；Z为局部地面以上的高度。

图1 地形影响因子

表8 山丘和悬崖风速增大的参数

表9出了ASCE74—2009在C类地貌下二维山脊地形(H=100m，Lh=100m)山顶和半山腰处40m～100m高度范围内风荷载的地形影响因子，可以看出：在山顶处风荷载地形影响因子大于半山腰处，随着高度的增加，其地形影响因子逐渐减小。

表9 山顶和半山腰处风荷载地形影响因子

3.6 覆冰风荷载增大系数

GB50545按照不同的覆冰厚取不同的风荷载增大系数，5mm冰区取1.1mm、10mm冰区取1.2mm、15mm冰区取1.3mm、20mm及以上冰区取1.5～2.0。ASCE74—2009不考虑导地线覆冰风荷载增大系数。

3.7 风压不均匀系数

GB50545计算杆塔荷载时根据风速不同给出了不同的风压不均匀系数，见表10。

表10 风压不均匀系数

ASCE74—2009不考虑此系数，主要是认为电线系统对不均匀档距风荷载计算张力的复杂性以及预测这些风荷载固有的不确定性，建议在耐张段内对所有档距保守的施加相同的单位荷载。

风压不均匀系数主要基于风的空间相关性，风荷载在某一档内同时达到最大的可能性很小。GB50545主要参考前苏联、美国、日本、德国等规范，结合我国实际运行经验，提出了风压不均匀系数的取值要求。ASCE74—2009中的电线阵风响应因子随着档距的增加，其值变小，某种程度上考虑了风的空间相关性。

4 算例

以某500kV铁塔为例，塔头尺寸如图2所示，设计风速为35m/s，呼高为54m，水平档距为450m，导线型号为4×ACSR—720/50，地线型号为LBGJ—150—40AC。采用GB50545和ASCE74—2009分别计算导线设计风荷载(采用GB50545计算时考虑风荷载分项系数1.4，另外不考虑地形因素影响)，计算结果见表11和表12，可以看出：按GB50545计算的导线风荷载以及产生的铁塔底部剪力和弯矩大于ASCE74—2009，其主要原因是GB50545的风压高度系数和体型系数大于ASCE74—2009相应值，另外计算铁塔荷载时风荷载考虑了分项系数1.4。

图2 塔头尺寸

表11 导线风荷载计算结果

表12 导地线荷载的底部剪力和弯矩

5 结论

(1)GB50545与ASCE74—2009计算导线风荷载最大的区别为基本风速的取值，GB50545采用10min平均风速，而ASCE74—2009采用3s阵风风速，另外GB50545按不同的电压等级采用不同的风速重现期。

(2)GB50545的B类地貌与ASCE74—2009的C类地貌相比，ASCE74—2009的风压高度变化系数小于GB50545值，随着高度的增加，ASCE74—2009与GB50545的风压高度变化系数比值越来越小。

(3)GB50545的导线体型系数比ASCE74—2009值大10%～20%。

(4)GB50545仅对500kV及以上电压等级输电线路采用风荷载调整系数，ASCE74—2009的导线阵风响应因子与其高度、档距和地貌条件等因素有关。GB50545根据风速不同取1.2～1.3的风荷载调整系数与美国规范的阵风响应因子大体相当。

(5)GB50545对山区地形的设计风速按附近平地风速资料增大10%考虑。对特殊地形，ASCE74—2009考虑地形影响因子。

(6)GB50545按照不同覆冰厚采用不同的覆冰风荷载增大系数，而ASCE74—2009不考虑此系数。

(7)GB50545在计算杆塔风荷载时导线风荷载计算采用风压不均匀系数，而ASCE74—2009不考虑此系数。

(8)当不考虑地形因素影响时，按GB50545计算的导线风荷载以及产生的铁塔底部剪力和弯矩大于ASCE74—2009。

[1]GB50545—2010．110kV～750kV架空输电线路设计规范[S]．

[2]ASCE74—2009．Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading (Third Edition)[S]．

[3]姜琦，邓洪洲，张永飞．中外规范关于输电线路风荷载的比较研究[J]． 特种结构，2010，27(3)．

[4]蔡钧，傅鹏程．IEC、ASCE、GB50545规范风压高度变化系数对比与分析[J]．电力勘测设计，2011，(5)．

[5]GB50009—2001． 建筑结构荷载规范[S]．

[6]DL/T5440—2009．重覆冰架空输电线路设计技术规程[S]． 北京：中国电力出版社，2009．

Comparison of Wind Load Transmission Conductor GB50545 and ASCE74

WANG Zhen-hua， JIN Xiao-hua
(Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou 510663, China)

《Guidelines for electrical transmission line structural loading》(ASCE74—2009) is one of the important transmission line code in the world. Wind load is the control load for transmission tower and conductor wind load account for a large proportion. It is necessary to master the differences of conductor wind load computation method between GB50545 and ASCE74—2009. Wind load computation formula for transmission tower of GB50545 and ASCE74—2009 are introduced. The differences of basic wind speed, height variation factor of wind pressure, shape factor, wind load factor, topographic factor, icing load factor and uneven factor of wind speed are compared in detail.The results can be used as a reference for transmission tower design.

GB50545；ASCE74；conductor wind load；parameters；differences.

TM75

B

1671-9913(2012)02-0056-06

2012-

王振华(1982- )，男，工学博士，工程师，一级注册结构工程师，主要从事输电工程设计和研究工作，