输电塔结构可靠度分析

张卓群，李宏男，贡金鑫，田雷，李嘉祥

(1. 大连理工大学建设工程学部，辽宁省大连市 116024；2.国网北京经济技术研究院，北京市 102209)

输电塔结构可靠度分析

张卓群1，李宏男1，贡金鑫1，田雷2，李嘉祥1

(1. 大连理工大学建设工程学部，辽宁省大连市 116024；2.国网北京经济技术研究院，北京市 102209)

为研究按输电线路设计规范设计的杆塔结构构件的可靠度水平，是否满足跨越输电线路杆塔构件可靠度的要求，对一个典型的500 kV角钢杆塔和一个典型的220 kV钢管杆塔进行可靠度分析。分析结果表明：针对研究的钢管杆塔和角钢杆塔而言，钢管杆塔构件的可靠指标大于角钢杆塔构件的可靠指标；尽管实际杆塔构件的可靠指标比符合规范要求时的最小可靠指标大，但可能不能达到跨越高铁线路输电线路杆塔目标可靠指标3.7的要求；通过提高杆塔结构的重要性系数、折减直线塔的档距和减小转角塔的转角可以提高杆塔构件的可靠指标。

高速铁路；输电线路；输电杆塔；可靠度

0 引 言

输电塔结构作为高压电能输送的载体，是重要的生命线工程。输电塔结构具有杆塔高耸、跨度大且跨越地形绵延起伏，结构整体柔度随杆塔高度增加而非线性的增加，输电塔与导输电线在不同量级的动力特性条件下藕联工作等特点，极易受到外界荷载(风、覆冰)的影响[1-4]。近年来随着我国电网的不断升级改造，输电塔传输网络不断向高耸大跨越，超高压甚至特高压的方向发展。特别是针对跨越高速铁路的输电线路，塔体结构的安全度不仅关系到国家电网和铁路系统的安全运行，也关系到人民群众的生命安全[5-7]。此外，由于高速铁路和输电线路工程都处于快速发展阶段，双方的建设时序和标准并非完全一致，最终导致了输电塔可靠性和安全性存在一定的隐忧。因此，在重新梳理和分析研究现有输电线路设计技术的基础上，提出一套完整、高效和实用的可靠度计算方法是十分必要和亟待完成的[8]。

为适应这一发展需要以及规范输电线路跨(钻)越高速铁路的设计工作，大连理工大学与国网北京经济研究院联合开展了跨越高速铁路输电线路可靠度的专题研究。本文在输电塔规范中可靠度理论的基础上，重点研究了跨越高速铁路输电线路杆塔体系可靠度的计算方法。通过对一个典型的500 kV角钢塔和一个220 kV钢管杆塔结构构件的可靠度分析，计算结果表明这2类输电塔结构都满足DL/T 5154—2002《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》中杆塔构件的最低可靠指标。此外，鉴于设计中具体杆塔要满足多方面的设计要求，本文分析的结果表明输电塔结构绝大多数构件的可靠指标都远大于规范。

1 500 kV角钢塔可靠度分析

1.1 构件功能函数和变量统计参数

杆塔杆件的功能函数[9-12]可表示为

Z=R-NG-∑NQi

(1)

式中：R为构件抗力(受力强度或受压稳定)；NG为永久荷载产生的轴力；NQi为第i个可变荷载产生的轴力。

各变量的平均值和标准差为：

(2)

(3)

(4)

式中：kNG、δNG为恒荷载的均值系数和变异系数；NGk为永久荷载标准值产生的轴力；kNQi，δNQi为第i个可变荷载的均值系数和变异系数；NQik为第i个可变荷载标准值产生的轴力；kR、δR为抗力计算模式不定性系数的均值系数和变异系数；Rk为根据杆塔设计图纸中杆件的型号和强度标准值计算的抗力标准值。

各变量的统计参数(均值系数k和变异系数δ)和概率分布见表1[13]。

表1 输电塔结构荷载与抗力可靠度统计参数

1.2 构件轴力分解

按照式(1)，可靠度分析中需要区分不同性质的荷载产生的轴力，如永久荷载、风荷载、覆冰荷载等，而现在的杆塔设计软件计算的轴力是按荷载的方向给出的，因此需要将软件计算的轴力按荷载进行分解，分解方法如下：

(1)永久荷载和风荷载组合下，荷载分为2部分：竖直方向的永久荷载(自重)和水平方向的风荷载。

(2)永久荷载、风荷载和覆冰荷载组合下，荷载分为3部分：竖直方向的永久荷载(自重)、水平方向的风荷载和竖直方向作用的覆冰荷载。

(3)永久荷载、风荷载和不均匀覆冰荷载组合下，荷载分为3部分：竖直方向的永久荷载(自重)、水平方向的风荷载和竖直方向作用的不均匀覆冰荷载。

1.3 输电塔模型

选取5E3-SJ2转角塔(20°～40°)和5E3-SZK直线塔进行分析。5E3塔应用范围为海拔1 000 m以内、设计基本风速为29 m/s(离地10 m)、覆冰厚度为10 mm的双回路铁塔。2种输电塔的计算模型如图1所示。

1.4 荷载工况

实际中的输电塔要承受其自身、绝缘子、金具和导地线的重量及风荷载和覆冰荷载，另外设计中还要根据具体情况采用不同的转角和档距。因此输电塔设计中要考虑多种工况，本文可靠度分析考虑的工况如表2所示。

表2 角钢塔荷载工况

1.5 可靠度计算

采用可靠度计算的JC方法，计算了5E3-SZK直线塔和5E3-SJ2转角塔对应于表2中各荷载工况的可靠指标，其中表3和表4为5E3-SZK直线塔构件可靠指标最小2个荷载工况的前10个构件的可靠指标，表5和表6为5E3-SJ2转角塔构件可靠指标最小2个荷载工况的前10个构件的可靠指标。图2和图3给出了2个杆塔最不利荷载工况可靠指标最小的前10个构件的具体位置。由图2和图3可以看出，在永久荷载和风荷载组合的情况下，5E3-SZK直线塔和5E3-SJ2转角塔可靠指标最小的前10个构件，均出现在杆塔的主材上；而在永久荷载、风荷载和覆冰荷载组合的情况下，5E3-SZK直线塔和5E3-SJ2转角塔可靠指标最小的前10个构件，均出现在杆塔的横担上。

1.6 不同转角和折减档距的可靠指标

表3～6给出了5E3输电塔一个荷载工况的可靠指标。其中构件的最小可靠指标为3.39，小于目标可靠指标3.7，不满足跨越高铁输电线路杆塔构件的可靠度要求[13]，设计或工程中可采用不同的措施来满足目标可靠指标要求。

(1)提高结构重要性系数。

DL/T 5154—2002《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》规定了输电线路杆塔构件的分项系数设计表达式，提高重要性系数γ0的值，可以提高构件的安全水平。表7～8给出了2种荷载组合下重要性系数γ0=1.0～1.3时5E3-SZK直线塔和5E3-SJ2转角塔的可靠指标。由表中结果可以看出，重要性系数提高0.1，杆塔构件的可靠指标约提高0.3；当γ0=1.0时5E3-SJ2转角塔的可靠指标不满足文献[13]的目标可靠指标3.7，如果取γ0=1.1，则满足了目标可靠指标的要求。

图1 角钢塔模型

表3 60°大风荷载，耦合线终端，5E3-SZK直线塔的可靠指标

表4 覆冰荷载，耦合线正常，5E3-SZK直线塔的可靠指标

图2 5E3-SZK直线塔2个荷载工况的可靠指标

表5 大风荷载，有不平衡张力，5E3-SJ2转角塔的可靠度指标

图3 5E3-SJ2直线塔2个荷载工况的可靠指标

表6 覆冰荷载，有不平衡张力，5E3-SJ2转角塔的可靠度指标

表7 5E3-SZK直线塔不同重要性系数时的可靠度指标

表85E3-SJ2转角塔不同重要性系数时的可靠度指标

Tab.8Reliabilityindexesofangletower5E3-SJ2withdifferentimportantfactors

(2)折减档距。

折减输电杆塔的档距，可以减小导地线的重力、风荷载和覆冰荷载，从而提高杆塔构件的安全度。表9为5E3-SZK直线塔不同折减档距时的可靠指标。由表9可以看出，档距折减后，杆塔构件的可靠指标提高，但对于不同的荷载组合，相同档距折减百分比时杆塔构件的可靠指标提高幅度是不同的，有覆冰荷载时，可靠指标的提高幅度较大。

表9 5E3-SZK直线塔不同折减档距时的可靠度指标

(3)折减角度。

改变转角杆塔的转角，可以改变转角的受力状态，从而改变杆塔构件的安全度。表10为5E3-SJ2转角塔不同转角时的可靠指标。由表10可以看出，杆塔转角由大变小后，不同荷载组合情况下杆塔构件的可靠指标变化不同。对于永久荷载和风荷载组合，随着杆塔转角的减小构件可靠指标提高；对于永久荷载、风荷载和覆冰荷载组合，随着杆塔转角的减小构件可靠指标不变。

表10 转角塔5E3-SJ2考虑转角折减的可靠度指标

2 220 kV钢管杆塔可靠度分析

2.1 结构功能函数

钢管杆塔结构有受拉、局部稳定、弯曲、剪切、复合受力破坏等多个失效模式[14]，其功能函数如下：

(1)构件轴心受拉强度：

(5)

(2)构件压弯局部稳定：

(6)

(7)

(3)构件的弯曲强度：

(8)

(4)构件的剪切强度：

(9)

(5)构件复合受力强度：

(10)

式中：N1为轴心拉力；N2为轴心压力；An为构件净截面面积；f为钢材强度；fa为多边形构件压弯局部稳定强度。构件截面面积、惯性矩等参数按式(11)～(14)计算：

Ag=3.22Dt

(11)

Ix=Iy=0.411D3t

(12)

(13)

(14)

2.2 钢管杆塔模型

选取SGJ42转角塔(10°～30°)和SGZK4直线塔进行分析。这2个塔为应用范围为海拔1 000 m以内、设计基本风速为23.5 m/s(离地10 m)、覆冰厚度为10 mm的双回路铁塔。计算模型如图4所示。

2.3 荷载工况

本文可靠度分析考虑的钢管杆塔的荷载工况如表11所示。

表11 钢管杆塔的荷载工况

2.4 可靠度计算

2.4.1 计算方法

依据式(5)～(14)给出的多个功能函数计算钢管杆塔构件的可靠指标，取最小的可靠指标作为几种失效模式的可靠指标。

在考虑的所有荷载组合工况中，“90°大风荷载，呼高为48 m，档距无折减”工况的可靠指标最小，见表12。由表12可以看出，最小构件的可靠指标满足输电线路杆塔构件可靠指标不小于3.7的要求。

图4 钢管杆塔模型

2.4.2 不同转角和折减档距的可靠指标

同角钢塔一样，通过提高设计中的结构重要性系数、折减直线塔档距和改变转角塔转角可提高杆塔构件的可靠指标。表13～16为采取这些措施后可靠指标的计算结果。

由表13和表14可以看出，同角钢塔一样，结构重要性系数提高0.1，SGZK4直线塔和SGJ42转角塔的可靠指标均约提高0.5。由表15可以看出，直线塔档距折减后，杆塔构件的可靠指标提高，但对于不同的荷载组合，相同档距折减百分比时杆塔构件的可靠指标提高幅度不同，有覆冰荷载时，可靠指标提高的幅度较大。由表16可以看出，转角塔转角由大变小后，不同荷载组合情况下杆塔构件的可靠指标变化不同。对于永久荷载和风荷载组合，随着杆塔转角的减小构件可靠指标提高；对于永久荷载、风荷载和覆冰荷载组合，随着杆塔转角的减小构件可靠指标基本不变。

表13 SGZK4直线塔不同重要性系数时的可靠指标

表14SGJ42转角塔不同重要性系数时的可靠指标

Tab.14ReliabilityindexesofangletowerSGJ42withdifferentimportantfactors

表15SGZK4直线塔档距折减后的可靠指标

Tab.15ReliabilityindexesofstraighttowerSGZK-4withdifferentspans

表16SGJ42转角塔不同转角时的可靠指标

Tab.16ReliabilityindexesofangletowerSGJ42withdifferentturnangles

3 结 论

(1)针对本文分析的钢管杆塔和角钢杆塔而言，钢管杆塔构件的可靠指标大于角钢杆塔构件的可靠指标。

(2)尽管实际杆塔构件的可靠指标比符合规范要求时的最小可靠指标大，但可能不能达到跨越高铁线路输电线路杆塔目标可靠指标3.7的要求。

(3)通过提高杆塔结构的重要性系数、折减直线塔的档距和减小转角塔的转角可以提高杆塔构件的可靠指标。

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[14]DL/T 5130—2001. 架空送电线路钢管杆设计技术规定[S]. 北京：中国电力出版社, 2001.

(编辑：张媛媛)

ReliabilityAnalysisofTransmissionTowerStructure

ZHANG Zhuoqun1, LI Hongnan1, GONG Jinxin1, TIAN Lei2, LI Jiaxiang1

(1. Faculty of Infrastructure Engineering Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning Province, China;2.State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

To check whether the reliability of tower structures designed based on the current design code of transmission lines could satisfy the reliability requirement of tower members in the transmission line crossing high speed railway, the reliability analysis was carried out for 500 kV typical angle steel tower and 220 kV typical steel tube tower. It is indicated that the reliability index of steel tube tower is lager than that of angle steel tower for the case studied in the paper. The reliability index of tower member may not meet the requirement of 3.7 for the transmission line crossing high speed railway, although it is larger than the minimum reliability index required in current design code. The reliability of tower members can be upgraded by increasing the importance factor of tower components, reducing the span of tangent tower or the angle of angle tower.

high speed railway; transmission line; transmission tower; reliability

国家电网公司科技项目(B3440912K006)，国家自然科学基金委创新研究群体基金(51121005)；高等学校学科创新引智计划资助(B08014)。

TM 753

： A

： 1000-7229(2014)05-0034-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.006

2013-11-07

：2014-02-18

张卓群(1985)，男，博士，主要从事输电塔结构优化设计、灾变分析以及安全性评估等研究工作，E-mail: zhangzhuoqun_2006@163.com；

李宏男(1957)，男，长江学者特聘教授，主要从事建筑结构抗风、抗震等灾变分析、健康监测与诊断研究等工作，E-mail: hnli@dlut.edu.cn；

贡金鑫(1964)，男，教授，主要从事工程结构可靠性理论与应用的研究工作，E-mail:jinxingong@163.com；

田雷(1973)，男，本科，高级工程师，主要从事输电线路设计技术、研究和咨询工作，E-mail：tianlei@ chinasperi.sgcc.cm.cn；

李嘉祥(1985)，男，博士，主要从事输电线路舞动及安全性评估等工作，E-mail：lijiaxiang1985@126.com。