中美输电线路规范风荷载计算比较

2014-11-28任玉会

吉林电力 2014年4期

李鑫，任玉会

（1.东北电力设计院，长春 130021；2.吉林省电力勘测设计院，长春 130022）

近年来，越来越多的国内设计院参与了国外输电线路工程的设计工作。美国ASCE 74—2009Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading作为国际通用的主流规范之一，被越来越多的涉外工程所要求和采用，而ASCE 与GB 50545—2010《110kV～750kV 架空输电线路设计规范》在风荷载计算上存在较大的差异。面对越来越多的涉外工程设计的需求，了解、熟悉并掌握美国规范及其与中国规范的异同，对于在涉外工程中更好地采用美国规范进行设计很有必要。风荷载作为输电线路工程设计中关键的荷载之一，对工程安全可靠、经济合理至关重要，因此正确理解各标准的计算方法十分必要。本文从工程实际出发，对美国ASCE 74—2009和我国GB 50545—2010的风荷载计算进行比较和分析。

1 风荷载计算公式

GB 50545—2010中的杆塔风荷载计算公式为：

式中：Ws为杆塔风荷载标准值；W0为基准风压标准值；μz为风压高度变化系数；μs为构件的体型系数；B2为杆塔构件覆冰风荷载增大系数；As为迎风面构件的投影面积计算值；η为塔架背风面荷载降低系数；βz为杆塔风荷载调整系数。

ASCE 74—2009中输电线路结构的设计风荷载为：

式中：F为风方向的风荷载；γw为重现期荷载调整系数；Q为空气密度常数；Kz为风压高度变化系数；Kzt为地形影响系数；v50为50年重现期3s阵风风速；G为阵风响应系数；Gf为风力系数；A为迎风向投影面积。

2 风荷载计算公式的基本参数

2.1 基本风速

基本风速是风荷载设计输入的基本参数，但是各国对基本风速的取值是有各自标准的。各国在制定规范的时候，涉及到以下6项的定义是不同的。

a.标准离地高度。风速是随着高度变化的，由于地表摩擦的影响，使得离地高度越大，风速就越大，直到达到不受地表影响的梯度风高度，风速即稳定在梯度速度。

b.最大风速重现期。从概率的意义上来说，在一定时间间隔内，超过该最大平均风速的概率不大于某特定值，该时间间隔就称为重现期。重现期越长，结构安全度越高。

c.平均风速的时距。平均最大风速与时距有很大关系，时距取得越短，则平均风速值越高。

d.标准地貌类别。地表愈粗糙，风能消耗愈厉害，平均风速愈小。因此必须以一个标准的地貌作为基本风速的取值标准。

e.最大风速的样本。最大风速有其周期性，每年季节性重复，因此，采用年最大风速作为一个统计样本是比较合适的，在这点上各国基本一致。

f.最大风速概率分布曲线类型。由于最大风速涉及到概率计算，必须根据概率密度函数曲线形式，选取最符合最大风速出现规律的曲线线形。

GB 50545—2010 中采用B 类地貌下离地10 m、10min时距的年平均最大风速作为基本风速，其中500～750kV 输电线路重现期为50年，其基本风速不宜低于27m／s，110～330kV 输电线路重现期为30年，其基本风速不宜低于23.5m／s。

ASCE 74—2009中采用50年一遇的C 类粗糙度场地，离地33ft（约合10m）、时距为3s的阵风风速作为基本风速。

中、美规范在基本风速的定义上基本相同，仅在时距的取值上存在着不同。

2.2 风压高度变化系数

当气压场随高度不变时，风速随高度增大的规律，主要取决于地面粗糙度和温度垂直梯度，因此，风压高度变化系数与地面粗糙度有很大的关系。GB 50545—2010 把地面粗糙度可分为A、B、C、D四类，相对应的地形描述如下：A 类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C 类指有密集建筑群的城市市区；D 类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。

GB 50545—2010中一般采用B 类地貌进行输电线路设计，其风压高度变化系数为：

式中：z为铁塔各节段的中心高度。

ASCE 74—2009的分类与GB 50545—2010有较大的差别，仅分为三类，即B、C、D 类，从分类的地形描述上可以将ACSE 74—2009中的B 类等同于GB 50545—2010 的C 类；ACSE 74—2009 中的C类等同于GB 50545—2010 中的B 类；ASCE 74—2009中的D 类等同于GB 50545—2010中的A 类。

ASCE 74—2009中风压高度变化系数为：

式中：Zh为结构有效高度，zg为梯度高度，10 m≤Zh≤Zg，当铁塔高度小于或等于60 m 时，取铁塔2／3高度作为有效高度，当铁塔高度大于60 m 时，有效高度为铁塔各节段的中心高度，α为幂指数。

在铁塔小于60 m 时，GB 50545—2010 与ASCE 74—2009中风压高度变化系数的计算高度不同，GB 50545—2010仍采用各节段中心的对地高度，ASCE 74—2009则取2／3铁塔高度。60m 高度范围内的风压高度变化系数见表1、表2。

表1 GB50545—2010风压高度变化系数

表2 ASCE74—2009风压高度变化系数

从表1、表2可以看出，各标准的风压高度变化系数的计算公式不一样，其值也不一样，总的规律是风压高度变化系数都是随高度而增加。对于GB 50545—2010的B 类地貌与ASCE 74—2009 中C类地貌的风压高度变化系数，ASCE 74—2009的风压高度变化系数小于GB 50545—2010 值，随着高度增加，ASCE 74—2009 与GB 50545—2010 的风压高度变化系数比值越来越小。

2.3 构件的体型系数

GB 50545—2010中1.3（1＋η）为角钢塔体型系数，k（1＋η）为钢管塔体型系数（其中0.7≤k≤1.2），k为体型变化系数，环形截面钢筋混凝土杆取0.7；η为背风面荷载降低系数，见表3。

表3 塔架背风面荷载降低系数

ASCE 74—2009中正方形和三角形截面形状网格桁架结构的风力系数见表4。如果塔的杆件为圆截面，那么风力系数需要乘以表5中的修正系数来确定，其中φ为填充系数。

表4 具有平周边杆件的网格桁架结构上垂直风的风力系数对比

根据以上算法，不同填充系数时GB 50545—2010与ASCE 74—2009的体型系数比较见表6，其中GB 50545—2010的钢管塔体型系数为0.85（1＋η）。可以看出：当填充系数小于0.3或大于0.5时，GB 50545—2010与ASCE 74—2009的体型系数差别较大；钢管塔体型系数差别大于角钢塔体型系数。一般铁塔的填充系数介于0.3～0.5之间，此时两种规范的角钢塔体型系数差别小于18%，而钢管塔体型系数差别为28%。

表6 GB50545—2010与ASCE74—2009的体型系数对比

2.4 风荷载调整系数及阵风影响系数

GB 50545—2010风荷载调整系数βz，主要考虑脉动风振的影响。全高在20m 及以下杆塔的自振周期较小（一般在0.25s以下），可以不考虑风振的影响（即βz＝1.0）；全高不超过60m 时全塔采用一个系数；杆塔超过60m 时，特别是较高的大跨越杆塔，βz根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》采用由下到上逐段增大的数值，且加权平均不应小于1.6。对宽度较大或迎风面增加较大的计算段（如横担等），应给予适当加大。

ASCE 74—2009中输电结构的阵风响应系数Gt为：

式中：Zh为铁塔有效高度；Kv为10m 高度的3s阵风风速与10min平均风速比值，取1.43；αFM为持续风的幂指数；κ为表面阻力系数；Ls为湍流积分尺度。

按照以上公式可以看出，ASCE 74—2009在C类地貌下的阵风响应系数随着高度增加而降低。10 min平均风速下的阵风响应系数在1.50～1.66之间，可见GB 50545—2010与ASCE 74—2009的计算结果基本相当。

2.5 地形影响系数

GB 50545—2010对于通过山区线路的设计风速按附近平地风速增大10%计算，以此反映山区的微地形影响和狭管等效应。

ASCE 74—2009将地形特征分为二维山脊和悬崖或者三维轴对称山丘二大类（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；vz为附近平地风速。

当输电线路位于半山或者邻近悬崖时，地形影响系数按以下公式取值：

式中：K1为考虑地形特征形状和最大增速影响的系数；K2为考虑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；K3为考虑局部地形以上高度增加而风速减小的系数。

按此公式计算可以看出，ASCE 74—2009山顶处的风荷载地形影响系数大于半山腰处，随着高度的增加，其地形影响系数逐渐减小。

2.6 覆冰风荷载增大系数

图1 ASCE的地形影响系数

GB 50545—2010中按照不同的覆冰厚规定了不同的风荷载增大系数，5 mm 冰区取1.1，10mm冰区取1.2，15mm 冰区取1.6，20mm 冰区取1.8，20mm 以上冰区取2.0～2.5。

ASCE 74—2009中并没有与此相关的系数，通常不需要对杆件上因覆冰引起的挡风面积增加进行修正。

2.7 角度风计算

GB 50545—2010中规定，风向与导、地线方向或塔面成夹角时，导线、地线风载在垂直和顺线条方向的分量，塔身和横担风载在塔面两垂直方向的分量，按表7选用。其中：x、y 分别为垂直与顺导、地线方向风荷载的分量；Wx为风垂直导、地线方向吹时，导、地线风荷载标准值；Wsa、Wsb分别为风垂直于a 面及b 面吹时，塔身风荷载标准值；Wsc为风垂直于横担正面吹时，横担风荷载标准值；K1为塔身风载断面形状系数：对单角钢断面取1.0，对组合角钢断面取1.1。

ASCE 74—2009中铁塔在横向和纵向各自独立的荷载计算为：

式中：Ft、Fl分别为垂直和顺线路方向的荷载；ψ为偏向角；Amt、Aml分别为平行和垂直于线路方向所有杆件的面积；Cft、Cfl分别为平行和垂直于线路方向的风力系数。

因此GB 50545—2010 与ASCE 74—2009 相比，在0°和90°角度下风荷载计算方法基本相同，角度风的风荷载计算方法不同。

3 结语

a.GB 50545—2010与ASCE 74—2009杆塔风荷载计算均采用风振系数乘以平均风荷载的方法。GB 50545—2010中采用离地10m、10min时距的年平均最大风速作为基本风速，而ASCE 74—2009采用50年，离地33ft、时距为3s的阵风风速作为基本风速。GB 50545—2010根据不同的电压等级规定了不同的重现期，而ASCE 74—2009并没有区分。

b.在铁塔高度小于60 m 时，GB 50545—2010与ASCE 74—2009中风压高度变化系数的计算高度不同，GB 50545—2010仍采用各节段中心的对地高度，ASCE 74—2009则取2／3铁塔高度。对于GB 50545—2010的B类地貌与ASCE 74—2009中C类地貌的风压高度变化系数，ASCE 74—2009 的风压高度变化系数小于GB50545—2010值，随着高度增加，ASCE 74—2009 与GB 50545—2010 的风压高度变化系数比值越来越小。