新输电线路设计规范对杆塔设计的影响性分析

汪楚清，王辉

(1.宁夏回族自治区电力设计院有限公司，宁夏 银川 750004；2.北方民族大学土木工程学院，宁夏 银川 750021)

基于当时的认知水平与电网安全可靠性需求，我国的《110kV～750kV架空输电线路设计规范》(GB50545—2010)[1]已不满足当前社会经济发展的需要，也不利于我国的电网基建技术走向国外。新修订的《架空输电线路电气设计规程》(DL/T 5582—2020)[2]、《架空输电线路荷载规范》(DL/T 5551—2018)[3]和《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》(DL/T 5486—2020)[4]则共同构成了输电线路行业新的主体技术标准框架。根据国网基建部相关要求，线路工程均需按新规范开展设计和校核工作。但目前关于新规范对杆塔结构的影响分析较少，如李鑫等[5]、李敏生等[6]、徐彬等[7]对国内外铁塔风荷载的计算原理进行了对比分析，赵峥等[8]对新版荷载规范的主要修编内容作了浅略解析，赵勇等[9]研究发现新版荷载规范计算出的风荷载要高于原规范，吴海洋等[10]探讨了新规范中的风荷载调整系数取值是否合理的问题。为此，调取了宁夏“十四五”规划拟开展的工程计划，以宁夏35～330 kV输电线路工程常用的杆塔通用设计模块为分析样本，研究新规范对杆塔方面的影响，以期为未来工程的顺利实施提供理论依据。

1 新规范修订要点

1.1 《架空输电线路荷载规范》(DL/T 5551—2018)

此规范主要对各架空输电线路的线条风荷载、杆塔风荷载等内容进行了修订。

1.1.1 线条风荷载

相比旧规范，新规范在线条风荷载计算中全面引入风工程理论，将旧规范中的风压不均匀系数与风速脱钩，将导地线风荷载调整系数与风速和电压等级脱钩，转而建立两者与导线水平档距、保证率和湍流度之间的关系，并分别改称为档距折减系数αL和导地线阵风系数βC。新规范中的导线、地线及跳线风荷载标准值的计算方法见式(1)—式(6)：

WX=βC·αL·W0·μZ·μSC·d·LP·B1·sin2θ

(1)

βC=γC(1+2g·IZ)

(2)

(3)

(4)

(5)

W0=V02/1600

(6)

式中:WX—风荷载标准值；

βC—导地线阵风系数；

αL—档距折减系数；

W0—基准风压；

μZ—风压高度变化系数；

μSC—导线或地线的体型系数；

d—导线或地线的外径或覆冰时的计算外径；

LP—杆塔的水平档距；

B1—导地线覆冰风荷载增大系数；

θ—风向与导线或地线方向之间的夹角；

γC—导地线风荷载折减系数，取0.9；

g—峰值因子，取2.5；

IZ—导线平均高z处的湍流强度；

I10—10 m高度名义湍流强度；

z—导地线平均高度；

α—地面粗糙度指数；

εc—导地线风荷载脉动折减系数；

δL—档距相关性积分因子；

LX—水平向相关函数的积分长度；

e—自然常数；

V0—基本风速。

1.1.2 杆塔风荷载

与旧规范相比，新规范在计算杆塔风振系数时采用团集质量法，与《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)保持一致。采用团集质量法的风振系数计算公式如下：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：βzi—第i点的顺风向风振系数；

mi、Ai、φ1i、μsi、μzi—第i点的质量、面积、一阶振型系数、体型系数、风压高度变化系数；

εt—脉动折减系数；

I10—10 m高处湍流度；

α—地面粗糙度指数；

g—峰值因子。

脉动风竖向相干函数cohz(zj,zj')采用由Shiotani提出的与频率无关的简化公式：

(12)

1.2 《架空输电线路电气设计规程》(DL/T 5582—2020)

此规范主要是对风偏角计算、绝缘配合要求等进行了修订。

1.2.1 风偏角的计算

引入了荷载规范的计算方法，并结合风偏放电的物理特点进行系数调整。与导地线线条荷载计算相比，导地线间隙风荷载计算时仅与导地线、跳线相关，而与铁塔无关，εc不考虑折减，同时电气响应远较结构响应敏感，g取3.6。相比旧规范，新规范在绝缘子风偏计算中引入顺风向绝缘子风荷载屏蔽折减系数，此系数只与串型和串数有关。

1.2.2 绝缘配合要求

此规范对海拔高度超过1000 m地区悬垂绝缘子串片数的修正计算式做了调整，计算公式如下：

nH=nem1(H-1000)/8150

(13)

1.3 《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》(DL/T 5486—2020)

此规范主要是对材料强度指标、轴心受力构件的强度计算公式、轴心受力构件的强度折减系数、交叉斜材计算长度、轴心受力构件的宽厚比限值等内容进行了修订。

1.3.1 材料强度指标

钢材抗力分项系数应符合表1。

表1 钢材抗力分项系数

1.3.2 轴心受力构件的强度计算

轴心受力构件的强度计算应符合下列两式的规定：

(14)

(15)

式中:N—轴心拉力或轴心压力设计值；

A—构件毛截面面积；

An—构件净截面面积；

fy—钢材的屈服强度；

fu—钢材的抗拉强度最小值；

γR—钢材的抗力分项系数；

η—构件强度折减系数，相比旧规范，新规范对于受拉杆件的强度折减较多。

1.3.3 计算长度

对于按平行轴计算的主材，新规范计算长度系数由1.2调整为1.1。交叉斜材计算长度及修正系数K2调整为按式(16)计算。

两根斜材一拉一压时：

(16)

两根斜材同时受压时：

(17)

式中：N—计算杆的内力；

N0—相交另一杆的内力。

1.3.4 轴心受压构件的稳定计算

新规范对轴心受压构件的宽厚比限值进行了调整：

(18)

式中：w—翼缘自由外伸宽度；

t—厚度；

φ—轴心受压构件稳定系数，轴心受压构件的稳定系数φ分a类、b类，轴心受压钢构件的截面分为a类、a*类和b类；

fy—钢材的屈服强度。

1.4 小 结

可以看出，此次规范的修订实质是对输电线路的可靠度水平进行了调整，最终落脚点体现在了风荷载的计算上，包括风偏角风荷载、导地线线条风荷载和塔身风荷载。而在其他方面并无太多变化，仅是结合多年的工程经验对某些问题进行了明确或做了整合。

2 新旧规范荷载计算的差异性分析

2.1 风偏角风荷载

由于风偏角荷载计算公式调整较大，尤其是对27～31 m/s风速区间影响最大，以220 kV在大风工况下的摇摆角计算为例，结果见表2。

从表2看出，按新规范计算出的摇摆角普遍比旧规范要大1°～2°，同时由于绝缘配合的变化，导致塔头尺寸会有所增加。

表2 导地线风偏计算

2.2 导地线线条风荷载

选取βCαLμZ计为考察基准，分别计算了典型110 kV和220 kV的线条风荷载，结果见表3。

表3 线条风荷载计算

可见，新规范对导地线线条风荷载的计算较原规范有很大程度的增加，算例表明增幅在15%以上。

2.3 塔身风荷载

选取加权平均后的杆塔风振系数βz(90°风向)计为考察基准，分别计算了典型110 kV、220 kV和330 kV的塔身风荷载,见表4。

表4 塔身风荷载计算

可见，新规范对塔身风荷载的计算较原规范有很大程度的增加，算例表明增幅在20%左右。

2.4 风荷载的影响

通过以上分析得出新规范引起35～330 kV线路杆塔的摇摆角略有增大，导地线线条风荷载和塔身风荷载也有所增加。需要指出的是输电塔结构是空间桁架体系，并不意味着风荷载水平的增加会影响杆塔结构的承载力，其结构的承载力还要受导地线张力和自重的影响，风荷载只占其中一部分。随着电压等级的增加，由于大截面和多分裂导地线的使用，反而风荷载对杆塔结构的影响程度会减弱。

3 新规范对杆塔设计的影响

收集了宁夏“十四五”规划期间35～330 kV输电线路工程，以常用的杆塔通用设计模块为分析样本，塔型共计139个。

3.1 杆塔校核分析

杆塔校核主要包括塔头间隙和承载力校核两方面，校核结果(见表5)表明，塔头间隙不合格率约为90%，杆塔综合不合格率约为93%。

表5 杆塔校核结果

3.2 塔重和基础作用力分析

由于样本数据量较大，仅列出部分具有代表性的塔型，表6和表7分别表明新规范引起塔重约增加3%～10%，基础作用力平均增大20%以上。由于铁塔和基础在输电线路本体造价中占比很大，必须在工程建设中考虑其带来的影响。

表6 塔重影响性分析

表7 基础作用力影响性分析

4 结 论

综上所述，本次新规范的修订内容较多，对35 ～330 kV杆塔的影响很大，主要表现在以下几个方面：

(1)电气规程将引起风偏角普遍增大1°～2°，再考虑到绝缘配合的变化，导致原杆塔通用设计塔头间隙普遍不满足新规程要求，不合格率达到90%以上，仅有部分耐张塔电气间隙满足要求。

(2)荷载规范将引起导地线线条风荷载增大15%以上，引起塔身风荷载增大20%以上，这一变化将引起塔重和基础作用力的增加。

(3)结构设计规程将引起部分杆件强度不够，尤其是单颗螺栓连接的斜材和辅材。

(4)新规范综合将引起原典设塔重增加3%～10%，基础作用力增加20%以上，这将导致工程量的增加。在基建前期阶段应考虑规范修订带来的影响，尤其是在工期和综合造价方面，建议加强工程的全过程管理工作。