《架空输电线路荷载规范》对500 kV线路杆塔的影响分析

王金龙，蒙春玲

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

风荷载是输电线路杆塔的主要承受荷载之一，在悬垂塔中的影响比重占60%左右，在耐张塔中的影响比重占30%左右。因此输电线路杆塔风荷载计算尤为重要，研究规范修订对杆塔的影响具有重要意义。

DL/T 5551—2018《架空输电线路荷载规范》[1](以下简称《荷载规范》)于2018年底发布，2019年5月1日实施。《荷载规范》总结了我国输电线路荷载设计经验，经过调查研究、计算分析，参考有关国外标准，整合了既有标准中的荷载部分，对部分荷载内容进行了修订，对杆塔和导地线风荷载中的多个参数进行了重新定义。本文通过比较《荷载规范》与GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》[2](以下简称《线路规范》)差异，以2011版通用设计杆塔5A2-ZBC2和5A2-JC2为例，分析了导地线风荷载计算公式修订前后参数变化及其对风荷载和比载的影响，给出了杆塔风振系数计算调整前后该系数取值的变化，最后综合分析了《荷载规范》修订对500kV线路塔重的影响。

1 电气荷载差异

1.1 导地线风荷载计算公式的对比

根据《线路规范》第10.1.18条公式：

式中：WX为垂直于导线及地线方向的水平风荷载标准值；α为风压不均匀系数；βC为导线及地线风荷载调整系数；μZ为风压高度变化系数；μSC为导线或地线的体型系数；d为导线或地线的外径或覆冰时的计算外径；LP为杆塔的水平档距；B为覆冰时风荷载增大系数；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角；W0为基准风压标准值；V为基准高度为10 m的风速。

本文后续涉及《线路规范》的相同参数，含义与上述说明一致，不再单独注明。

根据《荷载规范》第6.1.1条公式：

式中：βC为导地线阵风系数；αL为档距折减系数；B1为导地线覆冰风荷载增大系数；γC为导地线风荷载折减系数；g为峰值因子，取2.5；IZ为导线平均高z处的湍流强度；I10为10 m高度名义湍流强度；z为导地线平均高度，m；α为地面粗糙度指数；εc为导地线风荷载脉动折减系数；δL为档距相关性积分因子；LX为水平向相关函数的积分长度；V0为基本风速，m/s。e为自然常数，可取2.718 28；其余参数含义同《线路规范》第10.1.18条公式。

本文后续涉及《荷载规范》的相同参数，含义与上述说明一致，不再单独注明。

《线路规范》中风压不均匀系数α仅与基准高度为10 m的风速有关，导地线风荷载调整系数βC与基准高度为10 m的风速和电压等级有关，α和βC取值由风速、电压等级确定不够严谨；《荷载规范》将α和βC的含义分别调整为档距折减系数αL和阵风系数βC，调整后参数取值与导地线高度、湍流强度等因素有关，计算更加严谨合理。《荷载规范》依据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[3]对风压高度变化系数μZ的幂指数进行了修订。

1.2 导地线比载计算公式的对比

根据《线路规范》，导地线比载计算公式如下：

无冰风比载计算：

覆冰风比载计算：

式中：b为冰厚；根据《荷载规范》，导地线比载计算公式如下：

无冰风比载计算：

覆冰风比载计算：

1.3 绝缘子串风荷载计算公式对比

根据《线路规范》第10.1.21条公式：

式中：AI为绝缘子串承受风压面积计算值；

根据《荷载规范》第6.3.1条公式：

式中：AI为单联绝缘子串承受风压面积计算值；n为垂直风向绝缘子联数；λI为顺风向绝缘子串风荷载屏蔽折减系数；μSI为绝缘子串体型系数；B3为绝缘子串覆冰荷载增大系数；

《荷载规范》引入了绝缘子串体型系数和顺风向绝缘子串风荷载屏蔽折减系数。

2 杆塔荷载差异

2.1 杆塔风荷载计算公式的对比

根据《线路规范》第10.1.19条公式：

式中：WS为杆塔风荷载标准值；βZ为杆塔风荷载调整系数；μS为构件体型系数；AS为承受风压的投影面积计算值；B为覆冰时风荷载增大系数。

根据《荷载规范》第6.2.1条公式：

式中：βZ为高度Z处的杆塔风振系数；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。

《荷载规范》中杆塔风振系数βZ计算方法有较大的调整，引入团集质量法计算杆塔风振系数。

2.2 角度风荷载对比

对于塔身风荷载，DL/T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》[4](以下简称《杆塔规定》)在45°和60°风向时，引入K1塔身风断面形状系数，对于单角钢断面取1.0，对于组合角钢断面取1.1；而《荷载规范》则取消了该系数。对于水平横担风荷载，45°时x方向风荷载，《杆塔规定》取值0.4WSC(WSC为风垂直于横担正面吹风时，横担风荷载标准值)，《荷载规范》取值0.35WSC，减少了0.05WSC；60°时y方向风荷载，《杆塔规定》取值0.7WSC，《荷载规范》取值0.55WSC，减少了0.15WSC；90°时x方向风荷载，《杆塔规定》取值0.4，《荷载规范》取值0.45WSC，增加了0.05WSC。

2.3 安装及检修荷载对比

《荷载规范》相对于《线路规范》和《杆塔规定》，对部分附加荷载进行了调整。110 kV跳线附加荷载由1.0 kN调整为1.5 kN；对于500 kV和750 kV，悬垂塔导线附加荷载由4.0 kN调整为4.5 kN，地线附加荷载由2.0 kN调整为3.0 kN，跳线附加荷载2.0 kN调整为4.0 kN；人重荷载由1 kN调整为0.8 kN。

3 计算实例

3.1 设计条件

以2011版通用设计5A2模块为例，设计风速为29 m/s，覆冰10 mm，导线型号为4×LGJ-400/35，地线型号为JLB20A-150。5A2-ZBC2塔呼高24～48 m，计算呼高42 m，水平档距为550 m，垂直档距为750 m。5A2-JC2塔呼高21～30 m，计算呼高30 m，水平档距为450 m，垂直档距为800 m，转角度数20°～40°。

3.2 导地线风荷载计算比较

《荷载规范》将导地线风荷载调整系数修正为导地线阵风系数βC，将风压不均匀系数修正为档距折减系数αL。βC由其折减系数、阵风因子、湍流强度确定；αL由峰值因子、导地线脉动风荷载折减系数、湍流强度和档距相关性积分因子确定。5A2-ZBC2塔调整前后导线风荷载及其相关参数对比见表1所列。

表1 荷载参数对比表

由表1可知，5A2-ZBC2塔规范调整后导线风荷载增大3.3%，无冰风比载减小9.8%，覆冰风比载减小33.3%。

风荷载和比载前后差异主要由风振系数、档距折减系数、体型系数和风压高度变化系数影响导致。《线路规范》中风压不均匀系数α仅与基准高度为10 m的风速有关，导地线风荷载调整系数βC与基准高度为10 m的风速和电压等级有关；《荷载规范》将其含义调整为档距折减系数αL和阵风系数βC均与导地线高度、湍流强度等因素有关，计算更加合理。《荷载规范》将风压高度变化系数μZ的幂指数由0.32修订为0.30。体型系数规范调整前后取值由1.1(无冰时)、1.2(覆冰时)调整为1.0。

3.3 杆塔风荷载计算比较

《荷载规范》基于结构动力分析和杆塔结构的特点，将杆塔各段分别近似简化为质点单元进行计算，即团集质量法。根据《线路规范》和《荷载规范》的计算方法，对5A2-ZBC2杆塔风振系数βZ进行计算对比见表2所列。对5A2-JC2杆塔风振系数βZ进行计算对比见表3所列。

表2 5A2-ZBC2风振数对比表

表3 5A2-JC2风振数对比表

5A2-ZBC2杆塔风振系数βZ在塔身塔腿变化在-0.1%～0.2%范围，曲臂、横担及地线支架βZ《荷载规范》较《线路规范》增加0.4%～1.3%。5A2-JC2杆塔风振系数βZ在塔身变坡以下基本无变化，横担、地线支架以及横担以上塔身的βZ《荷载规范》较《线路规范》增加0.4%～1.1%。由此可以看出，杆塔风振系数βZ计算方法的改变对500 kV杆塔影响很小。

3.4 电气荷载和杆塔荷载变化对塔重的影响

综合考虑电气荷载和杆塔荷载的变化，对5A2-JC2、5A2-ZBC2塔进行计算，计算塔重对比详见表4所列。

表4 塔重对比表

综合考虑《荷载规范》和《线路规范》的影响，5A2-JC2塔按《荷载规范》调整后，计算塔重减小0.2%～0.3%；5A2-ZBC2塔按《荷载规范》调整后，计算塔重增加0.1%～0.2%。考虑到杆塔结构分段、统材等因素，施工图塔重基本不变，《荷载规范》对5A2模块系列杆塔的塔重影响很小。

4 结论

本文基于《荷载规范》和《线路规范》中电气荷载和杆塔荷载的差异对比，以5A2-ZBC2和5A2-JC2塔为实例，就《荷载规范》修订内容进行了分析，得出以下结论：

1)《荷载规范》引入档距折减系数αL和阵风系数βC均与导地线高度、湍流强度等因素有关，计算导地线风荷载更加合理。5A2-ZBC2塔按《荷载规范》调整后导线风荷载增大3.3%，无冰风比载减小9.8%，覆冰风比载减小33.3%。

2)按团集质量法计算杆塔风振系数βZ对500 kV影响较小，塔身、塔腿基本无变化，直线塔曲臂以上部分、耐张塔横担及以上部分较《线路规范》增加0.4%～1.3%。

3)综合考虑《荷载规范》相对于《线路规范》的变化，5A2-ZBC2计算塔重增加0.1%～0.2%，5A2-JC2计算塔重减少0.2%～0.3%。考虑到杆塔结构分段、统材等因素，施工图塔重基本不变，《荷载规范》对5A2模块系列杆塔的塔重影响很小，后续进一步分析《荷载规范》对500 kV其他杆塔的影响。