超高压输电线路耐张塔45°风荷载的计算与分析

王新宇，施菁华，曹玉杰，张耀民，杜国良

(华北电力设计院工程有限公司，北京市 100120)

0 引言

文献［1］中规定:一般耐张型杆塔可只计算90°风向。这是因为耐张塔在90°风荷载作用下，导线、地线、塔身风压与导线、地线张力引起的横向力叠加，形成了耐张塔的主要荷载，而铁塔前后侧张力差相对较小，不起控制作用。

文献［2］中规定:一般耐张塔可以只考虑90°和45°这2个风向;终端铁塔除考虑90°风向外，还需考虑0°风向。但文献［2］中没有明确说明超高压线路耐张塔是否必须考虑45°风向。

目前，特高压线路耐张塔在设计时要求进行45°风荷载的计算，而其他电压等级线路则不需要。因此，本文将研究45°风荷载对其他电压等级耐张塔的影响，以及进行45°风荷载计算的必要性。

1 45°风荷载作用下线条荷载的计算

杆塔风荷载由3部分组成:线条风荷载、塔身风荷载和水平横担风荷载。

文献［1-2］给出了线条风荷载的计算方法，如表1所示。表1中，Wx为风垂直导线、地线方向流动时，导线、地线风荷载的标准值。

对于耐张塔，除了风向角外，导线、地线本身与垂直于铁塔横担的方向也存在夹角。在以往不考虑45°风荷载的耐张塔计算中，通常不计入这个夹角，而考虑45°风荷载后，由于大、小号侧线条与45°风的夹角不同，需要将线条风荷载按十字分解法分解为垂直于导线、地线方向的力和顺导线、地线方向的力，进而转化为整体坐标下的x和y方向的力。采用该方法计算45°风荷载作用的耐张塔时，只考虑90°风的工况，塔腿主材内力增加，尤其对转角度数较大的耐张塔，内力增幅可以达到10%。

表1 角度风吹时风荷载分配表Tab.1 Distribution of wind load under angle wind

上述方法没有将耐张塔的导线、地线张力负荷视为随垂直于导线、地线方向风速不断变化的函数，因此对于不同转角度数的耐张塔，在45°风荷载作用下线条张力减小。按照十字分解法对顺线条和垂直线条方向分别进行计算［3］，其分解图如图1所示。

图1 45°风对不同转角线条作用Fig.1 Effect of 45°wind on lines of different angles

根据十字分解法可得

式中:α为转角度数;Vc、Vs分别为顺线路风速和垂直线路风速。

由文献［4］可知:风向顺线路时的线路风荷载与弧垂的3次方成正比，与档距的平方成反比，其顺线路方向的荷载比垂直方向的小。因此在计算45°风荷载工况时，可将设计风速折算到垂直线条方向上进行计算，各种工况下的风压不均匀系数按照设计风速取值［5-8］。

2 500 kV耐张塔45°风荷载的计算

500 kV承德—平安城双回输电线路工程平丘段铁塔基本设计条件如下:导线型号为4XJL/G1A-630-45/7;地线型号为JLB30-185铝包钢绞线、GJ-100;基本风速V=27.0 m/s;导线覆冰为5 mm;地线覆冰为10 mm。

耐张塔角度划分为 SJ611(0°～ 20°)，SJ612(20°～40°)，SJ613(40°～ 60°)，SJ614(60°～ 90°)。45°风荷载工况下的耐张塔如图2所示。

图2 45°风工况下耐张塔Fig.2 Tension tower under 45°wind conditions

不同转角度数下45°风(风速为27m/s)的风速换算见表2。

表2 不同转角度数下45°风的风速换算Tab.2 Conversion of 45°wind under different deviation angles

由表2可以看出，小号侧折算风速随转角度数的增加而增加，大号侧折算风速随转角度数的增加而减小。由换算风压进一步计算I～IV型耐张塔的线条荷载如表3所示，由于地线负荷较小，表3中仅列出导线的线条荷载情况。

从表3可以看出:换算后，除了0°转角外，其余转角度数下的小号侧线条风压较换算前增加，增加量随耐张塔转角度数的增加而增大;90°转角时换算后的线条风压可达换算前的2.6倍;换算后大号侧线条风压随耐张塔转角度数的增加而减少;90°转角时，由于45°风向与线条方向重合，线条风压为0。上导线风压换算前后数值如图3所示。导线横向张力换算后小于换算前，纵向张力差换算后大于换算前，方向为负。将导线风压十字分解至x-y坐标系，x向的风压值换算后小于换算前，y向的风压值换算后随耐张塔转角度数的增加而增大显著，方向为正。

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3 超高压耐张塔45°风荷载的计算

根据上述分析，耐张塔在计入45°风荷载后，不仅线条风压发生变化，耐张塔两侧的导线、地线张力也发生变化;横向张力减小而纵向张力差有所增加。因此，要判断耐张塔在计入45°风荷载后对铁塔的影响，需对铁塔相关系数进行计算［9-10］。

以500 kV承德—平安城双回输电线路工程的耐张塔为例，本工程使用了3种型式的耐张塔，其在90°和45°风荷载作用下塔腿主材的内力见表4。

表4 500 kV交流线路耐张塔在90°和45°风荷载作用下塔腿主材的内力Tab.4 Internal force of main material of 500 kV AC tension tower leg under 90°and 45°wind

以±660 kV宁东—山东直流输电线路工程耐张塔为例，该工程采用了3种型式耐张转角塔:JC3042(20°～ 40°)、JC3043(40°～ 60°)、JC3044(60°～90°)，3种耐张塔在90°和45°风荷载作用下塔腿主材的内力见表5。

表5 ±660 kV直流线路耐张塔在90°和45°风荷载作用下塔腿主材的内力Tab.5 Internal force of main material of±660 kV DC tension tower leg under 90°and 45°wind

从表4、5可以看出，2线线路的耐张塔在计入45°风荷载作用后，塔腿内力比90°风荷载作用时的增加值均不超过1%，对塔体质量没有影响。而在1 000 kV特高压线路设计中，计入45°风荷载后塔腿内力比90°风荷载时增加0～3%，其原因是随电压等级的增加，塔的外形尺寸增大，风荷载的影响也在不断增大。

4 结论

(1)按照折算风速对线路风压及张力进行换算，换算后除0°转角外，其余转角度数下小号侧线条风压较换算前增加，增加量随耐张塔转角度数的增加而增大;换算后大号侧线条风压随耐张塔转角度数的增加而减少;90°转角时，由于45°风向与线条方向重合，线条风压为0;导线横向张力换算后小于换算前，纵向张力差换算后大于换算前。

(2)对于500 kV双回路和±660 kV直流输电线路的耐张塔，计入45°风荷载作载后塔腿内力增加较小，对塔体质量的影响也较小，但随着电压等级增加、铁塔外形尺寸的加大，塔腿内力有所加大。

(3)对于500 kV双回路和±660 kV直流输电线路的耐张塔，各种塔型在计入45°风荷载作用后内力增加均小于1%，对塔体质量的影响较小，所以在设计超高压线路耐张塔时，可以将45°风荷载作为非必要工况进行设计。

［1］DL/T 5154—2002架空送电线路杆塔结构设计规定［S］.

［2］Q/DG 1-T003—2010架空输电线路铁塔设计技术导则［S］.

［3］中国电力工程顾问集团公司.1 000 kV锡盟—南京、淮南(皖南)—上海(皖电东送)特高压交流线路工程杆塔设计原则［R］.北京:中国电力工程顾问集团公司，2011.

［4］邵天晓.架空输电线路的电线力学计算(第2版)［M］.北京:中国电力出版社，2003.

［5］GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空输电线路设计规范［S］.

［6］康东升.500 kV紧凑型输电线路的规划设计［D］.山东:山东大学，2006.

［7］白鹏.浅析500 kV耐张塔在风荷载作用下的极限承载力［J］.华章，2011，27(9):12-15.

［8］GB 50009—2001建筑结构荷载规范［S］.

［9］王力争.输电铁塔顺风向风振系数计算方法的对比分析［J］.电力建设，1996，17(6)，19-22.

［10］李喜来.架空送电线路风荷载的探讨［J］.电力建设，1994，13(S1)，34-37.