中印输电线路规范风荷载比较

曾德森，徐彬，覃伟平，舒爱强

（中南电力设计院，湖北武汉430071）

目前，国内电力设计院和电力建设公司的涉外工程越来越多，如国内有关单位承担的印度、尼泊尔等国家的多个工程，都要求采用印度规范进行设计。输电线路结构是一种风敏感结构体系，而对于印度等南亚国家，由于不存在冰雪天气，影响输电线路安全的荷载主要为风荷载，因此，深入了解并掌握印度规范及其与我国规范对于风荷载规定的异同，正确使用其进行工程设计成为迫切需要。

印度输电线路规范IS802（以下简称“印度规范”)是由印度结构工程组织委员会制定，土木工程委员会通过批准后，印度标准局采用的现行标准。主要包括三个部分：第一部分为材料、荷载和许用应力，第二部分为制造、安装、检查和涂装，第三部分为铁塔试验要求。从工程实际出发，主要对第一部分IS 802（Part 1/Sec 1）：1995[1]和 GB50545-2010《110～750 kV架空输电线路设计规范》[2]（以下简称我国规范）中有关风荷载的规定进行了比较和分析。

1 风荷载重现期

我国规范规定，对于110~330 kV输电线路和大跨越线路，风荷载的重现期取为30年；对于500 kV、750 kV的输电线路和大跨越线路，风荷载的重现期取为50年。

印度规范中风荷载的重现期与线路的可靠性级别相关，按重现期50年、150年和500年分别将输电线路划分为1、2、3级，并规定，级别1适用于400 kV以下的输电线路；级别2适用于400kV以上或400kV以下但为三回路和四回路的输电线路；级别3适用于大跨越以及具有特殊型式的输电线路。

由两国规范对风荷载重现期的规定可以看出，中印规范的重现期均与电压等级有关，对于同等电压等级的输电线路，我国规范风荷载的重现期低于印度规范。

为便于比较重现期对基本风压取值的影响，根据我国各地的年最大风压的统计特征，以50年重现期的基本风压为基准，求得不同重现期基本风压与50年重现期基本风压的换算系数，结果见表1。由表1可以看出，风荷载的大小与重现期有关，重现期越大，风荷载就越高。当重现期达到一定比值后风荷载就趋于收敛。

表1 不同重现期基本风压的换算系数Tab.1 Conversion factor of basic wind pressure for different return period

2 基本风速（风压）比较

2.1 基本风速计算

对于基本风压的计算，由于统计资料和统计时间较长，中印规范均根据气象台、站搜集到的历年最大风速资料，然后按照某种概率分布，计算得到一定重现期、观测平均时距和基准高度下的最大风速统计值，即为基本风速，然后按照线路电压等级和地理位置确定最大设计风速，再按贝努利公式计算当地的基本风压，但在计算基本风压和结构所受风荷载时，中印规范考虑的影响因素和参数的取值规定有所不同。总的来说，这些影响因素和参数分为标准离地高度、重现期、平均时距、地貌类别、风速样本及分布函数等几类。

我国规范规定，确定基本风速时，应按当地气象台、站10 min平均时距的年最大风速为样本，并宜采用极值Ⅰ型分布作为概率模型。统计风速应取以下高度：110～750 kV输电线路，离地面10 m；各级电压大跨越，离历年大风季节平均最低水位10 m；印度规范给出了全国基本风速分布图，按照10 m高度、50年重现期的3 s阵风风速来确定基本风速，并将全国分为6个风压分区，其基本风速分别为33m/s、39 m/s、44 m/s、47 m/s、50 m/s、55 m/s。

由以上分析可以看出，中印规范对于基本风速的取值，只是在平均时距上有差别。根据国内外学者对不同时距平均风速的比较，统计得到了近似的比值关系[3-4]，见表2。需要说明的是，表2中给出的是平均值，实际上很多因素都可能影响这个比值关系[5]。

印度规范在正文中也给出了10 min风速与3 s风速的近似比值关系，即

表2 各种不同平均时距与10 min时距风速的平均比值Tab.2 Ratio of different average period and 10 min of wind speed

式中，VR为10 min风速；Vb为3 s风速；K0为转换系数，推荐等于1.375。因此，式（1）也可以作为中印基本风速的转换公式。

2.2 设计风速

我国规范没有明确采用设计风速这个概念，印度规范则规定的较为详细，其设计风速的计算公式为：

式中，K1为风险系数，其取值与风压分区和输电线路可靠性级别有关，见表3；K2为地面粗糙系数，对应于地貌类别 1、2、3 分别为 1.08、1.00、0.85，见表4。为了便于比较，表4中同时列出了我国规范的地面粗糙类别划分。

表3 印度规范风险系数K1Tab.3 Risk coefficient K1of India codes

值得指出的是，印度规范中的地面粗糙系数是按10 min风速取值时确定的值，在进行风荷载计算前，应先将风速转换为10 min风速。

3 计算公式

我国规范和印度规范均将输电线路的风荷载按作用的结构构件的不同分为：作用于导地线的线条风荷载、作用于杆塔的风荷载以及作用于绝缘子串的风荷载，两国规范的计算公式见表5。

表中，α为风压不均匀系数；W0为我国规范计算的基本风压，W0=0.625V2R；μz为风压高度变化系数；μs为风荷载体型系数；β为导线风荷载调整系数；d为导地线外径；L为杆塔的水平档距；A为构件所承受的投影面积；Pd为印度规范计算的设计风压，Pd=0.6 V2d；Cd为阻力系数，相当于中国规范的风载体型系数；G为阵风响应系数。

表4 中印规范地貌粗糙类别Tab.4 Categories of terrain roughness between China codes and India codes

表5 中印规范输电线路风荷载计算公式Tab.5 Calculation formula of wind loads between China codes and India codes

从表5可以看出，中印两国在计算风荷载标准值时，基本都考虑了基本风速（风压）、地形和高度影响、风载体型以及结构动力特性等4个方面的内容。基本风速（风压）以及地形的比较如前所述。风载体型系数则主要根据风洞试验得出，由于两国风洞试验的条件有些差异，故各国风载体型系数的规定也有些差别，详见后述。结构的动力特性则主要考虑风的脉动特性和结构在风荷载作用下的振动反应[6]，各国规范所基于的理论以及选取的反应谱都有些差别，直接导致风振系数（阵风响应系数）的不同，见后述。我国规范还考虑了导地线的风压不均匀性系数以及风压高度变化系数，而印度规范则没有考虑，只是在计算阵风响应系数时考虑了高度的影响。

3.1 风载体型系数比较

输电线路系统主要由导地线、杆塔、绝缘子和金具等组件构成。风作用在这些组件上时会产生分离，使组件周围的气流发生改变，因此，作用在输电线路上的风压受到结构体型的影响。风载体型系数就是作用在建筑物表面某点上所引起的实际压力（或吸力）与来流速压的比值。

3.1.1 导地线和绝缘子串

我国规范规定，对于输电线路导地线风载体型系数线径小于17 mm应取1.2，线径大于或等于17 mm取1.1；印度规范规定，对于导线取1.0，对于地线和绝缘子串取1.2。

由以上比较可以看出，中印规范均是直接规定了导地线风载体型系数的取值，对于导线，我国规范取值偏高一些；对于绝缘子串，我国规范未考虑风载体型系数。由于印度没有冰雪天气，故印度规范不考虑覆冰风载体型系数的增大，比我国规范的规定相对简单。

3.1.2 杆塔

我国规范规定，杆塔风载体型系数应参照中国荷载规范GB50009-2001[7]。GB50009-2001中关于风载体型系数的规定主要分为2个方面：1）单体建筑或构筑物；2）围护结构及局部连接。单体建筑或是构筑物按照其类型分为38类，分别给出相应的风载体型系数。

中国输电线路杆塔规范DL/T 5154-2002[8]则规定了具体的取值方法：1）环形截面钢筋混凝土杆为0.7。2）圆断面杆件：当 W0d2≤0.002 时，为 1.2；当W0d2≥0.015时，为0.7；中间值按插入法计算。3）由圆断面杆件组成的塔架为（0.7～1.2）×（1+η）。4）型钢（角钢、槽钢、工字型和方钢）为1.3。5）由型钢杆件组成的塔架为1.3（1+η）。其中，W0为基本风压标准值；d为圆断面杆件直径；η为塔架背风面荷载降低系数，与填充系数有关。

印度规范中杆塔风载体型系数（阻力系数）与填充系数有关，具体取值见表6所示。

表6 印度规范杆塔风载体型系数（阻力系数）Tab.6 Shape coefficient(drag coefficient)for tower by India codes

由以上比较可以看出，对于杆塔结构的风载体型系数，印度规范考虑了填充系数，即杆塔投影面积与轮廓面积的比值。我国规范虽然没有明确提出填充系数这个概念，但是对于角钢塔，塔架背风面荷载降低系数η实际上考虑了这个因素。为了便于比较，选取格构式杆塔结构，将中印规范的风载体型系数与填充系数的关系绘于图1中。其中，我国规范一指侧面宽b与迎风面宽a的比值小于等于1的情况，我国规范二指侧面宽b与迎风面宽a的比值等于2的情况。

图1 中印规范杆塔风载体型系数Fig.1 Shape coefficients for tower by China codes and India codes

由图1可以看出，中印规范格构式杆塔风载体型系数均随着填充系数的增大而降低，我国规范一的风载体型系数略大于我国规范二的情况；在填充系数较小时，我国规范格构式杆塔风载体型系数小于印度规范的取值，随着填充系数的增大，我国规范与印度规范取值越来越接近。

3.2 动力特性比较

空气在流动过程中受到地表因素的影响，其速度呈现出随机脉动特性，因而风速时程不仅包括静力成分，还包括具有动力性能的脉动部分。风的动力特性应从脉动风本身的性质以及脉动风对结构的作用这两方面来分别进行分析。

3.2.1 导地线

我国规范用风荷载调整系数来描述脉动风压和结构动力特性的影响，并与风速有关。我国规范规定，500 kV和750 kV线路导地线风荷载调整系数，仅用于计算作用于杆塔上的导地线风荷载（不含导地线张力弧垂计算和风偏角计算），βc应按表7的规定确定；其他电压级的线路βc取1.0。

印度规范用阵风响应系数Gc来描述脉动风压和结构动力特性的影响，并与代表档距、地貌类别和导地线高度有关，具体取值如表8所示。

由表7和表8可以看出：

表7 我国规范导地线风荷载调整系数βcTab.7 Wind vibration coefficient βcfor conductors by China codes

表8 印度规范导地线阵风响应系数GcTab.8 Gust response factor Gcfor conductors by India codes

1）我国规范导地线风荷载调整系数只与风速有关，印度规范则考虑的因素较多，且数值大于我国规范较多。

2）印度规范导地线阵风响应系数与档距有关，结合线路实际，较我国规范更合理一些。

3.2.2 杆塔和绝缘子串

对于杆塔，我国规范规定，当杆塔全高不超过60 m，杆塔风荷载调整系数（用于杆塔本身)对全高采用一个系数，按杆塔全高20 m、30 m、40 m、50 m、60 m分别为 1.0、1.25、1.35、1.5 和 1.6；当杆塔全高超过60 m，杆塔风荷载调整系数应按规范GB 50009-2001采用由下到上逐段增大的数值，但其加权平均值对自立式杆塔不应小于1.6，对单柱拉线杆塔不应小于1.8。

印度规范给出了杆塔和绝缘子串的阵风响应系数，见表9所示。

由表9及以上论述可以看出，印度规范杆塔阵风响应系数较我国规范风荷载调整系数大很多，并同时考虑地貌类别和对地高度。我国规范在杆塔高度小于60 m时，采用简化方法，杆塔全高采用同一数值，使得计算较为方便。对于超过60 m的杆塔，则分段计算，并与对地高度有关。

表9 印度规范杆塔和绝缘子串的阵风响应系数Tab.9 Gust response factor for towers and insulators by India codes

4 风荷载对比计算实例

4.1 计算条件

结合工程实际，假定风荷载对比计算的统一条件见表10。假定塔高100 m，1～60 m填充系数为0.15，60～70 m填充系数为 0.24，70～80 m填充系数为0.45。

表10 风荷载对比计算统一条件Tab.10 Uniform conditions of wind load comparison calculation

4.2 线条风荷载计算

中印规范10～80 m计算高度线条风荷载计算结果见表11。为了便于比较，同时将比较结果绘于图2中。印度规范的风荷载值与重现期有关，重现期越大，风荷载值越大。为了便于比较，在计算风荷载值时，分别列出了重现期为50年、150年和500年的情况。我国规范则列出50年重现期的情况。

表11 中印规范线条风荷载计算值Tab.11 Calculated value of wind loads on conductors by China codes and India codes N

由表11和图2可以得出如下结论：

1）印度规范地线风荷载大于导线风荷载。在重现期为50年时，我国规范的导线风荷载标准值小于印度规范导线风荷载值。考虑到我国规范风荷载1.4的分项系数，我国规范风荷载设计值在40 m高度以下时小于印度规范风荷载值，在40 m高度以上时则大于印度规范风荷载值。

2）对于地线，我国规范风荷载值则远小于印度规范风荷载值。

3）两国风荷载重现期都与电压等级有关，对于500 kV的输电线路，我国规范重现期为50年，印度规范为150年。从两者风荷载值的比较来看，我国规范导地线风荷载值均小于印度规范对应的值。

4.3 杆塔风荷载计算

中印规范10～80 m计算高度杆塔风荷载计算结果见表12和图3。

表12 中印规范杆塔风荷载计算值Tab.12 Calculated values of wind loads on towers by China codes and India codes N

图2 中印规范线条风荷载值比较Fig.2 Comparison of wind loads on conductors by China codes and India codes

图3 中印规范杆塔风荷载值比较Fig.3 Comparison of wind loads on towers by China codes and India codes

由表12和图3可以得出如下结论：

1）50年重现期时，我国规范在高度较低时杆塔风荷载值低于印度规范风荷载值，在高度较高时则高于印度规范风荷载值。

2）与印度规范150重现期的风荷载值相比，我国规范50年重现期的杆塔风荷载标准值偏小一些，风荷载设计值则在高度较低时偏小一些，在高度较高时偏大一些。

5 结论

通过对中印输电线路规范风荷载的对比研究，主要得出如下结论：

1）中印规范的风荷载重现期均与电压等级有关，对应于同样的电压等级，中国50年重现期的风荷载相当于印度150年重现期的风荷载。

2）对于导线，在重现期为50年时，我国规范的导线风荷载标准值小于印度规范导线风荷载值，我国规范风荷载设计值在高度低时小于印度规范风荷载值，在高度较高时则大于印度规范风荷载值；与印度规范150年重现期风荷载相比，我国规范50年重现期的导线风荷载值小于印度规范的风荷载值。对于地线，我国规范风荷载值小于印度规范风荷载值。

3）对于杆塔，50年重现期时，我国规范在高度较低时风荷载值低于印度规范风荷载值，在高度较高时则高于印度规范风荷载值。与印度规范150年重现期风荷载相比，我国规范50年重现期的杆塔风荷载标准值偏小一些，风荷载设计值则在高度较低时偏小一些，在高度较高时偏大一些。

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