海岛环境下大跨越输电塔风荷载关键参数特性研究

施力，潘峰，聂建波，陈成，郑剑伟

（1.中国水利水电第四工程局有限公司国际公司，北京100070；2.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江 杭州 310012；3.国网浙江省电力公司物资分公司，浙江 杭州 310003）

海岛环境下大跨越输电塔风荷载关键参数特性研究

施力1，潘峰2，聂建波3，陈成2，郑剑伟2

（1.中国水利水电第四工程局有限公司国际公司，北京100070；2.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江 杭州 310012；3.国网浙江省电力公司物资分公司，浙江 杭州 310003）

220 kV舟山本岛—岱山双回输电线路改造工程主要包括灌门大跨越、龟山大跨越和高亭大跨越三个大跨越，其中龟山大跨越处于线路的中间位置，连接秀山岛和官山岛，中间跨越龟山水道，大跨越耐张段长度3 714 m，最大跨越档距2 349 m，最大设计风速44 m/s。

大跨越输电塔是集高耸结构和空间杆系结构2种特征于一体的风敏感结构。风荷载是主要的设计荷载之一；与常规塔相比，大跨越的档距、导地线荷载、铁塔高度等都有大幅度提高，有着特殊的风荷载特性和规律。

国内规范对于输电塔动力特性的处理主要是引入了风振系数的概念来调整基本风压，从而将脉动风转换为等效静风荷载进行计算。《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》［1-2］（DL/T 5154-2002，以下简称《技术规定》）中规定，当杆塔全高超过60 m时，杆塔风振系数应按《建筑结构荷载规范》［3-4］（GB50009-2012）采用由下到上逐段增大的数值。然而荷载规范中的风振系数计算公式仅适用于结构外形和质量沿高度分布均匀或规则变化的高层建筑或高耸结构，大跨越输电塔由于横担的存在使得全塔质量和受风面积分布不再均匀，设计时无法简单套用规范。

另外，对于风荷载的其他一些参数（过渡区，风高系数，体形系数，角度风分配）等的正确选取，都给设计人员提出了新的更高的要求，有必要进行深入细致的研究。

本文根据大跨越特定工程环境，研究适用于工程的风速过渡区、风压高度变化系数；结合以往工程经验，提出体型系数推荐值；参考国内外规范，补充塔身与横担风荷载角度风荷载分配系数，得出大跨越塔风荷载设计的一些结论。

1 风速过渡区的准确选取

近地风在其行程中会遇到各种各样的障碍物，随着流动风向障碍物粗糙度的变化，风速大小的变化也不尽一致。一般，不同地面粗糙度类别有不同的风剖面，当风进入新的风剖面中，在达到平衡状态前，必须经过某一地面距离，称为过渡区，随着风流程的增加，新的风剖面将逐步形成。风速随地面粗糙度类别的改变如图1所示。

图1 地面粗糙度改变情况示意图Fig.1 Changes in the roughness of the ground

一般地，在过渡区内的风速是逐步变化的，其风速应进行相应修正。按我国目前的状况和习惯，未具体建议风速（风压）修正的方法，而是参考欧美等国家的相关规范，直接选择过渡区距离x=1 500 m进行分析和地面粗糙度类别分类。欧美等国的相关规范条文如下：

1）澳大利亚规范x－xi≥1 500 m为过渡区；

2）英国规范认为需要1 000 m或更长的行程作为过渡区；

3）美国规范规定B类地面粗糙度类别（相当于中国C类地面粗糙度类别）所代表的地区，在上风方向上要有大于460 m或10倍建筑物或其他结构物高度的距离，二者中取大值；规定A类地面粗糙度类别（相当于中国D类地面粗糙度类别）所代表的地区，在上风方向要有大于800 m或10倍建筑物高度的距离，二者中取大值；

4）加拿大规范B类和C类地面粗糙度类别的上风方向至少要保持1 500 m的距离，否则要对风压高度变化系数进行修正。

因此，过渡区长度取1 500 m是比较合适的。从国内外文献［4-6］可知，基本上一致认为在新地貌粗糙度改变点开始的下游500 m距离之内，风速剖面线仍与上游的风速剖面线相同。

当风从海面或湖面吹至陆地时，不管岸上陆地属何种地面粗糙度，都应从海岸边或湖岸边向陆地方向至少划出500 m的距离，视此区域属A类地面粗糙度类别，以此进行结构的抗风设计；对于从海岸边或湖岸边向陆地方向500 m至1 500 m的距离范围，其风流程仍处于新的地面粗糙度的过渡区内，可以仍按照A类地面粗糙度进行设计或者进行修正设计；而对于从海岸边或湖岸边向陆地方向大于1 500 m的距离范围，结构物按照新的地面粗糙度类别进行设计。因此，根据本工程塔位与海岸线相对距离，取A类地面粗糙度是合理的。

2 海岛地形对输电塔风压的影响

风经过不同的地形会产生不同的变化，比较典型的有“爬坡效应”、“狭管效应”和“遮挡效应”等。本工程大跨越高塔所处的海岛地形最为显著的是“爬坡效应”，即当风从海面吹向海岛后，由于遇到山坡或悬崖的阻碍会在坡顶或崖顶出现风速增大的现象。国内外许多学者对此进行了大量的研究，如今较为成熟的处理方法主要有2种：虚拟接腿法与风压调整系数法。

虚拟接腿法顾名思义便是将塔下地形近似为塔的一部分塔腿，如图2所示。在计算风荷载时，定义海平面为风压高度起算平面，风剖面截取地形以上部分，因此在风压高度变化系数的作用下，真实杆塔所受风荷载便被放大。

图2 虚拟接腿法示意图Fig.2 The schematic for virtual connection leg

风压变化调整系数法是将地形进行简化处理，如图3所示，用理想曲线代替实际地形，然后应用控制变量法通过大量模拟与试验，考察风在越地形过程中风速的改变，拟合出包含高度、坡度及与目标建筑相对位置等地形特征量与风速增大比值之间的关系，并将风速比转化为风压比，用风压地形修正系数表示［7-9］。

图3 风压变化调整系数示意图Fig.3 The schematic for pressure height variation coefficients

ASCE规范在风压调整系数法模拟实际地形上应用了三维模型，计算结果更为合理，因此，参考其《Guidelines For Electrical Transmission Line Structural Loading》［10］（ASCE 74-2009）中的风压地形修正系数取值方法，计算海岛地形上大跨越输电高塔的风荷载，所得结果与虚拟接腿法进行对比，如表1、图4所示。

从对比结果可以得出：2种计算方法所得增大系数较为接近，风压增大系数在岛平面以上100 m范围内自下而上逐渐减小，100 m以上部分地形引起加速效应几乎消失，风压增大系数接近为1。风压变化调整系数法较虚拟接腿法在100 m范围内考虑风速的增大效应更为合理，但2种计算方法所得增大系数最大相差在30%以内，且由于大跨越输电高塔控制风荷载以塔身上部为主，100 m相对239.5 m高塔未到塔身一半，且最大相差30%的风荷载偏差对全塔风荷载作用相差不大，因此虚拟接腿法的精度在工程可接受范围内，但更推荐使用ASCE风压变化调整系数法对风荷载进行修正。

一般推导的风压高度变化系数μz是以B类地貌的地面粗糙度类别为基准推导得出的，其计算公式如下：

式中，W（z）为任一粗糙度类别z高度处的风压值。

表1 风压调整系数2种方法计算结果对比表Tab.1 The results by the two methods for pressureheight variation coefficients

由于本工程设计时取用的基本风压值W0是根据当地气象台站的统计资料分析得出的A类地貌风速，即W0≠WB0，此时再按照规范公式计算风压高度变化系数显然是错误的。无论按照《建筑结构荷载规范》还是《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》查表，得到的μz值都不能直接代入计算杆塔风载标准值。

风压高度变化系数μz实质反应了风压随高度的变化规律，针对本工程，风压高度变化系数为A类地貌下z高度处风压值W（z）与同一地貌基准高度处风压W0的比值，即：

图4 风压调整系数2种方法计算结果对比表图Fig.4 Comparison of the results by the two methods forpressure height variation coefficients

式中，V（z）为z高度处的风速。

将式（3）代入式（2），得到风压高度变化系数μz的计算公式为：

综上所述，本工程风压高度变化系数推荐选取下式：

式中，η′为海岛地形风压高度增大系数，查表1。

3 体型系数推荐取值

《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 5154-2012）中规定，由圆钢管断面杆件组成的塔架，构件体型系数取值为：

式中，η为塔架背风面荷载降低系数，对于方形截面塔主要与塔架挡风系数相关，可按《技术规定》表5.7-1查取。式（6）中对于体型系数未给出确定的计算值，而是给出了一个取值范围0.7～1.2，这是由于塔架的体型系数受到钢管雷诺数、表面粗糙度等多项因素的影响，很难给出理论解，最有效的方法仍是通过模型风洞试验进行测定。查阅文献资料，国内已完成的大跨越输电钢管塔都是进行了风洞试验对体型系数进行了测定。

通过天平测力试验，由天平测量模型在各风向角下所受的力和力矩，通过对测力结果的适当修正，即可得到塔架的体型系数。对于输电塔而言，由于塔头的形状与塔身差异较大，应分别测定塔身及塔头的体型系数。表2列出了其他工程4个跨越塔风洞试验测得的0°、90°风体型系数。

表2 风洞试验测得的输电塔体型系数Tab.2 The shape factors of the transmission tower measured in wind tunnel tests

大跨越输电塔塔身的挡风系数通常在0.15～0.20之间，将表中体型系数进行换算，得到0°风向角塔身体型系数的值约为0.75，考虑到模型试验与实际受荷的差异，因此风荷载体形系数推荐取0.8。

4 塔身角度风荷载分配系数

当风向与塔身成夹角时，塔身所受风荷载在垂直和顺线条方向的分量随风向角的变化而不同。张瑚［9］（2013）研究了角度风对转角塔水平荷载的影响，直线塔是转角塔的特殊情况。杆塔规定2002、2012中，只给出了0°、45°、60°和90°4个风向角下塔身和横担的角度风荷载分配系数，如表3所示，角度风作用如图5所示。

表3 塔身和横担角度风作用下风荷载分配系数Tab.3 Wind load distribution coefficients of the towerbody and the cross-arm under different wind actions

注：K为塔身风载断面形状系数，单角钢取1.0，对组合角钢取1.1。

在已完成的诸多工程中多有遇到最不利风向角为15°、30°或其他角度的情况。为此，根据IEC 60826-2003［11］（以下简称IEC）中关于杆塔塔身风荷载相关表述，并结合我国规范中风向角的定义，按照IEC规范中，塔身风荷载表达式都为：

式中，Cx、Gt分别为体形系数（风阻系数）和风荷载组合系数；γW根据重现期的不同取值，一般取为1.00；β为计算角度，β=90－θ。

图5 角度风作用示意图Fig.5 Definition of the angle wind action

根据式（7）就可以计算得到塔身任意角度风向角下塔身所受风荷载，将0°、45°、60°和90°4个风向角扩展到0°～90°按15°一档进行细化，如表4所示。可以得出：我国杆塔设计技术规定中0°、45°、60°和90°4个风向角下塔身风荷载的分量分配系数与IEC规范一致，建议本工程大跨越塔塔身风荷载按照15°一档进行多角度精细化分析。

表4 塔身角度风作用下风荷载分配系数Tab.4 Wind load distribution coefficient of the tower-body under different wind actions

5 横担角度度风荷载分配系数

根据英国BS EN 50341-2001［14］（以下简称BS）中的定义，横担风荷载表达式为：式中，风荷载系数γW（B）根据重现期的不同取值，一般取为1.00；qz为z高度处铁塔的风压值；Gq为阵风系数；Gt（B）为结构响应系数，一般取为1.05；Cx，tc、Atc分别为垂直横担投影面的体形系数和投影面积，如图6所示；BS规范的体形系数的取值与IEC规范一致。

图6 横担角度风荷载计算示意图Fig.6 Wind load calculation for the cross-arm in different wind actions

根据式（8）计算迎风面风荷载，并沿X、Y方向分解，得到英国规范0°～90°风向角下水平横担风荷载分配系数结果，如表5所示；同时根据文献［12，13］，表5同时也列出我国规范规定的常规铁塔横担和大跨越铁塔横担的风荷载角度风分配系数。与我国规范对比可以发现，45°、60°风向角的风荷载分配系数差异较大，故本文将采用CFD数值风洞对横担进行模拟，计算了X、Y向风压分配情况。

表5 横担角度风作用下风荷载分配系数Tab.5 Wind load distribution coefficient of the cross-arm under different wind actions

选取下横担为研究对象，进行建模与划分网格。图7为建立的横担几何模型，使用最小网格尺寸为0.1 m的非结构化网格对模型进行网格划分。使用来流风速为10 m/s的均匀风，按图5所示风向角与坐标系进行了0°、45°、60°、90°风向角下的数值风洞试验，图8为45°、60°风向角下横担表面风压分布情况。

图7 横担CFD几何模型示意图Fig.7 The schematic diagram of the CFDgeometry of the cross-arm

图8 45°、60°风向角下横担风压分布示意图Fig.8The wind pressure distribution for the cross-arm in 45°and 60°wind angles

提取横担所受风力，如表6所示。从中可以发现，45°风向角，我国规范（常规，大跨越）与CFD计算结果吻合较好，英国规范偏于保守；60°风向角时，英国规范与CFD计算结果更加一致，我国规范取值偏小。总体变化趋势来看，英国规范与CFD结果更为吻合。由于目前对横担风荷载分配研究的文献较少，CFD计算样本数量也不够丰富；因此，本工程杆塔设计时推荐使用《110 kV～750 kV架空输电线路大跨越设计技术规定》［14］（报批稿）中的横担风荷载分配系数，对于规范未给出的风向角，采用英国规范的分配值。

表6 横担CFD数值风洞计算结果表Tab.6 Wind load distribution coefficient of the cross-arm with CFD

6 结论

本章主要针对某海岛环境下大跨越输电高塔风荷载的基本特性及关键参数的取值展开研究，可以得到以下结论：

1）对于从海岸边或湖岸边向陆地方向500 m至1 500 m的距离范围，可以仍按照A类地面粗糙度进行设计或者进行修正设计；而对于从海岸边或湖岸边向陆地方向大于1 500 m的距离范围，结构物按照新的地面粗糙度类别进行设计。本工程所处大跨越塔风荷载计算选择A类地貌。

2）根据塔位处实际海岛地形，对比虚拟接腿法与风压调整系数法这2个风荷载高度变化系数修正办法，推荐使用以美国ASCE规范公式为基础的风压调整系数法，风荷载高度变化系数取值公式为μz= η′·（z/10）0.24。

3）参考文献资料以及已完成的大跨越输电高塔风洞试验，推荐本工程大跨越塔风荷载体型系数取0.8。

4）参考对国外规范，建议本工程大跨越塔塔身风荷载按照15°一档进行多角度精细化分析，多角度风吹时塔身风荷载分配系数按表4取值。

5）参考国外规范，并参考CFD数值风洞对横担的模拟结果，通过对比，推荐使用《110 kV～750 kV架空输电线路大跨越设计技术规定》（报批稿）中的横担风荷载分配系数进行计算，对于规范未给出的风向角，采用英国规范的分配值。

［1］DLT5154-2002架空送电线路杆塔结构设计技术规定［S］.北京：中国电力出版社，2002.

［2］DLT5154-2012架空送电线路杆塔结构设计技术规定［S］.北京：中国计划出版社，2012.

［3］GB50009-2001建筑结构荷载规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

［4］GB50009-2012建筑结构荷载规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

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（编辑 冯露）

Research on the Characteristics of Main Wind Load Parameters for Long-Span Transmission Tower in Island Environment

SHI Li1，PAN Feng2，NIE Jianbo3，CHEN Cheng2，ZHENG Jianwei2
（1.Sinohydro Engineering Bureau N0.4 Co.Ltd.，Beijing 100070，China；2.Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，Zhejiang，China；3.State Grid Zhejiang Equipment&Supply Company，Hangzhou 310003，Zhejiang，China）

大跨越输电塔是集高耸结构和空间杆系结构2种特征于一体的风敏感结构，风与结构的相互作用十分复杂，风荷载是主要的设计荷载之一。以某一海岛环境大跨越输电塔为研究对象，研究了适用于工程的风速过渡区、风压高度变化系数；结合以往工程经验，提出体型系数的推荐取值；同时，参考国内外规范（IEC60826、BS50341），并通过CFD模拟，得出了塔身与横担角度风荷载的分配系数推荐值；通过研究，揭示了海岛环境下大跨越塔的风荷载关键参数的特性，结果可作为大跨越铁塔结构抗风设计的参考。

大跨越输电塔；风压调整系数；风速过渡区；体形系数；角度风荷载；分配系数

Due to its complex interactions between wind and structure，the long-span transmission tower belongs to windsensitive structures characteristic of high-rising and spatial truss structures，and the wind load is the main problem of the structure design.With a long-span transmission tower in an island as the subject of study，this paper studies the wind transition zone and pressure height variation coefficient.Based on the previous engineering experience，the paper proposes the recommended values of the shape factor.In addition，according to the domestic

pecification（IEC60826 and BS50341）and through CFD simulations，the partition coefficient values of wind loads for the tower-body and the cross-arm are obtained. The study reveals the wind-induced vibration characteristics of the large-crossing tower in the island environment and the results in the paper can be used as reference for the design of large-crossing transmission towers.

long-span transmission tower；pressure height variation coefficient；wind transition zone；shape factor；angle wind load；distribution coefficient

1674-3814（2015）04-0025-07

TU311

A

2014-05-28。

施力（1970—），男，本科，高工，从事水利水电施工管理等方面的研究；

潘峰（1980—），男，博士，高工，主要从事输电塔设计、结构计算等方面的研究；

聂建波（1984—），男，本科，助理工程师、物流师，主要从事输电塔材料等物资管理方面的研究；

陈成（1985—），男，硕士，工程师，主要从事输电塔设计、分析等方面的研究；

郑剑伟（1983—），男，助理工程师，主要从事输电塔设计、结构计算等方面的研究。