60 m以上非特高压输电塔风振系数研究

马 幼 华

(上海电力设计院有限公司，上海 200025)

0 引言

输电系统作为电力输送的载体，是电力能源系统中极为重要的工程结构。其中最为普遍的配电与输电方式是采用架空输电线路，作为输电系统设计的主要对象，其安全稳定性对于输电系统的正常运作起关键作用。设计时考虑的荷载包括风荷载、覆冰荷载以及安装荷载等，其中风荷载起控制作用。

风荷载的计算主要依据现行规范GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空输电线路设计规范及DL/T 5154—2012架空送电线路杆塔结构设计技术规定。其中，在计算杆塔风荷载时，规范规定对于全高超过60 m的输电塔，应当依据GB 50009—2012建筑结构荷载规范计算相应的杆塔风荷载调整系数，即风振系数βz。然而该计算方法的提出主要针对质量及外形连续均匀变化的高层、高耸结构，输电塔由于具有较大尺寸及质量的横担，其外形及质量在高度方向会有突变，因而这种计算风振系数的方法并不适用。

目前，工程实际中，对于60 m以下的输电塔，可通过规范查表并插值计算的方式采用一个全塔一致的风振系数；对于60 m以上的特高压输电塔，设计时可依据行业内统一的风振系数取值及计算方法；而一般输电塔全高超过60 m的情况相对较少，如果按照特高压输电塔进行设计计算，则结果可能过于保守，但如果按照《建筑结构荷载规范》计算风振系数，也还需进行适当经验性的调整以保证工程安全。因此，行业内关于60 m以上非特高压输电塔的风振系数取值并不统一。本文针对这一情况，以全高78.6 m的220 kV/110 kV混压四回路直线跨越塔(2/1IS-SSZK)为例，采用不同的风振系数计算方法及调整方式，计算不同情况下的构件响应，并对结果进行比较分析。此外，本文还将《架空输电线路荷载规范》中提出的风振系数计算方法与目前常用规范中的计算方法进行比较，分析两者的区别及对输电塔的适用性。

1 关于风振系数计算方法比较

在DL/T 5551—2018架空输电线路荷载规范中，对于杆塔风振系数βz的计算提出了新的公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

上述风振系数计算方法，与GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空输电线路设计规范及DL/T 5154—2012架空送电线路杆塔结构设计技术规定中的计算方法相比较，主要区别有：

1)新规范不再区分60 m高度以上和60 m高度以下输电塔的风振系数计算方式，而统一采用上述计算式(1)。对于全高不同的输电塔，增加了杆塔风荷载脉动折减系数εt来进行调整，当杆塔全高H≥40 m时，其值取1.0；当杆塔全高H≤20 m时，其值取0.6；当杆塔全高20 m

2)新规范提出了背景因子Bz的新计算公式(2)，区别于以往仅适用于质量和外观连续均匀变化的高层、高耸结构，该计算公式采用分段计算，划分出因带有横担而发生质量及外形突变的分段，通过分段对应的质量m、迎风面构件投影面积A以及构件体型系数μs等参数，考虑了该分段的实际质量及构件外观，使得最终的风振系数计算结果更符合输电塔质量及外观沿高度方向的分布情况。

综上所述，新规范提出的风振系数计算方法，与原有的全塔统一取值或参照高耸结构的计算方法相比，其计算结果在理论上应当更符合输电塔的实际外观。然而其计算公式较原有公式更为复杂，若不借助计算机技术，其计算过程相当困难且耗时。另一方面，由于新规范推出时间较短，行业内对于风振系数的取值更依赖于原有规范，该方法在工程实际中的适用性仍需经过更多工程的检验方可做出更为有效的判断。

2 工程实际关于风振系数计算方法

目前，工程实际中关于60 m以下一般输电塔的风振系数取值，仍按照全塔采用一个风振系数的计算方法。而对于60 m以上的一般输电塔，风振系数的计算方法则并不统一，主要的几种方式如下：

1)方法一：按照特高压的风振系数进行分段插值，其对应参数如表1所示。

表1 风振系数插值计算表

2)方法二：按照《建筑结构荷载规范》计算风振系数，其公式如下：

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(9)

(10)

其中，φ1(z)为结构第1阶振型系数；H为结构总高度；B为结构迎风面宽度；ρx为脉动风荷载水平方向相关系数；ρz为脉动风荷载竖直方向相关系数；k,a1均为对应粗糙度类别的系数；θB,θv均为修正系数。若计算所得的风振系数加权平均值小于1.6，则对于βz<1.6的段，直接取1.6。

3)方法三：按照《建筑结构荷载规范》计算风振系数，若计算所得的风振系数加权平均值小于1.6，则对全塔的风振系数乘以一个调整系数，使加权平均值大于1.6。

3 风振系数计算结果比较

本文以全高78.6 m的220 kV/110 kV混压四回路直线跨越塔(2/1IS-SSZK)为例，按上述三种方法计算相应的风振系数，对铁塔的分段如图1所示。

图1中，1,2,3,4分段为标示高度处的横担分段。其中，由于塔头多个分段的风振系数几乎相同，故将多个塔头分段归为一个分段1，风振系数取平均值。

用不同方法计算对应分段风振系数，所得结果如图2所示。

由图2可知，三种方法的风振系数沿高度变化规律各不相同。按方法一分段插值计算，塔身风振系数相对较小，随高度均匀变化，而在横担处风振系数突变，且增幅较大，为所有方法中横担风振系数的最大值，经计算全塔风振系数沿高度的加权平均值为1.866；按方法二计算的风振系数则较稳定，大部分塔段在不满1.6的情况下补足至1.6，全塔加权平均值为1.605；按方法三计算的塔身风荷载相对较大，在11段以下随高度线性均匀变化，而11段以上基本不变，横担处风振系数相对较小，全塔加权平均值为1.675。

4 输电塔杆件应力比计算结果比较

采用上述计算的风振系数结果，保持气象条件、杆件规格等其余条件不变，采用道亨铁塔计算软件，计算不同方法下的构件应力比，此处以各塔段塔身主材为对象进行分析，计算结果如图3所示。

由图3可知，三种方法的应力比变化趋势相同，符合输电塔主材构件应力比分布规律。比较可得，按照方法一计算的构件应力比最大，而按方法二计算的构件应力比最小，其中最大应力比相对差值在6号塔段主材处，其值为(72-63)/72×100%=12.5%。

5 结语

本文通过比较不同规范中关于风振系数的计算公式，并按照实际工程中关于风振系数的不同计算方法，采用道亨铁塔计算软件进行构件验算，对比分析计算结果，得出以下结论：

1)新荷载规范提出了风荷载脉动折减系数以及背景因子的新计算公式，使得风振系数的计算在理论上更符合铁塔的外形及质量分布情况，但是该规范的计算方法尚需经过更多工程实际检验。2)按照特高压计算方法，其风振系数在横担处会有相对较大的取值，可视为考虑横担的质量及外形突变，按该方法计算的风振系数加权平均值最大。3)按照三种实际工程中采用的计算方法，计算所得主材构件应力比整体相差不大，但在局部会有较大差值，故出于安全考虑，应采用最为保守的分段插值计算方法。