输电铁塔强风荷载模型及设计规范比较研究

张维伦 晏孝强 黄日星

（东南大学土木工程学院，江苏 南京210096）

社会经济的快速发展使得全国用电量显著增加[1]。随着国家电网规模的扩大[2]，持续稳定用电成为保证经济秩序运行的一个重要保障。作为气象高敏感性行业，电力行业的正常运转很大程度上受到环境气象条件的影响。

雷暴天气是影响输电线路安全的重要因素之一[3]，而雷暴天气通常伴随着大风。强风暴对电网运行构成较大的威胁，会导致输电线路停运、断线、倒塔等严重安全事故[4]。因此，避免或减轻覆冰、雷电、大风等恶劣气象环境的风险应在输电铁塔设计工作中得到充分重视[5]。

龙卷风是极端天气的一种，而我国建筑规范与标准中尚未包含龙卷风设计的要求[6]。本文以某110kV 线路直线型铁塔为研究对象，用ANSYS 软件建立输电塔有限元数值模型，计算并比较了风向角为60°时EF1、EF2 级龙卷风和大小为设计风速的常规风作用下输电塔的响应情况，提出了按规范进行输电塔设计的改进方案。

1 强风风场结构

强对流强风根据气象要素可分为飑线、龙卷风。

龙卷风根据其风力及其破坏程度划分为EF0 到EF5 共六个等级，而EF1 和EF2 级龙卷风的发生频率较高，故本文主要研究这两个等级龙卷风作用下的响应与设计风的对比情况。

龙卷风的风场结构与常规风完全不同[7]。国际学界对龙卷风进行了大量研究[8-9]，开发了各种龙卷风实验和数值模型。

r' 为模拟点距龙卷风中心的距离，rmax为龙卷风最大切向风速半径r0所对应的坐标为模拟点位置相对于最大风速点无穷远时，龙卷风的边界层厚度。

根据气流所处的位置（坐标值z）不同，将龙卷风的风场结构分为边界层以上部分和边界层以下部分。边界层以上（）风速分量表示为：

边界层以下，风速分量表示为：

图3 和图4 分别为EF1、EF2 级龙卷风半径为35m 处，切向风速和径向风速沿高度的分布，由图3 和图4 可知，径向风速只在靠近地面时较大，在离地较高位置很小，且在各高度位置，径向风速相对于切向风速都很小。因此，本文在分析龙卷风作用对输电塔结构的影响时主要考虑切向风速的作用。

图1 EF1 级龙卷风不同高度切向风速在半径上的分布

图2 EF2 级龙卷风不同高度切向风速在半径上的分布

图3 EF1 级龙卷风风速沿高度分布图（r=35m/50m）

图4 EF2 级龙卷风风速沿高度分布图（r=35m/50m）

2 输电铁塔有限元模型

以某110kV 线路直线型铁塔为研究对象，用ANSYS 软件建立其有限元数值模型，铁塔塔高为38.7m，呼高为28m，如图5（a）所示；根据输电塔横隔位置将结构分为14 段，如图5（b）所示。输电塔有限元模型包括212 个关键点，2075 个节点，1242 个单元。其塔身辅材、斜材、主材、横隔层等均为等边角钢，钢材等级为Q235，且角钢截面尺寸随着高度增加逐渐减小。采用Beam188 三维梁单元进行杆件的模拟。

图5 输电铁塔有限元模型及其分段示意图

3 输电铁塔在龙卷风和设计风作用下的响应比较研究

根据DL/T 5154-2012《架空输电线路铁塔结构设计技术规定》[10]，分别进行输电铁塔在EF1、EF2 级龙卷风和26.5m/s 常规风作用下的荷载计算，并取60°风向角下的响应进行比较。其中，由于所提取的龙卷风风场已考虑高度变化对风速和基本风压的影响，故在龙卷风工况下将风压高度变化系数取为1；在常规风作用下的风荷载计算需考虑风压高度变化系数的影响。

3.1 EF1、EF2 级龙卷风和常规风下输电塔基本风压对比

将EF1、EF2 级龙卷风和26.5m/s 常规风作用下输电铁塔各塔段的基本风压进行对比。如图6 所示。由于龙卷风风速场已考虑高度的变化，故将风压高度变化系数引入常规风的基本风压中，即将常规风的μz·w0作为其基本风压与龙卷风进行比较。

图6 常规风和龙卷风基本风压对比图

可以看出，EF2 级龙卷风的基本风压较大，而EF1 级龙卷风的基本风压低于常规风。在10m 高度处，EF2 级龙卷风和常规风的基本风压相同。

3.2 输电铁塔塔顶位移对比分析

绘制输电铁塔在EF1、EF2 级龙卷风和26.5m/s 常规风作用下的塔顶位移图，汇总如表1 所示。

表1 龙卷风和常规风下输电铁塔塔顶位移对比

根据GB 50545-2010《110kV～750kV 架空输电线路设计规范》[11]规定，该110kV 铁塔属于悬垂直线自立式杆塔，其高度为38.7m，挠度限值为116.1mm。该铁塔在EF1 级龙卷风和常规风作用下的塔顶位移值满足要求，且在EF1 级龙卷风作用下的塔顶位移相对较小；而在EF2 级龙卷风作用下的塔顶位移超出规范要求。

3.3 输电塔强度应力对比分析

利用ANSYS 软件分别绘制三种风场作用下的主材强度应力图，如图7 至图9 所示。

图7 60°EF1 级龙卷风作用下强度应力云图

图8 60°EF2 级龙卷风作用下输电塔强度应力云图

图9 26.5m/s 常规风60°风向角下强度应力云图

由三种风场下的强度应力云图可以看出，输电塔左侧塔腿大部分主材受拉力，而右侧塔腿大部分主材受压力，且压应力峰值高于拉应力峰值。可以直观地看出，输电塔中下段塔腿的强度应力相对较大，强度破坏易在中下塔段产生。

提取强度应力数据并作对比如图10 所示。

图10 常规风和龙卷风60°风向角下强度应力对比图

输电铁塔在三种风场下各塔段主材最大强度应力随高度的变化规律基本相同。其中，在EF1 级龙卷风作用下的强度应力值略低于在设计风速线条风（26.5m/s 常规风）作用下的结果；用设计风速进行输电塔设计可以满足EF1 级龙卷风的要求；而在EF2 级龙卷风作用下的最大强度应力值约比常规风作用下的结果高167%，且略高于许用应力值215MPa。考虑到EF2 级龙卷风的发生概率约为10.7%，若需提高输电塔的安全性水平，应适当提高设计风速值。

3.4 输电铁塔稳定性对比分析

根据现行设计规范GB 50545-2010《110kV～750kV 架空输电线路设计规范》[11]、GB50017-2017《钢结构设计规范》[12]进行结构稳定性分析。

针对不同角度风下主材的承载力情况，取压力最大的主材计算稳定应力，根据14 个塔段分别验算14 根主材在龙卷风作用下的稳定性。以结果最大值为代表数据，计算受压塔腿主材的稳定应力。进行三种风场下输电铁塔稳定应力随高度变化规律对比分析，如图11 所示。

图11 常规风和龙卷风60°风向角下稳定应力对比图

输电铁塔在三种工况下稳定应力的变化规律较为相似，在EF1 级龙卷风作用下的稳定应力略小于常规风作用下的结果，且均在许用应力范围内，故用设计风速进行输电塔设计可以满足EF1 级龙卷风的要求；而在EF2 级龙卷风作用下，输电铁塔中下段的失稳破坏较为严重，虽然三种工况下都在第二塔段达到稳定应力最大值，但在EF2 级龙卷风作用下的最大稳定应力远超出许用应力215MPa。考虑到EF2 级龙卷风的发生概率较大，应适当提高设计风速值或调整钢材型号进行输电塔稳定性校核。

4 结论

4.1 输电铁塔在龙卷风和与设计风速大小相同的常规风作用下强度和稳定性随高度的变化规律相似，用常规风来模拟龙卷风作用进行输电塔设计有一定合理性。

4.2 在EF1 级龙卷风和26.5m/s 常规风作用下，输电铁塔的刚度、强度、稳定性均能满足规范要求，且在26.5m/s 常规风作用下的响应略高于EF1 级龙卷风作用下的响应，说明规范规定的设计风速能够满足EF1 级龙卷风作用的要求。

4.3 在EF2 级龙卷风作用下输电塔的破坏较为严重，不能满足刚度和稳定性的要求，且中下塔段主材的稳定应力远远超出许用值215MPa。为使输电塔在高等级龙卷风作用下不致发生较大损坏，应适当提高设计风速值或调整钢材型号，加大所用钢材的屈服强度。