220kV双回路直线塔旧塔改造设计研究

刘许凡 杜海强 徐明鸣 黄勇祥

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司 湖南长沙 410007)

0 引言

某220kV双回路输电铁塔直线塔ZGU1，地线由原来的一根LBGJ-65-25AC换为一根OPGW-2S1/24-1，地线截面积加大，该塔原先是按旧规范《架空送电线路设计技术规程》(SDJ 3-79)和《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》(SDGJ 94-90)设计，本次改造要求兼顾现行设计规范《110～750kV架空输电线路设计规范》(GB 50545-2010)和《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T 5154-2012)的规定，对原塔进行必要的更新改造。因此，需要对该直线塔ZGU1按新旧规范设计分别进行校核，在充分利用旧塔构件的前提下，明确需要加强哪些构件。

1 新旧规范荷载工况对比分析

直线塔ZGU1的设计使用条件：风速V=35m/s(15m高度)，覆冰C=0mm；导线为2×LGJ-500/35，安全系数K=2.5；地线为一根OPGW-2S1/24-1，安全系数K=3.2；水平档距Lh=333m，垂直档距Lv=380m，代表档距Ld=371m；地面粗糙度类别：B类(山地)。

根据气象条件，该直线塔ZGU1控制工况有3大类：大风工况、断线工况和安装工况。本研究根据工程实际情况对比分析新旧规范荷载工况异同。

1.1 大风工况

杆塔作用荷载一般分解为：横向荷载、纵向荷载和垂直荷载。该工程新旧规范直线悬垂塔荷载取值差异，主要在横向荷载和纵向荷载两方面。大风工况直线悬垂塔的线条张力自平衡，因此，该工程不用考虑其差异，本文主要针对水平风荷载异同进行讨论。

风荷载大小主要由设计风速确定，风速取值的新旧规范定义如表1所示[1-2]。该工程直线塔按新规范设计校核，风速为33m/s，按旧规范设计校核，风速为35m/s。按公式(1)换算[3]，新旧规范风速取值大小基本相同。

V10=V15(10/15)α=35×(10/15)0.16=32.8m/s

(1)

式中，V10为10m高风速，V15为15m高风速，α为与粗糙度类别有关的参数。

导、地线和塔身风荷载还要考虑风压高度系数，如表2所示[4-5]。新规范风压高度系数μz基本高度为10m，旧规范风压高度系数Kz基本高度为15m，与新旧规范采用的风速高度相对应，物理含义和计算公式相同。

表2 新旧规范风压离地面高度变化系数(B类粗糙度) m

新旧规范导地线、杆塔和绝缘子风荷载的标准值计算公式有较大差异，如表3所示[4-5]。该工程没有覆冰，覆冰风荷载增大系数(B1，B2)不用考虑。

风压不均匀系数(风速不均匀档距折减系数)α取值差异如表4所示[4-5]。该工程按新旧规范取值α均为0.70。

导、地线的体型系数μsc(C)和杆塔构件的体型系数μs(C)的新旧规范取值如表5所示[4-5]。新旧规范导、地线的体型系数取值一样，而杆塔构件的体型系数取值新规范较旧规范小7.1%。

表3 新旧规范风荷载标准值取值公式

表4 新旧规范α取值差异

表5 新旧规范体型系数取值差异

杆塔风荷载调整系数βz(KT)新旧规范取值如表6所示[4-5]。杆塔风荷载调整系数DL/T 5154-2012取值和SDGJ 94-90取值存在较大差异。该工程220kV直线塔ZGU1全高52m，新规范βz取值为1.52，旧规范KT取值为1.5，新规范较旧规范大1.3%。

500kV和750kV线路导、地线风荷载调整系数βc，仅用于计算作用于杆塔上的导线及地线风荷载(不含导线及地线张力弧垂计算和风偏角计算)，βc应按照表7确定；其它电压等级的线路βc取1.0[5]；旧规范没有提出这个系数，因此，220kV直线塔 取值新旧规范不产生差异。

综上所述，该工程大风工况新旧规范要求的水平风荷载很相近，其中，杆塔风荷载调整系数βz(KT)和杆塔构件的体型系数μs(C)的取值存在差异。

1.2 断线工况

新旧规范220kV直线塔断线工况的规定如表9所示[4-5]。该工程铁塔覆冰为零，导线为双分裂，地形为山地，新旧规范要求的气象条件基本一致，无风、无冰。当导、地线断线出现不平衡张力情况时，导、地线断线工况组合新旧规范不一致，新规范要求比旧规范高，具体差异如表9所示。因此，该工程断线工况新规范较旧规范要求高。

杆塔应计算最不利风向作用，新旧规范悬垂型杆塔最不利风向的选取基本一致，如表8所示[4-5]。

1.3 安装工况

新旧规范220kV直线塔安装工况规定如表10所示，安装附加荷载新旧规范取值一致[4-5]。该工程铁塔新旧规范要求的气象条件取基本一致，10m/s、无冰、相应气温。安装工况垂直荷载取值新规范取100%设计垂直档距的线条重力，旧规范取50%设计垂直档距的线条重力，其他要求基本一致。

2 新旧规范荷载作用效应的组合

GB 50545-2010规定，杆塔结构设计应采用以概率理论为基础的极限状态设计法，结构构件可靠度采用可靠指标度量，极限状态设计表达式采用荷载标准值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。

结构极限状态即指结构或构件在规定的各种荷载组合作用下或各种变形或裂缝的限值条件下，满足线路安全运行的临界状态。极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。对于承载能力极限状态，结构件构件采用荷载效应的基本组合和偶然组合进行设计；对于正常使用极限状态，结构件构件采用荷载效应的标准组合和长期效应组合进行设计。

SDJ 3-79规定：计算各类杆塔所用的荷载，根据不同情况还应乘以相应的荷载系数。荷载作用效应组合，SDJ 3-79与GB 50545-2010要求完全迥异，不使用荷载分项系数和材料分项系数。其中，SDJ 3-79规定的荷载系数与GB 50545-2010规定的可变荷载组合系数相似，如表11所示[1-2]。

表11 新荷载系数与可变荷载组合系数对比

3 新旧规范构件计算对比分析

决定铁塔构件规格大小的因素，除了外部荷载大小和荷载作用效应组合之外，还有构件本身的计算强度和刚度。而构件强度和刚度计算涉及到材料强度、轴心拉、压强度计算，轴心受压稳定计算和最大长细比等。

DL/T 5154-2012中材料强度，是根据极限状态设计的原则给出的强度设计值 ，SDGJ 94-90材料强度是根据经验的容许应力法给出的强度允许值 。

新旧规范轴心受力构件强度、稳定系数计算公式如表12所示[4-5]。其中，强度公式中除了材料强度取值不同之外，构件强度折减系数(构件工作条件系数)的取值也有差异，如表13～表14所示[4-5]。由表13～表14可见，稳定公式差异，除了压杆稳定强度折减系数与构件工作条件系数的差异外，与轴心受压构件稳定系数有关的构件计算长度取值也存在差异。

表12 新旧规范轴心受力构件强度、稳定计算公式

表13 DL/T 5154-2012中构件强度折减系数取值

表14 SDGJ 94-90中构件工作条件系数m取值

新旧规范最大长细比取值如表15所示[4-5]。由表15可见，受压主材、辅助材和受拉材的最大长细比新旧规范相同，受压斜材的最大长细比不同。

表15 新旧规范钢结构构件最大长细比

4 道亨模型设计验算对比分析

根据原始图纸，本文用道亨软件建立空间计算模型，选择验算模式，分别按新旧规范进行设计验算，输出直线塔ZGU1的司令图(部分杆件规格)，新规范杆件验算应力比图和旧规范杆件验算应力比图，如图1所示。

通过计算结果可知，新旧规范横担构件和横担下部塔身斜材的应力比皆能满足要求；第⑥段塔身主材和横担上部第②段和第③段塔身斜材应力比超出了100%，按新规范的要求需要加强。

(a) ZGU1司令简图 (b) 新规范杆件应力比 (c) 旧规范杆件应力比

应力比超限的杆件新旧规范计算结果，从上到下依次如表16所示。表16中前面5个杆件为横担上部塔身斜材，其最大杆件内力由断线工况控制，新旧规范最大杆件内力相差很大，部分超过100%，综合杆件计算的差异，杆件应力比相差超过75%；最后一个构件为塔身主材，其最大杆件内力由大风工况控制，新旧规范最大内力相差约20%，综合杆件计算的差异，杆件应力比相差很小，约为4%。

表16 应力比超限的杆件新旧规范计算结果

5 结论

本文从荷载工况、荷载效应组合和杆件计算3方面，对新旧规范220kV双回路铁塔设计相关内容进行对比分析，并用道亨软件分别建模验算，结论如下：

(1)大风工况荷载取值方法新旧规范基本一致，塔风荷载调整系数取值不同，塔越高，新规取值比旧规范大得越多；杆塔构件体型系数取值新规范较旧规范小7.1%；

(2)断线工况不平衡张力取值和断线工况组合不同，新规范断线工况荷载较旧规范断线工况荷载取值偏大；

(3)安装工况垂直荷载取值，新规范取100%设计垂直档距的线条重力，旧规范取50%设计垂直档距的线条重力，其他要求基本一致；

(4)荷载作用效应组合，新旧规范要求完全迥异；

(5)新旧规范构件计算存在较大差异，材料强度的取值不同，构件强度折减系数(构件工作条件系数)的取值存在差异，构件计算长度取值也存在差异，构件最大长细比允许值存在差异；

(6)道亨铁塔设计软件建模验算结果显示，旧塔改造需要加强的构件主要是由断线工况控制横担上部塔身斜材。