新版输电线路设计规范对杆塔设计的影响分析

尹鹏 李旭 李喜来 杨靖波

电力规划设计总院 北京100120

引言

《架空输电线路荷载规范》（DL/T 5551—2018）［1］和《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》（DL/T 5486—2020）［2］是目前输电线路杆塔设计主要遵循的技术标准。DL/T 5551—2018［1］整合了不同电压等级、各类气象区域和不同类型的架空输电线路相关标准关于荷载设计方面的技术要求，规定了架空输电线路荷载设计的基本要求和计算方法。DL/T 5486—2020［2］是对原《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》（DL/T 5154—2012）［3］的修订，整合了按电压等级、交流与直流、角钢与钢管等分类的原6 项杆塔结构设计相关规程，规定了架空输电线路杆塔结构设计的基本要求、原则和计算方法。两项标准对线条风荷载、塔身风荷载、构件强度承载力计算、受压构件稳定折减系数、塔脚板计算方法等进行了修订。本文综合对比新旧规范［1-4］主要条文的差异，通过典型设计条件和塔型的计算，分析规范修订对杆塔设计的影响，以期达到深入和全面理解新规范［1，2］的目的。

1 DL/T 5551—2018［1］主要修订内容对比分析

1.1 线条风荷载

《110～750kV 架空输电线路设计规范》（GB 50545—2010）［4］第10.1.18 条和DL/T 5551—2018［1］第6.1.1 条规定了线条风荷载的标准值的计算：通过对比发现，新旧荷载规范［1，4］线条风荷载计算公式在风荷载不均匀性、风压高度变化、体型系数、调整系数、覆冰风荷载增大系数等方面有差异，对比如表1 所示。

从表1可以看出，GB 50545—2010［4］用风压不均匀系数α 来表征风压不均匀度，DL/T 5551—2018［1］引入了导地线阵风系数βC、档距折减系数αL来表征风压不均匀度；粗糙度系数由原来的0.16减小为0.15，与《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）保持一致；体型系数取值DL/T 5551—2018［1］变小；DL/T 5551—2018［1］取消了风荷载调整系数；覆冰风荷载增大系数，DL/T 5551—2018［1］明确张力计算和无冰时取值为1.0。为直观表达DL/T 5551—2018［1］修订后，线条荷载与电压等级和导线平均高度的关系，以27m/s、覆10mm，水平档距400m 为例，计算新旧荷载规范［1，4］大风工况下的单位线条风荷载，结果见图1。

表1 新旧荷载规范［1，4］线条风荷载计算公式对比Tab.1 Comparison of Wire and ground wind loads calculation formulas of new and old standard［1，4］

图1 杆塔线条风荷载对比Fig.1 Comparison of wind load on wire of tower

从图1 可以看出，相比GB 50545—2010［4］，330kV及以下线路，线条风荷载随导线高度的增幅在14%～25%左右，500kV线路，线条风荷载随导线高度的增幅在1%～9%左右，1000kV、

±800kV等特高压线路，线条风荷载随导线高度的增幅在1%～7%左右，所有电压等级的增幅随导线升高而减小，原因主要为随导线高度的增加风场湍流强度逐渐减小。

1.2 塔身风荷载

GB 50545—2010［4］第10.1.19 条和DL/T 5551—2018［1］第6.2 条规定了杆塔风荷载的计算方法，新旧荷载规范［1，4］杆塔风荷载计算公式相同，但DL/T 5551—2018［1］风荷载调整系数βz的取值方法发生了明显变化，基于随机振动理论和当前计算机软硬件水平，采用团集质量法计算架空输电杆塔风振系数，无论杆塔高是否超过60m，均采用由下到上逐段增大的数值，计算方法科学合理。为比较DL/T 5551—2018［1］计算所得的杆塔荷载与原有规范计算结果大小的差异，选取B类地貌下不同电压等级的直线塔作为算例。因除μz、βz外，新旧荷载规范［1，4］对于其余参数的取值相同，仅计算μz·βz即可反映风荷载大小的差异，计算结果见表2。

从表2 计算结果看出，较GB 50545—2010［4］相比，DL/T 5551—2018［1］风振系数计算结果对500kV低呼高塔和220kV、110kV 塔影响较大，最大可增加30%；对±800kV、1000kV 影响较小，比GB 50545—2010［4］计算结果小2%～7%。其根本原因为220kV、110kV 塔相对较矮，风场湍流强度大，GB 50545—2010［4］风振效应考虑不足，随着高度增加，风场湍流强度逐渐减小，故特高压塔和高塔影响较小。DL/T 5551—2018［1］按照随机振动理论计算杆塔风振系数，较科学。

表2 新旧荷载规范［1，4］μz·βz 影响计算结果对比Tab.2 Comparison of the μz·βz calculation results of the new and old specifications［1，4］

2 DL/T 5486—2020［2］主要修订内容对比分析

2.1 轴心受压构件的强度计算

DL/T 5486—2020［2］第6.1.1 条和DL/T 5154—2012［3］第6.1.1 条规定了杆塔构件强度的计算方法，DL/T 5154—2012［3］为了简化计算方法，采用净截面应力不超过设计强度的计算方法，Q420 及以下牌号钢材的最小强屈比大于或接近1.25，应用简化方法是安全的，但对于更高等级的钢材，其强屈比小于1.25，采用简化计算公式将不再安全。DL/T 5486—2020［2］参照《钢结构设计标准》（GB50017—2017）的相关规定，按照毛截面屈服和净截面断裂两种承载力极限状态分别计算构件强度。由于新旧杆塔规范［2，3］对单肢连接的受拉构件强度计算变化较大，因此选取Q235、Q355 和Q420 不同规格的单排螺栓连接角钢，计算其受拉强度承载力，对比新旧杆塔规范［2，3］的差异，计算结果见图2。

图2 常规角钢单肢连接受拉承载力Fig.2 The tensile capacity of angle single-leg connection members

从图2 计算结果可以看出：（1）当角钢单排螺栓连接，且为1 颗螺栓时，除肢宽为40mm 的角钢外，其受拉净截面断裂承载力降低，Q235角钢降低10%，Q355 角钢降低25%；其主要原因是当角钢单排螺栓连接，且为1 颗螺栓时，DL/T 5486—2020［2］构件强度折减系数为0.5，DL/T 5154—2012［3］中强度折减系数当肢宽小于等于40mm 时，取0.55，大于40mm 时取0.7。（2）当角钢单排螺栓连接，且为2 颗及以上螺栓连接时，其受拉净截面断裂承载力增加，Q235角钢增加25%，Q355 角钢增加5%；其主要原因为DL/T 5154—2012［3］中受拉强度计算采用了简化计算公式，设计应关注。（3）当角钢单排螺栓连接，且为2 颗及以上螺栓连接时，Q420 角钢的受拉净截面断裂承载力在肢厚16mm 及以下降低3%，其主要原因为DL/T 5154—2012［3］中受拉强度计算采用了简化计算公式，对于Q420以下牌号的钢材，其强屈比大于或接近1.25，是安全的，但对于更高强度等级的钢材，其强屈比小于1.25，采用该简化公式将不再安全。

2.2 轴心受压构件的稳定计算

DL/T 5486—2020［2］修订轴心受压构件的宽厚比限值，其计算公式详见DL/T 5486—2020［2］第6.1.7 条。输电线路铁塔常用角钢的宽厚比范围为5.5～13.4，依据规范计算，当Q355、Q420、Q460 材质的角钢宽厚比分别在10.7、9.7、9.3 以下时，宽厚比折减系数为1.0，为分析构件强度折减系数和稳定系数的乘积mn·Φ 随构件长细比的变化规律，研究新旧杆塔规范［2，3］在不同材质、不同宽厚比下mn·Φ 对受压承载力的影响，选取L125 ×8（b/t=12.9）、160 ×10（b/t=13.4）、L200 ×14（b/t=12）b类角钢截面进行分析，计算结果见图3。

图3 不同宽厚比角钢mn·φ 随构件长细比的变化Fig.3 mn·φ of angle steel member with differentwidth to thickness ratio varies with its slendernessratio

从图3 计算结果可以看出：（1）DL/T 5154—2012［3］在长细比0～30 范围内，受压承载力折减系数随长细比增加而降低；最大降低3.6%左右，宽厚比越大降低越多。长细比在30～60 范围内，受压承载力折减系数随长细比增加而增加；长细比在大于60 时，受压承载力折减系数随长细比增加而减小。（2）相比DL/T 5154—2012［3］，DL/T 5486—2020［2］受压承载力折减系数随长细比的增加而减小，更科学。（3）相比DL/T 5154—2012［3］，对于b 类截面，Q355、Q420 钢材，构件长细比在0～45 之间，其受压承载力增加约5%，构件长细比在45～75 范围内，其受压承载力有不同程度的降低，最大分别降低3.6%、1.7%左右；Q460 钢材，构件长细比在0～50 范围内，受压承载力增加约5%，长细比在50～60范围内，受压承载力有不同程度的降低，最大降低3.6%左右，宽厚比越大降低越多。

2.3 轴心受压构件交叉材计算长度系数

DL/T 5486—2020［2］第6.1.9 条参考德国标准《钢结构》（DIN18800—1990），结合输电塔的特点，对轴心受压构件交叉材一拉一压时计算长度修正系数进行修订。为对比新旧杆塔规范［2，3］塔身交叉材在一拉一压情况下计算长度系数K2的差别，分L2/L3=0.52、L2/L3=0.61 两种情况下，分析K2的计算值随N0/N 比值的变化情况，计算结果见图4。

图4 计算长度系数K2 随N0/N 的变化Fig.4 Length coefficient K2 calculated as a function of N0/N

从图4 计算可以看出：（1）DL/T 5154—2012［3］的计算长度系数K2计算值以N0/N=20%为分界点，左右侧计算值不连续，新修订的规范参考德国标准并结合输电塔的特点，其计算长度系数K2随N0/N 的变化是连续的，较科学合理。（2）较DL/T 5154—2012［3］相比，L2/L3=0.52，N0/N 应力比在0.2～0.5 之间时，K2计算值最大增加15%；L2/L3=0.61，N0/N应力比在0.2～0.34 之间时，K2计算值最大增加7%。如果用DL/T 5486—2020 校验，当L2/L3、N0/N 比值处于上述区间时，构件承载力可能超限。（3）较DL/T 5154—2012［3］相比，L2/L3=0.52，L2/L3=0.61，N0/N 应力比分别大于0.5 和0.34 时，K2计算值最大减小10%，因为DL/T 5486—2020 认为当交叉斜材的拉力达到一定比值时，受拉材完全可以作为受压材的面外支撑，取消了计算长度增大系数1.1。

2.4 双轴对称的十字型组合角钢承载能力计算

DL/T 5486—2020［2］对双组合、四组合角钢十字型截面计算长细比进行了修订，取消了因考虑弯扭屈曲采用等效回转半径的算法，但要求双组合、四组合角钢十字型截面需满足相关构造规定，其计算长细比详见B.2.2。

为对比新旧杆塔规范［2，3］的差异，选取Q420材质的双角钢2L160 ×10、2L160 ×14、2L180 ×14、2L200 ×16 及四角钢4L160 ×10、4L160 ×14、4L180 × 14、4L200 × 16 等角钢组合截面，分析压杆稳定强度折减系数和构件稳定系数的乘积mn·Φ随构件未换算长细比的变化规律，计算结果见图5。

图5 mn·Φ 随构件长细比的变化Fig.5 Variation of mn·Φ with slenderness ratio

从图5 计算可以看出：（1）DL/T 5154—2012［3］的在宽厚比较大时受压稳定承载力折减较大，且随未换算计算长细比变化不大，不合理；DL/T 5486—2020［2］中十字型组合截面受压稳定承载随未换算计算长细比增大而减小，较科学合理。（2）较DL/T 5154—2012［3］相比，在主材常用长细比30～45 之间，2L160 ×10、4L160 ×10组合十字型截面受压稳定承载力平均增加30%；2L160 ×14、4L160 ×14 组合十字型截面受压稳定承载力平均增加15%；2L180 ×14、4L180 ×14组合十字型截面受压稳定承载力平均增加22%；2L200 ×16、4L200 ×16 组合十字型截面受压稳定承载力平均增加17%；宽厚比越大增加比例越大。

3 新版规范的修订对塔重和基础作用力的影响

新规范［1，2］对杆塔计算风荷载和部分构件计算做了较大的修订，为从整体上分析规范修订对杆塔和基础设计的影响，本节选取110kV、220kV、500kV、± 800kV、1000kV 等电压等级代表性的杆塔，测算塔重和基础作用力的变化幅度，并分析其影响因素。塔重影响计算结果见表3，基础作用力计算结果见表4。

表3 新旧规范［1-4］塔重影响计算结果Tab.3 Calculation results of tower weight influence of old and new specifications［1-4］

续表3

表4 新旧规范［1-4］基础作用力影响计算结果Tab.4 Calculation results of foundation force influence between new and old specifications［1-4］

续表4

从表3 和表4 计算结果分析，本次新规范［1，2］的修订对110kV～1000kV 塔重和基础作用力的综合影响主要为：（1）较旧规范［3，4］相比，110kV和220kV塔重增加，110kV 塔重变化幅度在-2.8%～5.5%之间，220kV 塔重变化幅度在-0.5%～8.8%之间，变化幅度随风速和呼高的增大而增大。其原因为DL/T 5551—2018［1］引起线条风荷载和塔身风荷载增加，从而引起塔重增加，DL/T 5486—2020［2］由于再分式交叉材计算长度系数减小引起塔重减小。（2）较旧规范［3，4］相比，500kV塔重持平，双回路略有减少。其原因为GB 50545—2010［4］针对500kV 及以上的杆塔设计增加了风荷载调整系数，由DL/T 5551—2018［1］荷载因素引起的塔重略微增加，DL/T 5486—2020［2］由于再分式交叉材计算长度系数减小引起塔重略微减小。（3）较旧规范［3，4］相比，±800kV、1000kV塔重减小，±800kV 塔重变化幅度在-4.8%～-9.2%之间，1000kV 单回路塔重变化幅度在-3.8%～1.2%之间，1000kV双回路钢管塔重变化幅度在-1%～-5.5%之间。其原因为特高压塔高较高，且GB 50545—2010［4］针对特高压的杆塔设计增加了风荷载调整系数，较GB 50545—2010［4］相比，线条风荷载基本略有增加，塔身风荷载减小，从而引起塔重减小，同时DL/T 5486—2020［2］由于再分式交叉材计算长度系数减小引起塔重减小。（4）较旧规范［3，4］相比，110kV 和220kV 塔基础作用力增加较明显，变化幅度在10%～24%之间，变化幅度随风速和呼高的增大而增大；500kV 和±800kV杆塔基础作用力基本持平，略有增加，变化幅度在1%～7%之间；1000kV杆塔基础作用力减小，变化幅度在-1%～-6%之间。

4 结论

总体来说，本次新规范［1，2］的修订内容较多，对杆塔设计的主要影响主要表现在以下几个方面：

1.较旧规范［3，4］相比，线条风荷载对500kV及以下线路杆塔设计影响较大，最大可增加25%，杆塔风振系数计算结果对500kV 低呼高塔和220kV、110kV塔影响较大，最大可增加30%。

2.DL/T 5486—2020［2］在轴心受压构件的强度计算、稳定计算、计算长度系数及双轴对称十字型组合角钢承载力计算等方面进行了修定，较DL/T 5154—2012［3］相比，科学合理，其修订条文对塔重的综合影响是减小的。

3.DL/T 5486—2020［2］对杆塔重量的综合影响为，110kV和220kV塔重增加，其增加幅度在-2.8%～5.5%之间；500kV 塔重持平，双回路略有减少；±800kV、1000kV 塔重减小，±800kV塔重变化幅度在-4.8%～-9.2%之间，1000kV单回路塔重变化幅度在-3.8%～1.2%之间，1000kV 双回路钢管塔重变化幅度在-1%～-5.5%之间，原因与塔重变化原因一致。

4.DL/T 5486—2020［2］对杆塔基础作用力的的综合影响为，110kV和220kV塔基础作用力增加较明显，变化幅度在10%～24%之间；500kV和±800kV 杆塔基础作用力基本持平，略有增加，变化幅度在1%～7%之间；1000kV 杆塔基础作用力减小，变化幅度在-1%～-6%之间。