架空输电线路新规范对500kV角钢塔结构的影响研究

王伸富，何松洋，黄 兴，鄢秀庆，刘 琴，叶 果，何文俊

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610056)

0 引言

白鹤滩左、右岸水电站各自通过4 回500 kV 交流输电线路送出，全部8 回输电线路同步开展规划设计。为配合白鹤滩水电站16 台发电机组分批投产及外送特高压直流工程和送端配套交流工程的投产时序，白鹤滩水电站送出线路分两期建设，一期工程建设左岸送出I、II 回及右岸送出III、IV 回，二期工程建设左岸送出III、IV 回及右岸送出I、II 回。

根据最先审定的原则，白鹤滩水电站送出线路工程设计执行旧规范GB 50545—2010《110 kV ～750 kV 架空输电线路设计规范》[1]、DL/T 5440—2009《重覆冰架空输电线路设计技术规程》[2]及DL/T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》[3]。由于架空输电线路设计新规范于2021年1月发布实施，二期工程的杆塔应采用新规范DL/T 5551—2018《架空输电线路荷载规范》[4]、DL/T 5440—2020《重覆冰架空输电线路设计技术规程》[5]及DL/T 5486—2020《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》[6]进行复核校验，对不满足新规范要求的结构构件进行修改加强。

白鹤滩水电站送出线路包含10 mm、15 mm、20 mm(重冰区)及30 mm 四种冰区，基本上涵盖了国内绝大多数500 kV 输电线路所能遇到的冰区类型。通过结合工程实践对新旧规范进行对比研究，系统地总结了新规范对500kV角钢塔结构的影响及其程度，有针对性地提出了采用新规范对500kV角钢塔结构进行校验加强的重点，可作为对500 kV 架空输电线路角钢塔结构进行新旧规范对比分析的参考，也可作为对已建500 kV 架空输电线路采用新规范进行改造加强的借鉴。

1 新规范主要修订内容

下面依次对新规范DL/T 5551—2018[4]、DL/T 5440—2020[5]及DL/T 5486—2020[6]的主要修订内容进行概括总结。

1.1 DL/T 5551－2018[4]主要修订内容

DL/T 5551—2018[4]适用于轻冰区110 kV及以上架空输电线路和大跨越线路设计。DL/T 5551—2018[4]发布以来，国内已有一些专家和学者进行过分析，比如，该规范主要起草人的赵峥[7]等曾对规范的主要修编内容作了解析，汪楚清[8]等曾以宁夏35 ～330 kV 输电线路工程常用的杆塔通用设计模块为分析样本进行过研究分析。

DL/T 5551—2018[4]对旧规范的荷载设计部分进行了修订，主要修订了线条风荷载、杆塔风荷载和绝缘子串风荷载标准值的计算方法，修订了风压高度变化系数的取值，修订了导地线阵风系数、档距折减系数和杆塔风振系数的计算方法，特别是杆塔风振系数修改为采用团集质量法进行计算，更能反映铁塔的自振特性；此外，还修订了提升导地线及其附件时的附加荷载标准值，人重荷载新规范修订为规定标准值不小于0.8 kN(旧规范规定设计值不小于1.0 kN)。

1.2 DL/T 5440－2020[5]主要修订内容

DL/T 5440—2020[5]适用于110 kV 及以上重覆冰架空输电线路和中冰区大跨越线路设计。DL/T 5440—2020[5]对DL/T 5440—2009[2]进行修订完善，其主要修订内容如下：

适用范围增加了特高压线路， 从110 ～750 kV 交流线路调整为110 kV 及以上交、直流线路；

增加特高压交、直流输电线路重覆冰设计内容，包括重现期、保护角、水平位移、荷载组合及取值等内容；

增加地线融冰的绝缘配合要求；

重要交叉跨越增加了重要输电通道的相关要求；

依据DL/T 5551—2018 《架空输电线路荷载规范》[4]修改了导线、地线、杆塔、绝缘子串风荷载计算公式。

结合1.1 节及以上说明可知，对于500 kV重覆冰输电线路而言，新规范主要修订了导线、地线、杆塔、绝缘子串风荷载计算，即风荷载及其效应计算发生了变化。

1.3 DL/T 5486－2020[6]主要修订内容

DL/T 5486—2020《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》[6]对旧规范的杆塔结构设计部分进行了修订。DL/T 5486—2020[6]发布后，国内也有一些专家和学者进行过分析，比如，汪楚清等[8]分析了新规范对杆塔结构设计的修订内容及其对35 ～330 kV 架空输电线路工程杆塔设计的影响。针对角钢铁塔而言，DL/T 5486—2020[6]主要修订内容如下：

调整钢材的材料抗力分项系数；

参照钢标修订轴心受力构件毛截面屈服和净截面断裂的强度计算公式；

调整受拉构件强度折减系数；

修订压杆稳定强度折减系数计算方法；

修订主、斜材计算长度的相关规定；

修订组合角钢压杆稳定系数的计算方法；

修订辅助材支撑力取值方法；

修订塔脚板计算方法。

2 新规范修订对杆塔的主要影响

根据对新规范主要修订内容的研究及对白鹤滩送出线路二期工程采用新规范全面复核校验的实践经验，对于500 kV 输电线路角钢塔结构而言，新规范的影响主要在于风荷载效应和构件承载力两个方面。

2.1 风荷载效应的变化及其影响

10 mm、15 mm、20 mm(重冰区)和30 mm四种冰区，典型塔型的设计条件见表1所列，典型塔型在新规范下风荷载效应变化见表2所列。

表1 10 mm、15 mm、20 mm(重冰区)和30 mm四种冰区典型塔型设计条件

表2 10 mm、15 mm、20 mm(重冰区)和30 mm四种冰区典型塔型在新规范下风荷载效应变化

从表1、表2 可以看出，对于典型的500 kV输电线路角钢塔而言，新规范关于风荷载效应计算修订所引起的变化和影响可以概括总结如下：

线条风荷载增大一般在7%以内，矮塔增加大，高塔增加小；

10 mm 和15 mm 轻中冰区的直线塔，主要由大风工况控制，线条风荷载效应增加，塔身风荷载效应减小，矮塔总风荷载效应增大在1%以内，高塔总风荷载效应有所减小；

10 mm 和15 mm 轻中冰区的耐张塔，主要由大风工况控制(10 mm 冰区转角度数30 度以内一般由安装工况控制)，线条风荷载效应和塔身风荷载效应均稍有增大，总风荷载效应增大在1%以内，由于耐张塔在实际工程使用中档距、转角度数等条件一般存在裕度，因此风荷载效应的变化基本无影响；

20 mm 重冰区的直线塔，矮塔由不均匀冰工况控制，高塔由大风工况控制，需要特别注意临界高度附近由不均匀冰工况控制转换为大风工况控制且发生杆塔承载力不足的情况；

20 mm 重冰区的耐张塔及30 mm 冰区的直线塔和耐张塔，均由不均匀冰工况或覆冰工况控制，风荷载效应的变化对杆塔均无影响。

2.2 构件承载力的变化及其影响

对于按照旧规范DL/T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》[3]设计的500kV角钢塔结构，当考虑新规范DL/T 5486—2020《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》[6]修订对构件承载力的变化及其影响时，需重视校验加强如下几个方面：

新规范修改了交叉斜材需考虑同压计算的范围，塔身同压控制的交叉斜材增多，特别是由断线工况控制的塔头部分交叉斜材需增加同压计算，可能会因同压控制而需要增大规格；

新荷载规范下导地线的线条荷载增大，会引起横担与塔身连接处塔身侧面的个别同压交叉斜材的同压力增大，从而可能引起该同压控制的交叉斜材需要增大规格；

新规范对长细比小于120 的两端单肢连接角钢辅助材的长细比新增规定了修正系数K，K=0.5+60/(L0/r)，由于长细比修正的影响，或使该类角钢辅助材的应力比超限，从而需要增大规格。

对于完全执行新规范设计的500 kV 角钢塔，相比于执行旧规范，在不考虑荷载变化且角钢构件仍然按照b 类截面考虑的情况下，杆塔重量总体上将降低2%～3%，主要原因是新规范下非同压控制的交叉斜材平行轴失稳时计算长度减小，从而使横担及塔身的部分交叉斜材的规格减小。

3 结语

架空输电线路新规范对500kV角钢塔结构的影响主要在于风荷载效应和构件承载力两个方面。风荷载效应方面，10 mm 和15 mm 轻中冰区的杆塔，主要由大风工况控制，总风荷载效应增大在1%以内，基本无影响；20 mm 重冰区的直线塔，矮塔由不均匀冰工况控制，高塔由大风工况控制，需要注意临界高度附近由不均匀冰工况控制转换为大风工况控制且发生杆塔承载力不足的情况；20 mm 重冰区的耐张塔及30 mm 重冰区的直线塔和耐张塔，均由不均匀冰工况或覆冰工况控制，无影响。构件承载力方面，新规范下塔身同压控制的交叉斜材增多，横担与塔身连接处塔身侧面的同压交叉斜材的同压力增大，或引起该类同压控制的交叉斜材需要增大规格；长细比小于120 的辅助材，由于长细比修正会使该类辅助材的应力比超限，从而需要增大规格。

对于完全执行新规范设计的500 kV 角钢塔，相比于执行旧规范，在不考虑荷载变化且角钢构件仍然按照b 类截面考虑的情况下，总体上将节省钢材2%～3%。