电力线路高塔风荷载调整系数计算探讨

电力线路高塔风荷载调整系数计算探讨

吴聂斌

吴聂斌

（福建省永福工程顾问有限公司，福建，350003）

摘要：

随着500kV同塔双回路和±800kV特高压工程设计的深入，出现了大批总高超过60m的铁塔，而现行电力设计规范对此并未有明确的计算公式，因此探讨如何快速有效地计算铁塔风荷载调整系数（风振系数bz）的方法并将其应用于铁塔计算中具有很大的实际意义。

关键词：铁塔设计，高塔，杆塔风荷载调整系数，风振系数，经验取值

Powerlinetowerwindloadadjustmentcoefficientcalculationisdiscussed

NieBinwu

(fujianprovinceblessedforeverengineeringconsultingCo.,ltd.,fujian,350003)

Abstract:

z)methodandisappliedtothecalculationoftheEiffelTowerofgreatpracticalsignificance.bAlongwith500kVtowersdoublecircuitand+800kVuhvengineeringdesigndeeply,appearedmorethan60moftotalheightofthetower,andthecurrentpowerdesigncodetoithasnothaveclearformula,probeintohowtoeffectivelycalculationtowerwindloadadjustmentcoefficient(windvibrationcoefficient

Keywords:towerdesign,hightower,towerwindloadadjustmentcoefficient,thewindofthevibrationcoefficient,experiencevalue

1引言

风荷载作为输电线路设计中重要的荷载之一，一直是输电线路的热点研究课题。输电线路铁塔属于高耸结构，高宽比大，结构抗弯刚度相对较小，在横向荷载的作用下，容易产生较大的振动和变形。同时铁塔高度高、重量较轻、刚度较小、外形细长等特点，决定了风荷载是铁塔大多数情况下的控制荷载。在计算输电铁塔塔身风荷载时，高塔由于其自振周期较长，必须考虑由脉动风引起的风振影响。随着500kV同塔双回路和±800kV特高压工程设计的深入，出现了大批总高超过60m的铁塔，而现行电力设计规范对此并未有明确的计算公式，因此探讨如何快速有效地计算铁塔风振系数bz的方法并将其应用于铁塔计算中具有很大的实际意义。

2杆塔风荷载调整系数

风荷载调整系数(风振系数)的大小与结构本身(杆塔的类型、高度、坡度)和自然条件(风速、地面粗糙度)有关，其值的大小，不仅影响铁塔的安全和可靠度，也影响到塔材指标。《110kV～750kV架空输电线路设计规范》中规定，当铁塔的全高超过60m时，铁塔设计的风振系数应按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）规定计算，同时全塔风振系数的加权平均值要大于1.6。

2.1《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）计算方法探讨

《建筑结构荷载规范》规定对于一般悬臂结构，如塔架等，以及高度大于30m，高宽比大于1.5且可忽略扭转影响的高层结构，均可仅考虑第一振型的影响，对于铁塔，脉动影响系数须乘以修正系数和。

但在实际应用中，此修正将导致各高度铁塔的塔段βZ发生跳跃性变化，原因是脉动影响系数乘以修正系数θB和θV的条件不严密所致，对一般的塔而言，下部的θB要大于顶部的θB，尽管这一影响在计算风振系数时被振型系数所抵消，但还是较大增加了铁塔底部的风振系数值。

βZ发生跳跃性变化，同济大学马人乐、何敏娟在关于“高耸结构设计规范”修编若干问题的探讨一文(详见特种结构3/2000期)中也指出荷载规范存在这一问题，值得予以重视。

究其原因，从《建筑结构荷载规范》GB50009-2001条文说明7.4.2条可知式(1)只适用于外形和重量沿高度无变化的等截面结构，不适用于输电线路杆塔这种外形变化不规则及附有集中质量的特殊高耸结构。

2.2《高耸结构设计规范》(GBJ135-90)计算方法探讨

高耸结构在Z高度处的风荷载调整系数计算公式应用较方便，但按直线形变化计算βZ仍然发生跳跃性变化，仍不适用于输电线路杆塔这种特殊的高耸结构。

2.3随机振动理论分析

采用《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)和《高耸结构设计规范》(GBJ135-90)计算方法将铁塔简化为一锥体分段计算，忽略了横担、曲臂结构等质量分布和迎风面积发生突变对风振的影响，势必影响铁塔的安全和可靠度。脉动风作用下结构响应的性质是随机的，应按随机振动理论进行分析。

然而，铁塔属细长状的高耸结构，并且沿高度方向质量和刚度分布不均，可将其抽象为一维悬臂的变截面连续体来研究。随机振动理论计算方法更科学、合理，但是计算过程非常繁琐，求解困难且很容易出错。

2.4唐国安教授的简化公式分析

针对以上情况，唐国安教授在查阅了相关资料后认为，结合输电线路杆塔设计的实际，还是宜按《高耸结构设计手册》中张相庭教授提出的一套从基本理论出发推导出的通用计算公式计算杆塔风荷载调整系数比较合适。

3工程应用经验取值

以往在风荷载计算时，往往导地线的荷载取同一个高度的风压调整系数，而对于塔身风荷载的计算从上到下也是取一个风振系数定值，这种计算往往是偏保守的。对于塔高较高的塔甚至会出现塔重增加而安全度没有提高甚至反而降低的现象，因为实际的风振系数沿塔高方向是不均匀的，其塔头部分要远远大于塔身或塔腿部分。

因此，500kV高跨塔和±800kV直流杆塔风荷载调整系数应采用随机振动理论计算且不应低于现行500kV之取值，或建议参照下表工程经验取值：

杆塔风振系数βz：

杆塔头部

(横担及地线支架)

横担或地线支架≤60m，

取2.2

60m＜横担或地线支架≤100m，

取2.5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1.30

1.35

1.40

1.45

1.50

1.55

1.60

1.65

1.70

1.80

②杆塔全高H＞105m，按随机振动理论计算。

对计算基础作用力的杆塔风振系数βz值，可参考化工塔架的设计经验，取对杆塔效应的50%，即

βz(基础)=[βz（杆塔）-1]/2-1

故计算基础作用力的杆塔风振系数βz：

杆塔头部

(横担及地线支架)

横担或地线支架≤60m，

取1.6

60m＜横担或地线支架≤100m，

取1.75

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1.15

1.175

1.20

1.225

1.25

1.275

1.30

1.325

1.35

1.40

4总结

本文对电力线路和民用建筑常用的几本现行规范进行了深入分析探讨，通过详细比较它们对高塔结构的风荷载调整系数的计算偏差，提出以下建议：

《建筑结构荷载规范》和《高耸结构设计规范》的自振周期计算公式不适用于输电线路杆塔这种特殊高耸结构，计算结果不准确，应采用随机振动理论分析计算或唐国安教授提出的简化计算公式。一般铁塔风振系数的取值可参考《110kV～750kV架空输电线路设计规范》的规定，但对于超过60m的高塔应具体计算取得或可根据本文提出的工程经验取值。

我们在实际电力线路工程中，对于超过60m的高塔根据不同的风压高度系数，计算出不同高度塔段的风荷载，来分别计算不同呼高下的铁塔结构，使铁塔自上而下的构件状况更符合实际的受力情况，避免产生头部不够而身部浪费的现象。从而控制杆塔结构的安全性、合理性，同时亦减小杆塔的基础作用力，减小基础的本体工程量，最终使工程建设投资更加经济合理。

参考文献

[1]《110kV～750kV架空输电线路设计规范》GB50545-2010

[2]《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》DL/T5154－2002

[3]《建筑结构荷载规范》GB50009－2001

[4]《高耸结构设计规范》(GBJ135-90)