输电线路设计规范中风荷载计算方法微探

党强斌

摘 要：当前电力行业发展中，各国有着不同的输电线路设计规范，通过对各自的风荷载计算公式与计算参数进行比较，得知我国现行规范设计中风荷载在数值上与其他国家的计算结果相似，但参数规定方面却有着一定的讨论价值。基于此，本文以风荷载计算方法作为研究对象，结合输电线路的设计规范，阐述了具体的计算公式与各项系数。

关键词：输电线路;设计规范;风荷载;计算方法

中图分类号：TU312.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）19-0173-02

0 引言

高压输电线路属于风敏感结构，要求设备可以在风荷载作用下安全运行，这对输电线路设计中的风荷载计算提出了严格的要求。有研究人员针对我国现行的GB50545-2012《110-750kV架空输电线路设计技术规范》的风荷载进行研究。经比较分析，我国输电线路风荷载对高度变化十分敏感，杆塔高度较低，风荷载与其他国家的计算结果更加接近;杆塔高度较高，计算结果较大。随着规范的重新修订，输电线路风荷载计算结合参数的变化情况，影响了风荷载设计值。

1 输电线路设计规范中风荷载的计算公式分析

本文在探究输电线路风荷载计算方式之前，选择了以下几个国家的输电线路设计规范，通过对比与分析探究相应的计算公式。风荷载计算公式研究中涉及到以下国家与协会的设计规范：

（1）我国GB50545-2010《110-750kV架空输电线路设计规范》。杆塔风压公式为，线条风压为。公式中W0为基本风压，分别为风压高度变化系数与体型系数，为风振系数，α和γ分别为风压不均匀系数与荷载系数。

（2）国际电工协会规范IEC60826-2003。杆塔风压与线条风压公式分别为和。其中C是体型系数，G为风振系数与高度变化系数，G1是档距折减系数，γ是荷载系数。

（3）美国输电线路设计规范ASCE74-2009。杆塔风压与线条风压公式具体为和。KZ为风压高度的变化系数，C和G分别为体型系数与风振系数。

（4）日本输电线路设计规范JEC127-1979。杆塔风压与线条风压分别为和 。其中α是风压高度变化系数，C是体型系数，K1和K2分别为结构规模类型系数与地貌系数[1]。经过以上分析得知，计算杆塔风荷载情况时，各国设计规范将高度、风脉动与结构体型因素考虑其中。

2 基本风压与荷载系数研究

2.1 基本风压

基本风压公式为，公式中，v为最大风速，为空气密度。中国、日本、国际电工协会将基本风速指定为10min时距，要求在平坦的地形距离地面10m高度且重现期为50年。美国设计规范中将基本风速规定为3s时距，平坦开阔地貌下距离地面10m高且重现期为50年[2]。

2.2 荷载系数

输电线路风荷载计算中，荷载系数可以对输电线路安全等级加以调整。除了我国现行规范以外，国际电工协会、美国与日本都是采用调节风速重现期的方式来得到荷载系数。而我国设计规范中，以结构重要性系数与风荷载分项系数为主，将二者相乘，其结果就是荷载系数。我国GB50545-2010对线路最小基本风速提出了以下规定内容：不低于500kV电压等级的高压线路，10m高度基本风速不能低于每秒26.85m;330kV以下、110kV以上的电路，10m高基本风速不能低于每秒23.4m。我国内陆地区，基本风速很少有超过每秒25m的，因此人们在设计风速时无需考虑荷载系数问题。

3 体型系数研究

3.1 塔架风荷载体型系数

关于塔架风荷载的体型系数，该内容与构件形状、风偏、塔架高宽比有关，有时也会联系到周围遮蔽情况和塔架自身填充率。分析各国家输电线路设计规范中杆塔填充料与体型系数之间的关系，为了强化研究效果，建议将塔身截面设置为矩形，将构件定义为角钢杆塔。杆塔风荷载的体型系数和填充料关系密切。杆塔填充率越大，体型系数就会越小;杆塔填充料越小，体型系数就会越大，这是因为构件与构件之间存在遮蔽效应。当填充率相同时，结合不同国家的设计规范，将体型系数进行对比，发现除了我国GB50545-2010输电线路设计规范以外，美国、日本和国际电工协会设计规范中的体型系数更接近。应用日本输电线路设计规范JEC127-1979的公式计算体型系数研究，当杆塔填充料一致的情况下，横担风荷载体型系数比杆塔低45%。由此可见，日本输电线路设计规范在风荷载体型系数方面的研究更加细致，计算的结果也更加精确，这一点需要我国GB50545设计规范学习[3]。

3.2 导线与地线体型系数

我国GB50545线路风荷载设计规定中，导线与地线体型系数是。线路直径低于17mm，或者线路表面覆冰时，体型系数为1.2。线路直径超过17mm时，体型系数为1.1。结合线路的实际运行情况，超过220kV的导线直径也超过了17mm。基于这一情况，我国对高压线路导线和地线风荷载计算时，体型系数统一取值为1.1。

国际电工协会规范IEC60826-2003提出以下规定：缺乏直接性测量或没有直接进行风洞实验的情况下，一般导线风荷载体型系数为1.0。

美国输电线路设计规范ASCE74-2009中提出了导线与地线风荷载体型系数的取值为1.0。导线和地线风荷载体型系数与雷诺数有关联，当雷诺数低于3×104时，线路风荷载体型系数会超过1，美国输电线路设计规范中的最小设计风速中，如果导线与地线直径超过13mm，与此同时雷诺数大于3×104。由此，导线与地线风荷载体型系数取值为1.0。

日本输电线路设计规范JEC127-1979中也是结合雷诺数进行线路圆截面风荷载体型系数的研究。当雷诺数低于4×105的时候，输电线路风荷载体型系数为1.2;当雷诺数超过4×105时，输电线路导线与地线风荷載体型系数为0.75。正常情况下，线路雷诺数不会超过4×105，所以风荷载体型系数多数会取值为1.2。

4 风压高度变化系数

4.1 杆塔风压高度系数

针对线路风压高度的变化系数，各国设计规范分别从地形地貌与基准高度角度出发，探究这些因素给风压高度系数带来的影响与变化。中国、美国与日本的输电线路风荷载设计规范将风速根据高度的变化来规定风压高度系数的，国际电工协会是综合系数角度考虑风塔高度系数。不同规范中，标准地貌规定方面，美国风荷载设计规范规定了C类地貌，其他规范规定了B类地貌为标准地貌。我国GB50545线路风荷载设计规范数值比国际电工协会规范IEC60826-2003要小。

不同国家的线路风荷载设计规范中，针对杆塔分段节离地高度做出了不同的规定。我国GB50545规定了节间顶点处计算离地高度;美国ASCE规范规定了重心处计算离地高度;日本JEC规范规定了中心处计算离地高度。所有的风压高度变化系数和离地高度计算中，美国ASCE规范得出的计算值与实际最相符，我国GB50545规范中计算值较大，日本JEC规范的计算结果与真实情况相比偏小[4]。

4.2 导线与地线风压高度变化系数

针对不同规范中对于导线与地线离地高度做出了以下规定：（1）日本JEC规范与中国GB50545规范提出导线离地高度为三分之一弧垂高度与最低点离地高度之和。（2）美国ASCE提出导线与地线风压高度变化系数应为杆塔附着点离地高度和三分之一弧垂高度之差。（3）国际电工协会IEC规范中提出导线与地线离地高度为杆塔附着点高度。GB50545和JEC规范中，对导线和地线风压高度变化系数的设置更加贴近于实际，ASCE与IEC规范中，风压高度变化系数可能偏离实际，最终导致风荷载较大。

5 风振系数研究

各项规范中，对于导线和地线风振系数的规定基本相似，各规范根据杆塔风振系数做出比较，通过风振系数的研究了解风荷载计算方式。中国GB50545规范提出了以下关于风振系数的内容，杆塔高度低于60m时，全高使用1个风振系数;杆塔高度超过60m时，结合《建筑结构荷载规范》中提出的内容，应用自下而上不断增加的数值变化情况，但风振系数不应低于1.6。国际电工协会IEC规范中的G综合高度风压系数与风动脉影响情况，对风振系数做出了相应规定。风压高度系数分离之后，风振系数也被分离出来，最终得出与我国GB50545规范相当的风荷载系数，但其规律相反。美国ASCE规范中阵风系数包含10min与3s风速转换和风脉动影响。将转换因素分离出来后，数值与我国GB50545规范风荷载系数相似，随着高度的增加，风荷载系数下降，这与杆塔的体型无关，一个杆塔的高度会对应一个系数值。经比较发现，我国GB50545规范各其他国家不同，风振系数在高度不同情况下变化趋势也会不同，这是因为我国设计规范应用的自下而上的风振系数，数值逐渐变大。与日本、美国、国际电工协会提出的风振系数变化情况相比，安全度相同状态下，杆塔底部弯矩会较大，这样的设计方式可能会增加施工成本。

我国GB50545规范只适合用在外形和重量不受高度影响的等截面结构，规范没有考虑到输电塔横担质量的变化可能。我国荷载规范中，杆塔全高不超过60m时，杆塔风荷载调整系数应按照规定对全高采用统一一个系数;当塔体超过60m，风振系数从荷载规范中引用即可，但这样的引用方式会影响杆塔自身风荷载计算结果。10mm及以下冰区不均匀覆冰情况的导、地线不平衡张力取值应不低于下表规定的导、地线最大使用张力的百分数，同时垂直冰荷载按75%设计覆冰荷载计算。2012年后，新的荷载计算规范针对线路风荷载计算提出了地面粗糙度系数的调整，随着风压高度系数的变化，地面粗糙度系数也会变化，即0.16调整为0.15。整体来看，塔底弯矩大了14%，这样的变回将导致输电线路建设成本增加，不利于电力企业的经济效益提升。

6 结语

总而言之，现代化电力行业发展状态下，电力企业从经济效益角度出发根据相应的规范对输电线路风力荷载情况加以计算。本文从日本JEC规范、中国GB50545规范、美国ASCE规范、国际电工协会IEC规范四种规范角度入手，结合各自的相同点与不同点分析风力荷载计算方式。我国设计规范规定了最小风速，综合结构重要性系数与风力荷载分项系数等影响因素，保证了杆塔安全性。

参考文献

[1] 杨悦.脉动风载下的输电线路风偏计算研究[D].浙江大学，2015.

[2] 张盈哲，廖宗高，谢强.输电线路设计规范中风荷载计算方法的比较[J].电力建设，2017，34（07）：57-62.

[3] 王振华.美国输电线路风荷载计算介绍[J].特种结构，2016，29（04）：22-24+32+4.

[4] 肖洪伟，李喜来，廖宗高，唐国安，段松涛.输电线路風荷载调整系数（风振系数）计算探讨[J].电力建设，2017（09）：33-38.