基于±800 kV特高壓直流輸電線路的中美規范風荷載對比研究

羅永磊，趙 崢，楊光耀

(中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063）

0 引言

中美規范在輸電線路桿塔的荷載設計差異性大，在美國規范被高度驗證和認可的背景下，研究兩者應用的差異：一方面有助于中國規范在國際工程的理解、應用和推廣，另一方面在±800 kV特高壓直流輸電線路的電壓等級、單體規模相比常規線路工程不同，形成了一系列差異化設計。

風荷載通常是影響架空輸電線路結構的主要因素，雖然美國規范和中國規范都是基于Davenport風速譜，但美國規范[1]主要通過調整重現期(mean recurrence intervals，MRI)來提升結構可靠性，而中國規范[2]主要通過結構重要性系數、分項系數調整風荷載效應以保證結構可靠度。因此，從設計值進行分析能更清楚反映兩者的水平差別。

1 極限狀態設計法研究

1.1 重要性系數

中國規范規定建筑結構設計時要根據結構破壞可能產生的后果(危及人的生命、造成經濟損失、產生社會影響等)嚴重性，采用不同的安全等級。將輸電線路劃分為三種結構安全等級，分別為特高壓工程、110～750 kV線路工程以及臨時線路工程，不同安全級別的安全度設置水平通過結構重要性系數來反映，特高壓工程的安全等級劃分為一級，重要性系數通常取為1.1。

相對應的，美國規范[3]根據使用條件、重要性及破壞后造成的損失程度，將建筑物分為四類風險類別：結構失效對人的生命風險較低的為Ⅰ類，結構失效可能會對平民日常生活造成重大經濟影響或大規模破壞的為Ⅳ類，結構失效可能對人的生命造成重大風險為Ⅲ類，其余均劃為Ⅱ類。但對于風荷載，各類建筑的重要性系數均為1.0。

1.2 荷載分項系數

中國規范風荷載分項系數取為1.4，而美國規范自2016年修整后將風荷載分項系數由1.6調整為1.0，主要通過業主要求來調整MRI，以此針對性地提升抗風能力。

1.3 風荷載重現期MRI

中國規范的風荷載MRI與電壓等級有關，對于±800 kV特高壓直流輸電線路工程，考慮到特高壓線路的重要性，MRI按照100 a考慮，風速值提高約6%，風壓值提高約12%。

美國規范[3]根據建(構)筑物風險級別，對不同風險級別建(構)筑物的風速取值取不同的MRI，對于風險級別為I、II、III、IV的建筑物MRI分別為300 a、700 a、1 700 a以及3 000 a，而適用于輸電線路的專用標準則要求可采用100 a。

2 風荷載設計分析

2.1 基本風速(風壓)

對于基本風壓的計算，由于統計資料和統計時間較長，美國規范和中國規范均根據氣象臺、站搜集到的歷年最大風速資料，按耿貝爾極值I型概率分布計算得到一定重現期、觀測平均時距和基準高度下的最大風速統計值，即為基本風速。中國規范對于±800 kV直流特高壓線路的基本風速取空曠平坦地面上10 m高度處10 min時距的平均最大風速，MRI為100 a。而美國規范對線路的基本風速取空曠平坦地面上10 m高度處3 s時距的陣風風速，MRI同樣為100 a，兩者主要差別在于時距。對于不同時距平均風速的對比關系，美國規范[1]提供了近似的比值關系，美國規范與中國規范對于±800 kV直流特高壓線路的設計風速比值大約為1.43。

2.2 地形地貌和高度影響因素

中美規范均對地形地貌進行了分類，并在風速(風壓)高度變化系數中考慮地面粗糙度的影響。體現在計算公式中，都是采用指數公式來計算風壓高度變化系數。

式中：zh為距地面高度；zg為常數；K、α為與地面粗糙類別有關的系數，參數對比見表1所列。需要注意的是，中美規范對于架空輸電線路地面粗糙類別分類不一樣：中國規范按照B類地面粗糙類別設計，美國規范按照C類地面粗糙類別設計。

表1 風壓高度變化系數的計算參數

將常數帶入后可知μz/Kz=0.810 7×zh0.09，中美規范風壓高度變化系數隨高度的變化關系如圖1所示。

圖1 風壓高度變化系數對比圖

由圖1可知：1)中國規范和美國規范的風壓高度變化系數均隨距地面高度的增加而增大，高度越高，增加得越慢；2)根據公式計算，當計算高度大于10.24 m時，中國規范風壓高度變化系數與美國規范相同。隨著高度越高，比值越大，中國規范與美國規范比值接近1.07～1.15。

2.3 風載體型系數

2.3.1 線條和絕緣子串

中國規范對于線條風載體型系數μsc，線徑小于17 mm應取1.1，線徑大于或等于17 mm取1.0?！?00 kV特高壓線路導線線徑通常均大于17 mm，即導線風載體型系數μsc取為1.0，地線風載體形系數μsc取為1.1。而美國規范線條的風載體型系數cf取1.0。也就是，中國規范和美國規范導線風載體形系數一致均為1.0，中國規范地線風載體形系數1.1大于美國規范地線風載體形系數1.0。

2.3.2 桿塔

中國規范規定了具體的取值方法：對于角鋼塔為1.3，由角鋼組成四面方形自立式桿塔為1.3(1+η)。其中，η為塔架背風面荷載降低系數，與填充系數有關。而美國規范直接給出了桿塔風載體型系數(阻力系數)與填充系數相關的計算公式Cf=4.0φ2-5.9φ+4.0，φ為填充系數。中美規范桿塔風載體型系數，如圖1所示。

由圖2可知：1)中國規范和美國規范的結構式桿塔風載體型系數，均隨著填充系數的增大而降低；2)當填充系數大于0.2時，中國規范與美國規范比值接近0.7，且基本恒定。

圖2 中美規范桿塔風載體型系數

2.4 動力特性

輸電線路為柔性結構，風荷載的脈動性對其影響巨大。中國規范和美國規范分別采用風振系數(線條風可視為陣風系數βC、檔距折減系數αL乘積)和陣風響應系數G來表征輸電線路結構脈動風振。

2.4.1 導地線

中國規范中，線條的檔距折減系數αL和陣風系數βC主要與水平檔距、平均高度相關。當平均高度不變時，水平檔距越大，αL×βC越小。當水平檔距不變時，平均高度越大，αL×βC越小。

美國規范中，線條的陣風響應系數Gw也與水平檔距、有效高度相關。當平均高度不變時，水平檔距越大，Gw越小。但是，當水平檔距不變時，平均高度越大，Gw反而越大，結果見表2所列。

表2 中國規范αL×βC和美國規范Gw對比表

中國規范αL×βC均大于美國規范Gw，具體比值如圖3所示。

圖3 線條風動態特性系數比值(αL×βC/Gw)圖

由圖可知，中國規范與美國規范線條風動態特性系數比值αL×βC/Gw在1.53～1.67左右，且隨著檔距越大比值越大，導地線高度越大反而比值越小。

2.4.2 桿塔

中國規范的桿塔風振系數βZ采用團集質量法，將桿塔分段簡化為若干個質量和面積等效的點，從而形成基于桿塔外形的“質點串”，僅考慮結構第一振型一階自振頻率。其計算值與高度、質量、迎風面積、自振頻率等密切相關，因此對于不同桿塔、同一桿塔的不同部分，風振系數計算值均可能不同。

美國規范的桿塔陣風響應系數Gt，則與桿塔計算高度Zh有關，且通常按照全高三分之二的高度作為計算高度，獲得的陣風響應系數Gt可簡化作為計算全塔的統一值，相對計算簡單。其陣風響應系數Gt均小于1，基本為0.8～0.84，且均隨桿塔高度的增加而緩慢減小。

中國規范的桿塔風振系數βZ大于1.0，體現了動力特性對風荷載的增大效應，而美國規范的桿塔陣風響應系數Gt小于1.0，體現了動力特性對風荷載的減小效應。原因主要在于中國規范采用10 min平均風速，而美國規范采用3 s的陣風風速。

3 結構風荷載計算分析

以典型30 m/s風速、0 mm覆冰氣象條件的直線角鋼塔為例，單線圖如圖4所示。

圖4 直線塔桿塔單線圖

結合上文對中美規范的對比分析，具體設計參數取值見表3所列。為統一計算水平，將中國規范10 min平均最大風速換算為美國規范0.3 s的陣風風速。

表3 設計參數

3.1 導線風荷載與計算高度

計算高度對導線風荷載的影響主要體現在陣風系數βC、檔距折減系數αL(美國規范陣風響應系數GW)以及風壓高度變化系數KZ或μZ，常用經濟水平檔距為460 m時，導線風荷載計算結果如圖5所示。

圖5 不同計算高度的線條風荷載

如圖可知：1)計算高度越高，中國規范和美國規范的線條風荷載就越大，基本成線性關系；2)對于線條風荷載標準值，各個高度的中國規范取值均小于美國規范，其比值約為0.92且基本恒定；3)對于線條風荷載設計值，受分項系數、重要性系數差異影響，趨勢有所變化。各個高度的中國規范取值均大于美國規范，其比值約為1.42且基本恒定。

3.2 線條風荷載與水平檔距

水平檔距對線條風荷載的影響主要體現在風振響應系數GW/風荷載調整系數βC，結合±800 kV架空輸電線路對地距離、實際桿塔排位應用情況，直線塔平均計算高度接近45 m，線條風荷載計算結果如圖6所示。

圖6 不同水平檔距的線條風荷載

如圖可知：1)水平檔距越大，中國規范和美國規范的線條風荷載就越大，基本成線性關系；2)對于線條風荷載標準值，各個水平檔距的中國規范取值均小于美國規范，其比值約為0.92且基本恒定；3)對于線條風荷載設計值，受分項系數、重要性系數差異影響，趨勢有所變化。各個水平檔距的中國規范取值均大于美國規范，其比值約為1.42且基本恒定。

3.3 塔身風荷載

以Z30101A-66塔型為例，塔身風荷載計算結果如圖7所示，其中橫擔風荷載僅占塔身風荷載的7%左右，在這里暫不計入。

圖7 Z30101A-66塔身風荷載(各風壓段)

由圖可知：1)對于塔身風荷載標準值，中國規范取值均小于美國規范。位置越低，差距越大，在桿塔腿部位置，中國規范取值與美國規范的比值約為0.4。隨著高度越高，差距逐漸縮小，當大于60 m時，中國規范取值與美國規范基本相等；2)對于塔身風壓設計值，當計算高度小于40 m時，中國規范取值小于美國規范，在桿塔腿部位置，中國規范取值與美國規范的比值約為0.6。隨著高度越高，差距越小，當計算高度大于40 m時，中國規范的取值反而大于美國規范；3)隨著高度增加，中國規范與美國規范的塔身風荷載設計值比值由0.6基本線性增加至1.6，這是由于隨著計算高度越高，美國規范的塔身陣風響應系數基本不變，而中國規范的塔身風振系數基本單調遞增；4)對于Z30101A-66塔身風荷載總標準值(各風壓段風荷載之和)，中國規范與美國規范比值約為0.65，而對于考慮結構重要性系數以及分項系數后的設計值，中國規范與美國規范比值約為0.99，基本相等。

3.4 典型桿塔整體分析

結合上述線條和塔身風荷載分析成果，基于Z30101A-66(水平檔距為460 m)典型桿塔，通過中國規范設計方法進行內力分析，從而判斷中美國規范風荷載對桿塔整體設計影響，輸入條件及計算結果見表4所列。

表4 Z30101A-66典型桿塔輸入條件及計算結果 kN

中國規范線條風荷載設計值為美國規范的1.41倍，而塔身風荷載基本相當。但是美國規范高空處計算的風荷載相對較小，而低空處計算的風荷載相對較大，受此塔身風荷載分布特點的影響，使得中國規范塔身的基礎作用力僅約為美國規范的1.39倍和1.28倍。

4 結論

1)美國規范主要通過調整MRI來提升結構可靠性，而中國規范主要通過結構重要性系數、分項系數調整風荷載效應以保證結構可靠度。美國規范要求常規桿塔風荷載分項系數為1.0，MRI為100 a；中國規范對于±800 kV特高壓線路設計，風荷載分項系數為1.4，MRI為100 a，重要性系數為1.1。

2)中國規范與美國規范的線條風荷載的比值基本穩定，不同高度與水平檔距的影響不大。塔身風荷載由于中國規范采用團集質量法，通過結構振型計算風振系數，所以塔身風荷載分布差異較大。

3)中國規范的線條風荷載標準值小于美國規范，比值基本恒定為0.92左右，但線條風荷載設計值卻大于美國規范，比值基本恒定為1.42左右。

4)基于Z30101A-66桿塔的分析計算，中國規范與美國規范的塔身各風壓段風荷載比值隨著高度增加而增大，設計值比值由0.6線性增加至1.6，這是由于隨著計算高度越高，美國規范的塔身陣風響應系數基本不變，而中國規范的塔身風振系數基本單調遞增。即使各分壓段風荷載分布規律不同，但中國規范與美國規范的塔身風荷載總設計值(各風壓段之和)之比約為0.99，基本相等。

5)通過對線條風荷載以及塔身風荷載的綜合分析，對于Z30101A-66典型桿塔的計算，中國規范的塔身基礎作用力為美國規范的1.39倍和1.28倍。也就是，按照美國規范[1]中的《輸電線路設施預標準最小設計荷載草案》來設計±800 kV架空特高壓輸電線路，其風荷載水平低于中國規范約23%。