王振華，金曉華

(廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663)

GB50545與ASCE74輸電導線風荷載對比

王振華，金曉華

(廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663)

《美國輸電線路結構荷載指南》(ASCE74—2009)是世界上重要的輸電線路設計規(guī)范之一。風荷載是輸電塔設計的控制荷載，而輸電塔總風荷載中導線風荷載占較大比例，了解GB50545與ASCE74—2009導線風荷載計算方法的區(qū)別對輸電塔設計非常必要。介紹了GB50545與ASCE74—2009輸電導線風荷載計算公式，并詳細比較了基本風速、風壓高度變化系數、體型系數、風荷載調整系數、地形影響因子、覆冰風荷載增大系數和風壓不均勻系數等計算參數的差異，結果為輸電工程設計提供參考。

GB50545；ASCE74；導線風荷載；參數；差異。

1 概述

《美國輸電線路結構荷載指南》(ASCE74—2009)作為世界上主要的輸電線路設計規(guī)范之一，被許多國家的工程界所借鑒和采用，熟悉其設計標準對涉外工程和提高從業(yè)者設計水平非常重要。風荷載是輸電塔設計的控制荷載，而輸電導線風荷載在輸電塔總風荷載中占有較大比例，因此有必要了解和掌握ASCE74—2009輸電導線風荷載的計算方法。

中國輸電線路荷載規(guī)范主要為《110kV～750kV架空輸電線路設計規(guī)范》(GB50545—2010)，美國輸電線路荷載規(guī)范為《Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading(Third Edition)》(ASCE74—2009)。文獻[3]和文獻[4]將GB50545—2010與ASCE74—1991、IEC60826—2003等規(guī)范做了對比，分析了體型系數、風壓高度系數等計算參數的差異，但主要是針對桿塔風荷載計算，沒有涉及導線風荷載。ASCE74—2009較ASCE74—1991在輸電導線風荷載的計算方法和參數取值方面發(fā)生了變化，比如基本風速、風振系數和地形影響因子等，因此有必要比較與分析GB50545與ASCE74—2009在輸電導線風荷載計算方面的差異。本文首先給出了兩國規(guī)范的輸電導線風荷載計算公式，然后分析了各計算參數的差異，比較結果可為輸電塔設計提供參考。

2 基本公式

GB50545的導線和地線水平風荷載計算公式為：

其中：Wx為垂直于導線及地線方向的水平風荷載標準值(kN)；α為風壓不均勻系數；Wo為基準風壓標準值(kN/m2)；μz為基準高度為10m的風壓高度變化系數；μsc為導地線體型系數；βc為500kV和750kV線路導地線風荷載調整系數；d為導地線的外徑或覆冰時的計算外徑(m)；Lp為桿塔的水平檔距(m)；B1為覆冰時風荷載增大系數；θ為風向與導地線之間的夾角(°)。

ASCE74—2009的導線和地線設計風荷載計算公式為：

其中：F為風方向的風荷載；λw為重現期荷載調整因子(如表1所示)；Q為空氣密度常數；Kz為風壓高度變化系數； Kzt為地形影響因子；V為50年重現期3s陣風風速；Gw為陣風響應因子；ψ為風向與垂直導地線的法線之間的夾角；Cf為風力系數(體型系數)；A為風方向投影面積。

表1 重現期荷載調整因子

3 計算參數

3.1 基本風速

GB50545參考《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009—2001)，采用離地10m高B類地貌下10min平均年最大風速作為基本風速，其中500kV～750kV輸電線路重現期為50年，110kV～330kV輸電線路重現期為30年。風速轉換為風壓的計算公式為W0= V2/160c，單位為kN/m2。

ASCE74—2009參考ASCE7—05，采用50年一遇離地10m高C類地貌下3s陣風風速作為基本風速，當采用國際單位制時，風速轉換為風壓的空氣密度常數Q取0.613，單位為N/m2。

3.2 風壓高度變化系數

GB50545一般采用B類地貌進行輸電線路設計，其風壓高度變化系數的計算公式為：

其中：Z為導線或地線相對地面高度。

ASCE74—2009中風壓高度變化系數的計算公式為：

其中：10m≤Zh≤Zg，Zh為所有導線和地線掛點相對地面的平均高度；Zg為梯度高度；α為冪指數。

表2 各類地貌的冪指數和梯度高度

GB50545與ASCE74—2009在電線風壓計算高度取法有差異，GB50545取導線或地線相對地面高度，而ASCE74—2009取所有導線和地線掛點相對地面的平均高度。表3給出了地貌條件相似的GB50545的B類地貌與ASCE74—2009的C類地貌在40m～100m高度范圍內的風壓高度變化系數及比值，由表可以看出：ASCE74—2009的風壓高度變化系數小于GB50545值，隨著高度增加，ASCE74—2009與GB50545的風壓高度變化系數比值越來越小。

表3 GB50545與ASCE74—2009風壓高度系數比較

3.3 體型系數

GB50545中當線徑小于17mm或覆冰時(不論線徑大小)應取1.2；線徑大于或等于17mm時，該系數取1.1。ASCE74—2009認為除非基于風力系數測量的數據外，單根或多分裂導線和地線的風力系數Cf= 1.0。如果裸導線使用基于風洞試驗小于1.0的風力系數，但覆冰導線的風力系數仍取1.0。由此可見：GB50545的導線體型系數比ASCE74—2009值大10%～20%。

3.4 風荷載調整系數(陣風響應因子)

GB50545對500kV及以上電壓等級根據風速不同采用風荷載調整系數，見表4。規(guī)范的條文解釋是考慮500kV線路因絕緣子串較長、子導線多，有發(fā)生動力放大作用的可能，且隨風速增大而增大。

表4 導地線風荷載調整系數

ASCE74—2009的電線(導線和地線)的陣風響應因子Gw的計算公式如下：

其中：S為導線和地線的水平檔距；Zh為電線有效高度，即為所有導線和地線掛點的平均高度；Kv為10m高3s陣風風速與10min平均風速比值，其值為1.43；αFM為持續(xù)風的冪指數；k為表面阻力系數；Lg為湍流積分尺度見表5。

表5 地貌類別常數

GB50545的風荷載調整系數和ASCE74—2009的陣風響應因子都是主要考慮導地線在脈動風下的動力放大作用。GB50545的風荷載調整系數僅針對500kV及以上電壓等級輸電線路，110kV～330kV輸電線路不采用該系數。ASCE74—2009的陣風響應因子針對任何電壓等級輸電線路，并且該系數與導線的高度、檔距和地貌條件等因素有關。

表6和表7分別給出了不同高度和不同水平檔距下導地線的陣風響應因子，可以看出：隨著高度增加，陣風響應因子降低；隨著檔距增大，陣風響應因子降低。如果簡單的采用3s陣風風速和10min平均風速為1.43的換算關系分析，ASCE74—2009對應10min平均風速下的陣風響應因子為1.22～1.33?？傮w來說，當設計風速大于27m/s時，GB50545取1.2～1.3的風荷載調整系數與美國規(guī)范的陣風響應因子計算值大體相當。

表6 不同高度時導線和地線陣風響應因子

表7 不同水平檔距時導線和地線陣風響應因子

3.5 地形影響因子

GB50545對通過山區(qū)線路的設計風速按附近平地風速資料增大10%，以此反映山區(qū)的微地形影響和狹管等效應。

ASCE74—2009采用ASCE7—05中一些表示風速通過山丘和懸崖時特別建議，將地形特征分為兩大類(二維山脊和懸崖，或者三維軸對稱山丘)，見圖1，H為相對地面以上山丘或者懸崖的高度，Lh為迎風方向從山頂到山丘或懸崖至地面一半高度處的水平距離。

當該位置上風區(qū)域100H或2mile(兩者取小值)無此種地形特征，在設計中可以考慮地形影響。但以下情況不考慮風速增大的影響：H/Lh<0.2當，或C和D類地貌H<15f t(4.5m)，或B類地貌H<60f t(18m)。

輸電線路位于半山或者鄰近懸崖的地形影響因子方程為：

其中：K1為考慮地形特征的形狀和最大增速影響的系數，見表8；K= 1-，為考慮

2離山頂的上風向或下風向距離加大而風速增加減小的系數；K2= e-γz/Lh，為考慮局部地形以上高度增加而風速減小的系數；x為從山頂到結構的距離(上風或下風)；Z為局部地面以上的高度。

圖1 地形影響因子

表8 山丘和懸崖風速增大的參數

表9出了ASCE74—2009在C類地貌下二維山脊地形(H=100m，Lh=100m)山頂和半山腰處40m～100m高度范圍內風荷載的地形影響因子，可以看出：在山頂處風荷載地形影響因子大于半山腰處，隨著高度的增加，其地形影響因子逐漸減小。

表9 山頂和半山腰處風荷載地形影響因子

3.6 覆冰風荷載增大系數

GB50545按照不同的覆冰厚取不同的風荷載增大系數，5mm冰區(qū)取1.1mm、10mm冰區(qū)取1.2mm、15mm冰區(qū)取1.3mm、20mm及以上冰區(qū)取1.5～2.0。ASCE74—2009不考慮導地線覆冰風荷載增大系數。

3.7 風壓不均勻系數

GB50545計算桿塔荷載時根據風速不同給出了不同的風壓不均勻系數，見表10。

表10 風壓不均勻系數

ASCE74—2009不考慮此系數，主要是認為電線系統(tǒng)對不均勻檔距風荷載計算張力的復雜性以及預測這些風荷載固有的不確定性，建議在耐張段內對所有檔距保守的施加相同的單位荷載。

風壓不均勻系數主要基于風的空間相關性，風荷載在某一檔內同時達到最大的可能性很小。GB50545主要參考前蘇聯、美國、日本、德國等規(guī)范，結合我國實際運行經驗，提出了風壓不均勻系數的取值要求。ASCE74—2009中的電線陣風響應因子隨著檔距的增加，其值變小，某種程度上考慮了風的空間相關性。

4 算例

以某500kV鐵塔為例，塔頭尺寸如圖2所示，設計風速為35m/s，呼高為54m，水平檔距為450m，導線型號為4×ACSR—720/50，地線型號為LBGJ—150—40AC。采用GB50545和ASCE74—2009分別計算導線設計風荷載(采用GB50545計算時考慮風荷載分項系數1.4，另外不考慮地形因素影響)，計算結果見表11和表12，可以看出：按GB50545計算的導線風荷載以及產生的鐵塔底部剪力和彎矩大于ASCE74—2009，其主要原因是GB50545的風壓高度系數和體型系數大于ASCE74—2009相應值，另外計算鐵塔荷載時風荷載考慮了分項系數1.4。

圖2 塔頭尺寸

表11 導線風荷載計算結果

表12 導地線荷載的底部剪力和彎矩

5 結論

(1)GB50545與ASCE74—2009計算導線風荷載最大的區(qū)別為基本風速的取值，GB50545采用10min平均風速，而ASCE74—2009采用3s陣風風速，另外GB50545按不同的電壓等級采用不同的風速重現期。

(2)GB50545的B類地貌與ASCE74—2009的C類地貌相比，ASCE74—2009的風壓高度變化系數小于GB50545值，隨著高度的增加，ASCE74—2009與GB50545的風壓高度變化系數比值越來越小。

(3)GB50545的導線體型系數比ASCE74—2009值大10%～20%。

(4)GB50545僅對500kV及以上電壓等級輸電線路采用風荷載調整系數，ASCE74—2009的導線陣風響應因子與其高度、檔距和地貌條件等因素有關。GB50545根據風速不同取1.2～1.3的風荷載調整系數與美國規(guī)范的陣風響應因子大體相當。

(5)GB50545對山區(qū)地形的設計風速按附近平地風速資料增大10%考慮。對特殊地形，ASCE74—2009考慮地形影響因子。

(6)GB50545按照不同覆冰厚采用不同的覆冰風荷載增大系數，而ASCE74—2009不考慮此系數。

(7)GB50545在計算桿塔風荷載時導線風荷載計算采用風壓不均勻系數，而ASCE74—2009不考慮此系數。

(8)當不考慮地形因素影響時，按GB50545計算的導線風荷載以及產生的鐵塔底部剪力和彎矩大于ASCE74—2009。

[1]GB50545—2010．110kV～750kV架空輸電線路設計規(guī)范[S]．

[2]ASCE74—2009．Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading (Third Edition)[S]．

[3]姜琦，鄧洪洲，張永飛．中外規(guī)范關于輸電線路風荷載的比較研究[J]． 特種結構，2010，27(3)．

[4]蔡鈞，傅鵬程．IEC、ASCE、GB50545規(guī)范風壓高度變化系數對比與分析[J]．電力勘測設計，2011，(5)．

[5]GB50009—2001． 建筑結構荷載規(guī)范[S]．

[6]DL/T5440—2009．重覆冰架空輸電線路設計技術規(guī)程[S]． 北京：中國電力出版社，2009．

Comparison of Wind Load Transmission Conductor GB50545 and ASCE74

WANG Zhen-hua， JIN Xiao-hua
(Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou 510663, China)

《Guidelines for electrical transmission line structural loading》(ASCE74—2009) is one of the important transmission line code in the world. Wind load is the control load for transmission tower and conductor wind load account for a large proportion. It is necessary to master the differences of conductor wind load computation method between GB50545 and ASCE74—2009. Wind load computation formula for transmission tower of GB50545 and ASCE74—2009 are introduced. The differences of basic wind speed, height variation factor of wind pressure, shape factor, wind load factor, topographic factor, icing load factor and uneven factor of wind speed are compared in detail.The results can be used as a reference for transmission tower design.

GB50545；ASCE74；conductor wind load；parameters；differences.

TM75

B

1671-9913(2012)02-0056-06

2012-

王振華(1982- )，男，工學博士，工程師，一級注冊結構工程師，主要從事輸電工程設計和研究工作，