管政，謝強(qiáng)，2，李繼國(guó)

(1.同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海市，200092;2.土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué))，上海市，200092)

0 引言

1 覆冰荷載

1.1 設(shè)計(jì)冰荷載的確定

作為氣象荷載的一種，輸電線路覆冰應(yīng)通過(guò)長(zhǎng)期氣象觀測(cè)，進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，才能得到基于某一重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)值。對(duì)此，我國(guó)規(guī)范與IEC標(biāo)準(zhǔn)、CSA標(biāo)準(zhǔn)都有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，且都推薦采用極值I型分布作為覆冰的概率模型。但I(xiàn)EC標(biāo)準(zhǔn)也提出，并不是所有區(qū)域的覆冰概率模型都與極值I型分布吻合，還需要利用觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整。我國(guó)幅員遼闊，氣象區(qū)域性明顯，也應(yīng)根據(jù)各地觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行覆冰概率模型的選擇。

《線路規(guī)定》、《重冰規(guī)程》規(guī)定輕冰區(qū)導(dǎo)線覆冰厚度為10 mm及以下;將中、重冰區(qū)分為I～VI共6個(gè)氣象分區(qū)，中冰區(qū)導(dǎo)線覆冰厚度為15和20 mm，重冰區(qū)導(dǎo)線覆冰厚度分別為20、30、40和50 mm;地線覆冰厚度應(yīng)較導(dǎo)線增加不小于5 mm。IEC未給出具體的設(shè)計(jì)冰荷載取值，如果有20年以上的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)及線路所在地區(qū)5年以上的覆冰數(shù)據(jù)，則可用式(1)計(jì)算。

式中:g為年平均最大覆冰荷載，N/m;Kn為觀測(cè)年數(shù)修正系數(shù);Kh為導(dǎo)線懸掛高度修正系數(shù);Kd為導(dǎo)線直徑修正系數(shù);Kσg為當(dāng)觀測(cè)年數(shù)趨于無(wú)窮時(shí)，重現(xiàn)期T和變異系數(shù)σg/對(duì)覆冰荷載的修正系數(shù)。

對(duì)于在觀測(cè)年數(shù)內(nèi)僅有1個(gè)覆冰最大值gmax這一特殊情況，IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定=0.4 gmax，σg=0.5。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，IEC標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為地線覆冰厚度與導(dǎo)線相同。

與之前所提規(guī)范不同，CSA標(biāo)準(zhǔn)給出2種確定覆冰荷載的方法:確定性設(shè)計(jì)方法;基于可靠度的設(shè)計(jì)方法。確定性方法直接給出4種不同荷載條件下的設(shè)計(jì)冰荷載，如表1所示。

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基于可靠度的設(shè)計(jì)方法給出的計(jì)算公式為

劉崐辭世后，家里一貧如洗，家人對(duì)他的安葬成了最大的問(wèn)題。他的弟子門(mén)生感其為人，湊足一萬(wàn)兩銀子，合力把他的遺體埋葬在岳麓區(qū)的一處山丘，并置下墓地墓廬，墓名為“皇清誥授光祿大夫湖南巡撫劉公韞齋府君之墓”。 2010年6月，長(zhǎng)沙市文物局在第三次全國(guó)文物普查中，在岳麓區(qū)含浦鎮(zhèn)玉江村羅家灣發(fā)現(xiàn)了劉崐的墓,由此揭開(kāi)了該地“學(xué)士”名稱的來(lái)歷之謎。后人因?qū)λ膽涯?，將其墓地附近的一條路命名為學(xué)士路。當(dāng)今，在含浦鎮(zhèn)有一個(gè)村落叫學(xué)士村，有一個(gè)收費(fèi)站叫學(xué)士收費(fèi)站，有一條大道叫學(xué)士路,有一所學(xué)校叫周南學(xué)士實(shí)驗(yàn)學(xué)校。人們自發(fā)地緬懷著紀(jì)念著劉崐,他已永遠(yuǎn)活在湖南人民心中。

式中:Wi為單位長(zhǎng)度冰荷載，N/m;d為導(dǎo)線直徑，mm;tT為覆冰厚度;Sa為空間影響系數(shù)，取1.5。

式(2)中乘以空間系數(shù)Sa的原因有2個(gè):(1)CSA標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為輸電線路通常穿越廣闊區(qū)域，某一測(cè)站記錄的覆冰數(shù)據(jù)不太可能代表整條線路的年最大覆冰值，因此考慮1個(gè)空間系數(shù)是有益的;(2)CSA標(biāo)準(zhǔn)所采用的用于預(yù)測(cè)雨淞覆冰的Chaine模型模擬的是離地10 m高度處的導(dǎo)線覆冰厚度，因此還需對(duì)導(dǎo)線懸掛高度進(jìn)行修正。

1.2 設(shè)計(jì)冰荷載的直徑修正和高度修正

由于覆冰觀測(cè)是針對(duì)特定導(dǎo)線直徑和離地高度而言，因此在應(yīng)用至其他情況時(shí)，必須進(jìn)行導(dǎo)線直徑修正和離地高度修正。部分國(guó)家和學(xué)者提出了電線覆冰高度修正公式［9］，現(xiàn)有研究及實(shí)測(cè)［10］表明:覆冰厚度或重量隨導(dǎo)線懸掛高度的增加而增加;覆冰重量隨導(dǎo)線直徑的增加而增加;覆冰厚度隨導(dǎo)線直徑的增加而減小。我國(guó)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》在其條文中規(guī)定，圓形截面架空線的覆冰荷載按式(3)計(jì)算。

式中:q為單位長(zhǎng)度上的覆冰荷載，kN/m;b為基本覆冰厚度，mm;d為架空線直徑，mm;α1為與構(gòu)件直徑有關(guān)的覆冰厚度修正系數(shù)，見(jiàn)表2;α2為覆冰厚度的高度遞增系數(shù)，見(jiàn)表3;γ為覆冰重度，取9 kN/m3。

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IEC標(biāo)準(zhǔn)中的高度和直徑修正系數(shù)分別是式(1)中所提到的Kh和Kd，與《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》不同之處在于，IEC標(biāo)準(zhǔn)修正的是覆冰重量，而《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》修正的是覆冰厚度。現(xiàn)將我國(guó)規(guī)范中的覆冰厚度修正系數(shù)換算成按覆冰重量計(jì)算的修正系數(shù)，并分別繪制于圖1和圖2。

IEC標(biāo)準(zhǔn)是以離地10 m高度，導(dǎo)線直徑30 mm時(shí)的覆冰重量為基準(zhǔn)，其他情況通過(guò)Kh和Kd進(jìn)行調(diào)整;而《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》是以離地10 m高度，構(gòu)件直徑10 mm時(shí)的覆冰厚度為基準(zhǔn)。為便于比較，以30 mm直徑對(duì)應(yīng)的覆冰重量為基準(zhǔn)計(jì)算得到直徑修正系數(shù)如圖1所示;如果導(dǎo)線直徑定為30 mm，則可按不同高度計(jì)算得到高度修正系數(shù)如圖2所示。從圖可中見(jiàn)，《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和IEC標(biāo)準(zhǔn)的直徑修正系數(shù)吻合較好，《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的高度修正系數(shù)較IEC標(biāo)準(zhǔn)偏大，偏于安全。通常情況下，大多數(shù)導(dǎo)線直徑約為30 mm，懸掛高度為50～100 m，按《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得 α1α2=1.28～1.6，與CSA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Sa=1.5具有一定的相似性。

2 覆冰時(shí)的風(fēng)荷載計(jì)算

2.1 風(fēng)速的確定

具有相同重現(xiàn)期的冰荷載和風(fēng)荷載一般不會(huì)在冰、風(fēng)共同作用時(shí)同時(shí)發(fā)生，所以要進(jìn)行組合，使組合效應(yīng)仍具有和單獨(dú)作用時(shí)相同的重現(xiàn)期。對(duì)此，《重冰規(guī)程》給出了覆冰時(shí)10 m高度處的同時(shí)風(fēng)速:中冰區(qū)為10 m/s，重冰區(qū)為15 m/s。IEC標(biāo)準(zhǔn)在這方面考慮了表4列舉的3種組合情況。

表4 IEC標(biāo)準(zhǔn)荷載組合Tab.4 Load combination in IEC standard

其中，VIH和 VIL在沒(méi)有充足觀測(cè)數(shù)據(jù)情況下，可在參考風(fēng)速VR(重現(xiàn)期為T(mén)的風(fēng)速)基礎(chǔ)上乘1個(gè)風(fēng)速降低因子Bi得到。

與IEC標(biāo)準(zhǔn)類似，CSA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的風(fēng)速降低因子為0.6～0.75。由于我國(guó)規(guī)范規(guī)定500～750 kV輸電線路的基本風(fēng)速不宜低于27 m/s，按IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算得VIL=16.11～22.82 m/s，VIH=10.74～13.43 m/s;按CSA 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算得V=16.11～20.25 m/s?？梢?jiàn)，我國(guó)規(guī)范規(guī)定的中冰區(qū)10 m/s同時(shí)風(fēng)速和重冰區(qū)15 m/s同時(shí)風(fēng)速與IEC標(biāo)準(zhǔn)的VIH吻合較好，但較CSA標(biāo)準(zhǔn)偏小，由此可知最小風(fēng)速的規(guī)定具有一定的合理性。

2.2 風(fēng)荷載的確定

風(fēng)速確定之后，便可計(jì)算作用在導(dǎo)、地線上的風(fēng)荷載?！吨乇?guī)程》計(jì)算作用在覆冰導(dǎo)、地線上的風(fēng)荷載公式如下。

式中:Wx為垂直于導(dǎo)、地線方向的水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN;α為風(fēng)壓不均勻系數(shù);βc為500和750 kV線路導(dǎo)、地線風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);μsc為導(dǎo)、地線體型系數(shù);d為導(dǎo)、地線覆冰外徑，mm;Ln為桿塔的水平檔距，m;B1為中、重冰區(qū)導(dǎo)、地線及絕緣子覆冰后風(fēng)荷載增大系數(shù);θ為風(fēng)向與導(dǎo)、地線方向之間的夾角，(°);W0為基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2;ν為基準(zhǔn)高度10 m處風(fēng)速，m/s。

IEC標(biāo)準(zhǔn)考慮表4中前2種組合情況下的風(fēng)荷載計(jì)算。

組合1:

組合2:

式中:Ac1、Ac2為風(fēng)荷載，N;qOH、qOL為風(fēng)壓，N/m2;CIH、CIL為有效阻力系數(shù)，見(jiàn)表5;Gc為導(dǎo)、地線綜合系數(shù);GL為檔距折減系數(shù);DL、DH為覆冰導(dǎo)、地線直徑，mm;gL、gH為單位長(zhǎng)度覆冰重量，N/m。

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對(duì)比《重冰規(guī)程》和 IEC 標(biāo)準(zhǔn)，μsc和 CIH、CIL的含義是相當(dāng)?shù)模际强紤]覆冰對(duì)導(dǎo)、地線體型系數(shù)的影響。IEC標(biāo)準(zhǔn)中的DL、DH考慮了不同密度冰凌的等值受風(fēng)面積與標(biāo)準(zhǔn)密度冰凌受風(fēng)面積的不同，我國(guó)規(guī)范也考慮了這一因素，并且考慮線路等級(jí)的提高和規(guī)范修訂后覆冰重現(xiàn)期的增大，將體型系數(shù)一并校正在內(nèi)形成了風(fēng)荷載綜合增大系數(shù)B1，15 mm冰區(qū)取1.3，20 mm以上冰區(qū)取1.5～2.0?？梢?jiàn)在這一點(diǎn)上，我國(guó)規(guī)范與IEC較為吻合。

3 不均勻覆冰工況

當(dāng)導(dǎo)線覆冰不均勻時(shí)，便會(huì)對(duì)桿塔形成極限彎矩或極限扭矩。《重冰規(guī)程》針對(duì)此種工況規(guī)定桿塔一側(cè)覆冰100%，直線型桿塔另一側(cè)覆冰按線路等級(jí)從一級(jí)到三級(jí)分別為20%、30%和40%，耐張塔則為0，15%和30%。此外，我國(guó)規(guī)范還對(duì)不平衡張力給出了最小限值。IEC標(biāo)準(zhǔn)也有類似規(guī)定，只是不均勻覆冰率為40%。但有一點(diǎn)應(yīng)引起注意，《重冰規(guī)程》不均勻覆冰率的基準(zhǔn)是設(shè)計(jì)冰重，而IEC標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)為0.7gR。這里以捷克Studnice覆冰觀測(cè)站得到的年最大覆冰值［11］為基礎(chǔ)，按極值I型分布推算，若gR重現(xiàn)期為50、150和500年，那么0.7gR對(duì)應(yīng)的重現(xiàn)期分別為9.74、20.51和47.05年，分別與我國(guó)規(guī)范的10、30和50年接近，也即與《重冰規(guī)程》的設(shè)計(jì)荷載相吻合。另外，《重冰規(guī)程》三類線路40%的不均勻覆冰率也與IEC標(biāo)準(zhǔn)相同，只是在考慮一、二級(jí)線路的重要性時(shí)，將不均勻覆冰率提高。

CSA標(biāo)準(zhǔn)對(duì)覆冰率規(guī)定則有所不同，一側(cè)覆冰率為30%，另一側(cè)認(rèn)為不覆冰，但這只是針對(duì)由凍雨覆冰的脫落造成的不平衡張力，CSA標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為此種不平衡張力不大，而由凍霧覆冰造成的不平衡張力更為嚴(yán)重，需要進(jìn)行氣象觀測(cè)。對(duì)于需要考慮嚴(yán)重覆冰荷載的情況，將不均勻覆冰率從0.3提高至0.5。

各國(guó)規(guī)范關(guān)于不均勻覆冰情況見(jiàn)表6，從表6中也可看出IEC標(biāo)準(zhǔn)中500年重現(xiàn)期的0.7gR對(duì)應(yīng)于我國(guó)的50年重現(xiàn)期，而CSA中將不均勻覆冰率提高至0.5時(shí)與我國(guó)和IEC規(guī)程較為吻合。此外，IEC標(biāo)準(zhǔn)和CSA標(biāo)準(zhǔn)中同時(shí)提到由脫冰不均勻引起的不平衡張力，脫冰跳躍的危害除了減少線與線之間的距離外，對(duì)輸電塔線體系也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的動(dòng)力沖擊作用［12］，這一點(diǎn)在輸電線路設(shè)計(jì)中應(yīng)逐步引起重視。

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4 斷線工況

斷線是輸電線路承受的又一不利工況?！吨乇?guī)程》在斷線時(shí)不考慮風(fēng)荷載作用，但要計(jì)入冰荷載。對(duì)于中、重冰區(qū)的I～I(xiàn)II氣象分區(qū)，一至三類線路的斷線覆冰率分別為70%、60%和50%，并規(guī)定了斷線張力的最小限值。IEC標(biāo)準(zhǔn)在其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求中考慮到由斷線引起的扭轉(zhuǎn)，斷線時(shí)不考慮風(fēng)荷載和覆冰荷載，但對(duì)于易受惡劣天氣影響的線路，可采用3年重現(xiàn)期的冰荷載或風(fēng)荷載。因此，當(dāng)變異系數(shù)σ/=0.2～0.7時(shí)，斷線覆冰量與設(shè)計(jì)覆冰量的比值可用式(14)計(jì)算，由此得不同重現(xiàn)期的斷線覆冰率見(jiàn)表7。

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從表7中可以看出，IEC標(biāo)準(zhǔn)斷線覆冰率與我國(guó)規(guī)范規(guī)定的50%、60%和70%比較吻合，對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)為0.2。CSA標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于這部分的內(nèi)容全部引自IEC標(biāo)準(zhǔn)，故不再贅述。

5 結(jié)語(yǔ)

由于各國(guó)在荷載、可靠度等方面的設(shè)計(jì)理念存在差異，對(duì)輸電線路覆冰規(guī)程的對(duì)比很難做到絕對(duì)的量化，基于上文的對(duì)比，總結(jié)如下:

(1)我國(guó)規(guī)范提倡利用基于概率論的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行線路覆冰研究，但由于缺乏長(zhǎng)期的覆冰氣象觀測(cè)，這方面的應(yīng)用程度低于國(guó)外相關(guān)規(guī)范，亟待改善。

(2)雖然我國(guó)荷載的重現(xiàn)期低于國(guó)外相關(guān)規(guī)范，但從實(shí)際的荷載取值對(duì)比來(lái)看，覆冰荷載的導(dǎo)線直徑修正系數(shù)與IEC標(biāo)準(zhǔn)基本吻合，而導(dǎo)線高度修正系數(shù)大于IEC標(biāo)準(zhǔn);與CSA標(biāo)準(zhǔn)的空間系數(shù)Sa具有一定相似性。由于線路最小風(fēng)速的規(guī)定，覆冰時(shí)的風(fēng)荷載與IEC標(biāo)準(zhǔn)、CSA標(biāo)準(zhǔn)較為吻合。

(3)因基準(zhǔn)冰荷載選取和覆冰率的不同，我國(guó)以50年重現(xiàn)期為基準(zhǔn)的不均勻覆冰荷載與IEC標(biāo)準(zhǔn)以500年重現(xiàn)期為基準(zhǔn)時(shí)吻合，達(dá)到甚至超過(guò)CSA標(biāo)準(zhǔn)150年重現(xiàn)期的水平。我國(guó)一、二和三類桿塔的斷線覆冰率亦與IEC標(biāo)準(zhǔn)、CSA標(biāo)準(zhǔn)中500、150和50年重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的斷線覆冰率相吻合。而我國(guó)隨線路等級(jí)變化的覆冰率更為合理，但脫冰對(duì)輸電塔線體系的動(dòng)力作用在今后的規(guī)范中應(yīng)逐步引起重視。

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