尹鵬 李旭 李喜來 楊靖波

電力規(guī)劃設(shè)計總院 北京100120

引言

《架空輸電線路荷載規(guī)范》（DL/T 5551—2018）［1］和《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5486—2020）［2］是目前輸電線路桿塔設(shè)計主要遵循的技術(shù)標準。DL/T 5551—2018［1］整合了不同電壓等級、各類氣象區(qū)域和不同類型的架空輸電線路相關(guān)標準關(guān)于荷載設(shè)計方面的技術(shù)要求，規(guī)定了架空輸電線路荷載設(shè)計的基本要求和計算方法。DL/T 5486—2020［2］是對原《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5154—2012）［3］的修訂，整合了按電壓等級、交流與直流、角鋼與鋼管等分類的原6 項桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)規(guī)程，規(guī)定了架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求、原則和計算方法。兩項標準對線條風荷載、塔身風荷載、構(gòu)件強度承載力計算、受壓構(gòu)件穩(wěn)定折減系數(shù)、塔腳板計算方法等進行了修訂。本文綜合對比新舊規(guī)范［1-4］主要條文的差異，通過典型設(shè)計條件和塔型的計算，分析規(guī)范修訂對桿塔設(shè)計的影響，以期達到深入和全面理解新規(guī)范［1，2］的目的。

1 DL/T 5551—2018［1］主要修訂內(nèi)容對比分析

1.1 線條風荷載

《110～750kV 架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》（GB 50545—2010）［4］第10.1.18 條和DL/T 5551—2018［1］第6.1.1 條規(guī)定了線條風荷載的標準值的計算：通過對比發(fā)現(xiàn)，新舊荷載規(guī)范［1，4］線條風荷載計算公式在風荷載不均勻性、風壓高度變化、體型系數(shù)、調(diào)整系數(shù)、覆冰風荷載增大系數(shù)等方面有差異，對比如表1 所示。

從表1可以看出，GB 50545—2010［4］用風壓不均勻系數(shù)α 來表征風壓不均勻度，DL/T 5551—2018［1］引入了導地線陣風系數(shù)βC、檔距折減系數(shù)αL來表征風壓不均勻度；粗糙度系數(shù)由原來的0.16減小為0.15，與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）保持一致；體型系數(shù)取值DL/T 5551—2018［1］變??；DL/T 5551—2018［1］取消了風荷載調(diào)整系數(shù)；覆冰風荷載增大系數(shù)，DL/T 5551—2018［1］明確張力計算和無冰時取值為1.0。為直觀表達DL/T 5551—2018［1］修訂后，線條荷載與電壓等級和導線平均高度的關(guān)系，以27m/s、覆10mm，水平檔距400m 為例，計算新舊荷載規(guī)范［1，4］大風工況下的單位線條風荷載，結(jié)果見圖1。

表1 新舊荷載規(guī)范［1，4］線條風荷載計算公式對比Tab.1 Comparison of Wire and ground wind loads calculation formulas of new and old standard［1，4］

圖1 桿塔線條風荷載對比Fig.1 Comparison of wind load on wire of tower

從圖1 可以看出，相比GB 50545—2010［4］，330kV及以下線路，線條風荷載隨導線高度的增幅在14%～25%左右，500kV線路，線條風荷載隨導線高度的增幅在1%～9%左右，1000kV、

±800kV等特高壓線路，線條風荷載隨導線高度的增幅在1%～7%左右，所有電壓等級的增幅隨導線升高而減小，原因主要為隨導線高度的增加風場湍流強度逐漸減小。

1.2 塔身風荷載

GB 50545—2010［4］第10.1.19 條和DL/T 5551—2018［1］第6.2 條規(guī)定了桿塔風荷載的計算方法，新舊荷載規(guī)范［1，4］桿塔風荷載計算公式相同，但DL/T 5551—2018［1］風荷載調(diào)整系數(shù)βz的取值方法發(fā)生了明顯變化，基于隨機振動理論和當前計算機軟硬件水平，采用團集質(zhì)量法計算架空輸電桿塔風振系數(shù)，無論桿塔高是否超過60m，均采用由下到上逐段增大的數(shù)值，計算方法科學合理。為比較DL/T 5551—2018［1］計算所得的桿塔荷載與原有規(guī)范計算結(jié)果大小的差異，選取B類地貌下不同電壓等級的直線塔作為算例。因除μz、βz外，新舊荷載規(guī)范［1，4］對于其余參數(shù)的取值相同，僅計算μz·βz即可反映風荷載大小的差異，計算結(jié)果見表2。

從表2 計算結(jié)果看出，較GB 50545—2010［4］相比，DL/T 5551—2018［1］風振系數(shù)計算結(jié)果對500kV低呼高塔和220kV、110kV 塔影響較大，最大可增加30%；對±800kV、1000kV 影響較小，比GB 50545—2010［4］計算結(jié)果小2%～7%。其根本原因為220kV、110kV 塔相對較矮，風場湍流強度大，GB 50545—2010［4］風振效應(yīng)考慮不足，隨著高度增加，風場湍流強度逐漸減小，故特高壓塔和高塔影響較小。DL/T 5551—2018［1］按照隨機振動理論計算桿塔風振系數(shù)，較科學。

表2 新舊荷載規(guī)范［1，4］μz·βz 影響計算結(jié)果對比Tab.2 Comparison of the μz·βz calculation results of the new and old specifications［1，4］

2 DL/T 5486—2020［2］主要修訂內(nèi)容對比分析

2.1 軸心受壓構(gòu)件的強度計算

DL/T 5486—2020［2］第6.1.1 條和DL/T 5154—2012［3］第6.1.1 條規(guī)定了桿塔構(gòu)件強度的計算方法，DL/T 5154—2012［3］為了簡化計算方法，采用凈截面應(yīng)力不超過設(shè)計強度的計算方法，Q420 及以下牌號鋼材的最小強屈比大于或接近1.25，應(yīng)用簡化方法是安全的，但對于更高等級的鋼材，其強屈比小于1.25，采用簡化計算公式將不再安全。DL/T 5486—2020［2］參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB50017—2017）的相關(guān)規(guī)定，按照毛截面屈服和凈截面斷裂兩種承載力極限狀態(tài)分別計算構(gòu)件強度。由于新舊桿塔規(guī)范［2，3］對單肢連接的受拉構(gòu)件強度計算變化較大，因此選取Q235、Q355 和Q420 不同規(guī)格的單排螺栓連接角鋼，計算其受拉強度承載力，對比新舊桿塔規(guī)范［2，3］的差異，計算結(jié)果見圖2。

圖2 常規(guī)角鋼單肢連接受拉承載力Fig.2 The tensile capacity of angle single-leg connection members

從圖2 計算結(jié)果可以看出：（1）當角鋼單排螺栓連接，且為1 顆螺栓時，除肢寬為40mm 的角鋼外，其受拉凈截面斷裂承載力降低，Q235角鋼降低10%，Q355 角鋼降低25%；其主要原因是當角鋼單排螺栓連接，且為1 顆螺栓時，DL/T 5486—2020［2］構(gòu)件強度折減系數(shù)為0.5，DL/T 5154—2012［3］中強度折減系數(shù)當肢寬小于等于40mm 時，取0.55，大于40mm 時取0.7。（2）當角鋼單排螺栓連接，且為2 顆及以上螺栓連接時，其受拉凈截面斷裂承載力增加，Q235角鋼增加25%，Q355 角鋼增加5%；其主要原因為DL/T 5154—2012［3］中受拉強度計算采用了簡化計算公式，設(shè)計應(yīng)關(guān)注。（3）當角鋼單排螺栓連接，且為2 顆及以上螺栓連接時，Q420 角鋼的受拉凈截面斷裂承載力在肢厚16mm 及以下降低3%，其主要原因為DL/T 5154—2012［3］中受拉強度計算采用了簡化計算公式，對于Q420以下牌號的鋼材，其強屈比大于或接近1.25，是安全的，但對于更高強度等級的鋼材，其強屈比小于1.25，采用該簡化公式將不再安全。

2.2 軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定計算

DL/T 5486—2020［2］修訂軸心受壓構(gòu)件的寬厚比限值，其計算公式詳見DL/T 5486—2020［2］第6.1.7 條。輸電線路鐵塔常用角鋼的寬厚比范圍為5.5～13.4，依據(jù)規(guī)范計算，當Q355、Q420、Q460 材質(zhì)的角鋼寬厚比分別在10.7、9.7、9.3 以下時，寬厚比折減系數(shù)為1.0，為分析構(gòu)件強度折減系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)的乘積mn·Φ 隨構(gòu)件長細比的變化規(guī)律，研究新舊桿塔規(guī)范［2，3］在不同材質(zhì)、不同寬厚比下mn·Φ 對受壓承載力的影響，選取L125 ×8（b/t=12.9）、160 ×10（b/t=13.4）、L200 ×14（b/t=12）b類角鋼截面進行分析，計算結(jié)果見圖3。

圖3 不同寬厚比角鋼mn·φ 隨構(gòu)件長細比的變化Fig.3 mn·φ of angle steel member with differentwidth to thickness ratio varies with its slendernessratio

從圖3 計算結(jié)果可以看出：（1）DL/T 5154—2012［3］在長細比0～30 范圍內(nèi)，受壓承載力折減系數(shù)隨長細比增加而降低；最大降低3.6%左右，寬厚比越大降低越多。長細比在30～60 范圍內(nèi)，受壓承載力折減系數(shù)隨長細比增加而增加；長細比在大于60 時，受壓承載力折減系數(shù)隨長細比增加而減小。（2）相比DL/T 5154—2012［3］，DL/T 5486—2020［2］受壓承載力折減系數(shù)隨長細比的增加而減小，更科學。（3）相比DL/T 5154—2012［3］，對于b 類截面，Q355、Q420 鋼材，構(gòu)件長細比在0～45 之間，其受壓承載力增加約5%，構(gòu)件長細比在45～75 范圍內(nèi)，其受壓承載力有不同程度的降低，最大分別降低3.6%、1.7%左右；Q460 鋼材，構(gòu)件長細比在0～50 范圍內(nèi)，受壓承載力增加約5%，長細比在50～60范圍內(nèi)，受壓承載力有不同程度的降低，最大降低3.6%左右，寬厚比越大降低越多。

2.3 軸心受壓構(gòu)件交叉材計算長度系數(shù)

DL/T 5486—2020［2］第6.1.9 條參考德國標準《鋼結(jié)構(gòu)》（DIN18800—1990），結(jié)合輸電塔的特點，對軸心受壓構(gòu)件交叉材一拉一壓時計算長度修正系數(shù)進行修訂。為對比新舊桿塔規(guī)范［2，3］塔身交叉材在一拉一壓情況下計算長度系數(shù)K2的差別，分L2/L3=0.52、L2/L3=0.61 兩種情況下，分析K2的計算值隨N0/N 比值的變化情況，計算結(jié)果見圖4。

圖4 計算長度系數(shù)K2 隨N0/N 的變化Fig.4 Length coefficient K2 calculated as a function of N0/N

從圖4 計算可以看出：（1）DL/T 5154—2012［3］的計算長度系數(shù)K2計算值以N0/N=20%為分界點，左右側(cè)計算值不連續(xù)，新修訂的規(guī)范參考德國標準并結(jié)合輸電塔的特點，其計算長度系數(shù)K2隨N0/N 的變化是連續(xù)的，較科學合理。（2）較DL/T 5154—2012［3］相比，L2/L3=0.52，N0/N 應(yīng)力比在0.2～0.5 之間時，K2計算值最大增加15%；L2/L3=0.61，N0/N應(yīng)力比在0.2～0.34 之間時，K2計算值最大增加7%。如果用DL/T 5486—2020 校驗，當L2/L3、N0/N 比值處于上述區(qū)間時，構(gòu)件承載力可能超限。（3）較DL/T 5154—2012［3］相比，L2/L3=0.52，L2/L3=0.61，N0/N 應(yīng)力比分別大于0.5 和0.34 時，K2計算值最大減小10%，因為DL/T 5486—2020 認為當交叉斜材的拉力達到一定比值時，受拉材完全可以作為受壓材的面外支撐，取消了計算長度增大系數(shù)1.1。

2.4 雙軸對稱的十字型組合角鋼承載能力計算

DL/T 5486—2020［2］對雙組合、四組合角鋼十字型截面計算長細比進行了修訂，取消了因考慮彎扭屈曲采用等效回轉(zhuǎn)半徑的算法，但要求雙組合、四組合角鋼十字型截面需滿足相關(guān)構(gòu)造規(guī)定，其計算長細比詳見B.2.2。

為對比新舊桿塔規(guī)范［2，3］的差異，選取Q420材質(zhì)的雙角鋼2L160 ×10、2L160 ×14、2L180 ×14、2L200 ×16 及四角鋼4L160 ×10、4L160 ×14、4L180 × 14、4L200 × 16 等角鋼組合截面，分析壓桿穩(wěn)定強度折減系數(shù)和構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)的乘積mn·Φ隨構(gòu)件未換算長細比的變化規(guī)律，計算結(jié)果見圖5。

圖5 mn·Φ 隨構(gòu)件長細比的變化Fig.5 Variation of mn·Φ with slenderness ratio

從圖5 計算可以看出：（1）DL/T 5154—2012［3］的在寬厚比較大時受壓穩(wěn)定承載力折減較大，且隨未換算計算長細比變化不大，不合理；DL/T 5486—2020［2］中十字型組合截面受壓穩(wěn)定承載隨未換算計算長細比增大而減小，較科學合理。（2）較DL/T 5154—2012［3］相比，在主材常用長細比30～45 之間，2L160 ×10、4L160 ×10組合十字型截面受壓穩(wěn)定承載力平均增加30%；2L160 ×14、4L160 ×14 組合十字型截面受壓穩(wěn)定承載力平均增加15%；2L180 ×14、4L180 ×14組合十字型截面受壓穩(wěn)定承載力平均增加22%；2L200 ×16、4L200 ×16 組合十字型截面受壓穩(wěn)定承載力平均增加17%；寬厚比越大增加比例越大。

3 新版規(guī)范的修訂對塔重和基礎(chǔ)作用力的影響

新規(guī)范［1，2］對桿塔計算風荷載和部分構(gòu)件計算做了較大的修訂，為從整體上分析規(guī)范修訂對桿塔和基礎(chǔ)設(shè)計的影響，本節(jié)選取110kV、220kV、500kV、± 800kV、1000kV 等電壓等級代表性的桿塔，測算塔重和基礎(chǔ)作用力的變化幅度，并分析其影響因素。塔重影響計算結(jié)果見表3，基礎(chǔ)作用力計算結(jié)果見表4。

表3 新舊規(guī)范［1-4］塔重影響計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of tower weight influence of old and new specifications［1-4］

續(xù)表3

表4 新舊規(guī)范［1-4］基礎(chǔ)作用力影響計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of foundation force influence between new and old specifications［1-4］

續(xù)表4

從表3 和表4 計算結(jié)果分析，本次新規(guī)范［1，2］的修訂對110kV～1000kV 塔重和基礎(chǔ)作用力的綜合影響主要為：（1）較舊規(guī)范［3，4］相比，110kV和220kV塔重增加，110kV 塔重變化幅度在-2.8%～5.5%之間，220kV 塔重變化幅度在-0.5%～8.8%之間，變化幅度隨風速和呼高的增大而增大。其原因為DL/T 5551—2018［1］引起線條風荷載和塔身風荷載增加，從而引起塔重增加，DL/T 5486—2020［2］由于再分式交叉材計算長度系數(shù)減小引起塔重減小。（2）較舊規(guī)范［3，4］相比，500kV塔重持平，雙回路略有減少。其原因為GB 50545—2010［4］針對500kV 及以上的桿塔設(shè)計增加了風荷載調(diào)整系數(shù)，由DL/T 5551—2018［1］荷載因素引起的塔重略微增加，DL/T 5486—2020［2］由于再分式交叉材計算長度系數(shù)減小引起塔重略微減小。（3）較舊規(guī)范［3，4］相比，±800kV、1000kV塔重減小，±800kV 塔重變化幅度在-4.8%～-9.2%之間，1000kV 單回路塔重變化幅度在-3.8%～1.2%之間，1000kV雙回路鋼管塔重變化幅度在-1%～-5.5%之間。其原因為特高壓塔高較高，且GB 50545—2010［4］針對特高壓的桿塔設(shè)計增加了風荷載調(diào)整系數(shù)，較GB 50545—2010［4］相比，線條風荷載基本略有增加，塔身風荷載減小，從而引起塔重減小，同時DL/T 5486—2020［2］由于再分式交叉材計算長度系數(shù)減小引起塔重減小。（4）較舊規(guī)范［3，4］相比，110kV 和220kV 塔基礎(chǔ)作用力增加較明顯，變化幅度在10%～24%之間，變化幅度隨風速和呼高的增大而增大；500kV 和±800kV桿塔基礎(chǔ)作用力基本持平，略有增加，變化幅度在1%～7%之間；1000kV桿塔基礎(chǔ)作用力減小，變化幅度在-1%～-6%之間。

4 結(jié)論

總體來說，本次新規(guī)范［1，2］的修訂內(nèi)容較多，對桿塔設(shè)計的主要影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.較舊規(guī)范［3，4］相比，線條風荷載對500kV及以下線路桿塔設(shè)計影響較大，最大可增加25%，桿塔風振系數(shù)計算結(jié)果對500kV 低呼高塔和220kV、110kV塔影響較大，最大可增加30%。

2.DL/T 5486—2020［2］在軸心受壓構(gòu)件的強度計算、穩(wěn)定計算、計算長度系數(shù)及雙軸對稱十字型組合角鋼承載力計算等方面進行了修定，較DL/T 5154—2012［3］相比，科學合理，其修訂條文對塔重的綜合影響是減小的。

3.DL/T 5486—2020［2］對桿塔重量的綜合影響為，110kV和220kV塔重增加，其增加幅度在-2.8%～5.5%之間；500kV 塔重持平，雙回路略有減少；±800kV、1000kV 塔重減小，±800kV塔重變化幅度在-4.8%～-9.2%之間，1000kV單回路塔重變化幅度在-3.8%～1.2%之間，1000kV 雙回路鋼管塔重變化幅度在-1%～-5.5%之間，原因與塔重變化原因一致。

4.DL/T 5486—2020［2］對桿塔基礎(chǔ)作用力的的綜合影響為，110kV和220kV塔基礎(chǔ)作用力增加較明顯，變化幅度在10%～24%之間；500kV和±800kV 桿塔基礎(chǔ)作用力基本持平，略有增加，變化幅度在1%～7%之間；1000kV 桿塔基礎(chǔ)作用力減小，變化幅度在-1%～-6%之間。