输电线路杆塔风灾结构应力分析

内容介绍输电线路杆塔风灾结构应力分析与基础优化原则2015年11月17日风荷载计算关于杆塔关于导线关于塔线体系2015年11月13日研究背景1.关于导线荷载计算的问题：线路规范的导地线风荷载计算是否符合相关风工程理论与气侯风模型？除α、βc外的计算按概念为平均风荷载。风速V（m/s）＜2020V2727V31.531.5计算铁塔荷载10.850.750.7设计铁塔（风偏计算用）10.750.610.61计算500、750kV铁塔荷载11.11.21.3风压高度变化系数基本风压体型系数导线半径档距覆冰增大风方向角2015年11月17日研究背景1.公式缺乏阵风效应产生的放大系数（风振系数），而且系数α在高风速区0.7的折减不符合台风等大尺度气候风风场特征，不符合支撑国际通行风工程理论的关于世界各地的风气象观测结果。2.βc部分修正了α不符合风场特性的弊端，却带来不同电压等级、直线塔耐张塔风荷载的不协调，而α、βc物理意义也更趋于模糊。2015年11月17日导线风振系数对比导地线“风振系数”对比表风速V（m/s）＜2020V2727V31.5=31.5500kV及以上铁塔荷载10.9350.90.91330kV及以下铁塔荷载10.850.750.7美标推导出的导线风振系数1.51~1.22欧标推导出的导线风振系数1.47~1.29IEC推导出的导线风振系数1.84~1.212015年11月17日导线风振系数近似计算推导“风振系数”定义：风总效应/平均风效应≈风总效应/风平均效应风场数学模型：基本风压（基准高平均风速、空气密度）、风剖面、湍流度函数、脉动风谱、空间相关性函数。2015年11月17日导线风振系数近似计算推导2015年11月17日导线风振系数计算结果与对比按荷载规范风场参数推导的导线“风振系数”档距200m400m600m800m10m1.431.331.271.2430m1.361.281.231.2060m1.331.251.211.18美标推导出的导线风振系数1.51~1.22欧标推导出的导线风振系数1.47~1.29IEC推导出的导线风振系数1.84~1.212015年11月17日EN50341BS导线风荷载计算阵风因子Gc的分子实际就是“风振系数”，恒大于1。欧美风荷载计算的瞬间风输入只是表象，实际都是平均风乘上“风振系数”十分钟平均风压瞬时风压2015年11月17日铁塔风振1.关于铁塔风荷载计算的问题：20m高的矮塔的风振系数为1是否符合基本风工程力学概念？铁塔全高H2030405060（m）单柱拉线铁塔11.41.61.71.8其他铁塔11.251.351.51.6注1：中间值按插入法计算。注2：对自立式铁塔，表中数值适用于高度与根开之比为4～6。2015年11月17日铁塔脉动响应脉动风谱结构响应谱结构很矮时共振分量趋于0，但背景分量趋于与脉动量相等。塔越矮越刚，风振系数趋于等于脉动增大系数。2015年11月17日导线时程仿真计算结果时程有限元仿真计算结果20304211.11.21.31.4风速V（m/s）风振系数风荷载风振系数跨中位移风振系数风偏角风振系数建议规范风振系数200m档距导线在不同风速下（42m/s风速为A类地貌）注：建议规范即按建筑荷载规范风场参数推导结果2015年11月17日导线时程仿真计算结果时程有限元仿真计算结果400m档距导线在不同风速下注：线固接于支座模型2030354211.11.21.3风速V（m/s）风振系数风荷载风振系数跨中位移风振系数风偏角风振系数建议规范风振系数2015年11月17日导线时程仿真计算结果时程有限元仿真计算结果400m档距导线在不同支座下的风振系数I型V型两端固支1.11.151.21.251.31.35风振系数风荷载风振系数跨中位移风振系数风偏角风振系数建议规范风振系数2015年11月17日铁塔时程仿真计算结果20m高塔时程有限元仿真计算结果塔风振系数趋于上下一致约为1.6211.21.41.61.8235.47.610.712.713.715.617.4z节点高度/m建议方法1建议方法2现行规范时程计算2015年11月17日塔线耦联时程仿真计算结果塔线耦联结算结果与解耦对比从塔线耦联计算结果看解耦计算铁塔风振系数取值偏大，而铁塔与导线存在空间相关性问题会使铁塔风振系数有一定的折减。-202468x107102131.539.24757.5轴力响应计算值/N节点高度/m解耦动力平均值耦联动力平均值解耦动力标准值耦联动力标准值规范建议值2015年11月17日分项系数与重现期线路能承受的风速是多少？50年、30年重现期设计风速只是基准，而非真正的设计耐受风速，我们按50年（30年）重现期风荷载的1.54倍（1.4荷载分项系数与1.1材料分项系数）进行设计，对应的是欧美数百年重现期荷载，如果将我国50年重现期风速设计的杆塔与欧美50年重现期设计杆塔对比是不匹配的对比。按中国规范30m/s设计的杆塔，对应的应该是欧美50年重现期30m/s但按500~800年重现期设计的杆塔，准确的说是对应30m/s的1.24倍即37.2m/s风速设计。2015年11月17日分项系数与重现期现设计杆塔能承受设计风速的1.24倍吗？500kV线路虽然缺失导线阵风效应考虑，但由于导线体型系数、压杆稳定系数方面的较欧美保守，大致能承受设计风速的1.15~1.2倍左右。330kV及以下线路较500kV线路缺乏βc的补充，缺乏导线阵风效应考虑，在矮塔的风振系数上低估，只能承受设计风速的1.05~1.1左右。2015年11月17日分项系数与重现期杆塔需要承受现设计风速的1.24倍吗？美国楼房结构为700年重新期防风设计（1.6荷载分项系数乘50年重现期风荷载），杆塔为50年~400年。中国500kV线路风荷载设计与中国普通楼房结构一致，即1.4荷载分项系数、1.1钢材材料分项系数，显然标准偏高。如果导线阵风效应充分之后，相应的标准包括规范表达形式、重现期等是否应相应调整？2015年5月29日导线风偏摇摆角标准类别水平档距/m大风工况操作工况雷电工况水平风荷载/N摇摆角/°水平风荷载/N摇摆角/°水平风荷载/N摇摆角/°国标3002792844.0997418.9672512.96005585744.31994919.21345013.1日标3003394449.1/25585.06006074146.551165.1欧标3003575451.02065135.5同操作工况6007150751.34130335.8德标300/1909833.9同操作工况6003232029.8英标3004137155.32327141.4同操作工况6007465352.84199237.8CIGRE3003840557.51138725.3同操作工况6007132355.82114724.1电压等级500kV，导线型号4×JL/G2A-720/50，单根子导线直径0.03623m，单重2.3977kg/m，子导线分裂间距0.5m；线路附近气象台站离地10m高、10min时距平均的年最大风速平均值为24m/s，变异系数0.14，因此线路50年重现期的基本风速为32.7m/s；水平档距LH分别取300m和600m，垂直档距与水平档距相等，即Kv=1，导线平均高度取20m；绝缘子串重300kg，绝缘子串受风面积1.5m2，绝缘子串平均高取30m，串长6m。各标准下风偏时的导线水平风荷载和绝缘子串摇摆角2015年5月29日导线风偏摇摆角我国直线塔悬垂串摇摆角较小，因此塔头尺寸比较小吗？基于相同输入条件的测算结果来看，我国直线塔悬垂串摇摆角较小，而英标的摇摆角较大，但横担长度并不与摇摆角大小正相关。塔头尺寸取决于基准风速、设计工况及同时风速、高度变化、阵风效应、档距效应、风偏间隙取值等因素的共同作用，不能简单的从线条风荷载大小或者摇摆角大小比较不同标准下的塔头尺寸大小。基于相同输入条件的间隙圆图对比，我国直线塔悬垂串摇摆角较小，横担长度最短；若有多层横担，且同时考虑双回路及以上的平衡高绝缘，则层间距最大。CIGRE横担长度最长，欧标、德标和英标的层间距最小。2015年5月29日导线风偏摇摆角•对铁塔的结构可靠度要求则应高于电气可靠度，因此风偏设计的线条风荷载宜小于结构设计的风荷载，规范中风偏计算风速重现期不可理解为设防重现期。•导线风偏计算时宜基于平均风或者时距稍短的平均风，但是对跳线、跳线串这种小尺度元件，阵风效应的影响应考虑充分。•多年的运行经验表明，我国直线塔的风偏设计是安全可靠的，但线条风荷载计算公式中的α和βc主要为经验性参数，缺乏明确的物理含义，宜结合《架空输电线路荷载规范》的编制相应开展风偏计算风荷载的系数调整和取值研究工作。2015年5月29日跳线风偏摇摆角•我国现有的导地线风荷载计算方法对自然风的脉动特性考虑不足。将计算跳线（串）风偏摇摆角用的风压不均匀系数提高至1.4，可作为补偿脉动分量的一个方法。•在沿海强风区域线路采用刚性跳线可以有效预防耐张塔跳线风偏闪络事故。•南方电网颁布的《输电线路防风设计技术规范》，重点从抑制耐张塔风偏跳闸的目的出发，提出相应的措施，这些措施的效果将在今后的新建工程和防风改造工程中得到检验。我们需要关注今后几年新建线路风偏跳闸率是否显著低于已有线路的水平。2015年11月17日防风设计是否应调整相应规范总的说来：从风工程理论来说，我国现行标准与国际通用标准有较大差距，规范公式物理含义不够清晰，因此延用现有规范不利于规范向着更精确的方向发展，不利于企业按我国标准承揽国外工程，也不利于国家的标准与装备走出去战略。2015年11月17日2015年11月17日待研究内容1.考虑阵风效应的塔线荷载计算。2.合理重现期与可靠度，经济性测算。3.大风条件下导线机械特性设计及与覆冰匹配。4.合理的风偏计算与防风偏标准2015年11月17日考虑可靠度与经济性按以下的重现期并考虑阵风效应可能在造价上可以与原规范500kV基本一致。结构抗风设防重现期100年150年300年600年对应线路电压等级110kV其它配网220kV500kV特高压对应50年重现期荷载的重要系数(保留分项系数）0.750.80.91.0对应结构强度标准值，A类柱子曲线？对应导线安全系数2.0？覆冰荷载的分项系数概率模型？偏差？2015年11月17日建议1.待修编的行业规范考虑按风工程理论阵风效应。2.行业规范防风防灾设计应能反映设防重现期与可靠度。3.南网所有风区宜暂按增加βc的方法加强抗风设计。4.南网立项开展设计标准研究，建立与国际接轨的可靠水平清晰的企业标准，以利于在国际项目中的标准输出。2015年11月17日一个220kV四回路钢管杆设计1.33m/s设计风速、4x300导线的大条件钢管杆。2.仅3m宽绿化带走线，决定了最大管径与法兰大小。3.规范不自洽旋转轴与法兰设计。4.转角杆弯曲难以预弯纠正。2015年11月17日一些常见设计问题1.拔压力相差较大基础板桩承台最小配筋率问题。2.浅埋大板高宽比问题。3.人工挖孔桩扩大头承载力计算。4.焊缝级别与焊脚尺寸确定。5.地脚螺栓锚固长度与间距。6.塔座板、刚性法兰设计计算。2015年11月17日