海岛环境下大跨越输电塔风荷载关键参数特性研究

海岛环境下大跨越输电塔风荷载关键参数特性研究

施力;潘峰;聂建波;陈成;郑剑伟

【摘要】大跨越输电塔是集高耸结构和空间杆系结构2种特征于一体的风敏感结构,风与结构的相互作用十分复杂,风荷载是主要的设计荷载之一.以某一海岛环境大跨越输电塔为研究对象,研究了适用于工程的风速过渡区、风压高度变化系数;结合以往工程经验,提出体型系数的推荐取值;同时,参考国内外规范(IEC60826、

BS50341),并通过CFD模拟,得出了塔身与横担角度风荷载的分配系数推荐值;通过研究,揭示了海岛环境下大跨越塔的风荷载关键参数的特性,结果可作为大跨越铁塔结构抗风设计的参考.

【期刊名称】《电网与清洁能源》

【年(卷),期】2015(031)004

【总页数】7页(P25-31)

【关键词】大跨越输电塔;风压调整系数;风速过渡区;体形系数;角度风荷载;分配系数

【作者】施力;潘峰;聂建波;陈成;郑剑伟

【作者单位】中国水利水电第四工程局有限公司国际公司,北京100070;中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司,浙江杭州310012;国网浙江省电力公司物资分公司,浙江杭州 310003;中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司,浙江杭州310012;中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司,浙江杭州310012

【正文语种】中文

【中图分类】TU311

220 kV舟山本岛—岱山双回输电线路改造工程主要包括灌门大跨越、龟山大跨越和高亭大跨越三个大跨越，其中龟山大跨越处于线路的中间位置，连接秀山岛和官山岛，中间跨越龟山水道，大跨越耐张段长度3 714 m，最大跨越档距2 349 m，最大设计风速44 m/s。

大跨越输电塔是集高耸结构和空间杆系结构2种特征于一体的风敏感结构。风荷

载是主要的设计荷载之一；与常规塔相比，大跨越的档距、导地线荷载、铁塔高度等都有大幅度提高，有着特殊的风荷载特性和规律。

国内规范对于输电塔动力特性的处理主要是引入了风振系数的概念来调整基本风压，从而将脉动风转换为等效静风荷载进行计算。《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》［1-2］（DL/T 5154-2002，以下简称《技术规定》）中规定，当杆塔全高

超过60 m时，杆塔风振系数应按《建筑结构荷载规范》［3-4］（GB50009-2012）采用由下到上逐段增大的数值。然而荷载规范中的风振系数计算公式仅适

用于结构外形和质量沿高度分布均匀或规则变化的高层建筑或高耸结构，大跨越输电塔由于横担的存在使得全塔质量和受风面积分布不再均匀，设计时无法简单套用规范。

另外，对于风荷载的其他一些参数（过渡区，风高系数，体形系数，角度风分配）等的正确选取，都给设计人员提出了新的更高的要求，有必要进行深入细致的研究。本文根据大跨越特定工程环境，研究适用于工程的风速过渡区、风压高度变化系数；结合以往工程经验，提出体型系数推荐值；参考国内外规范，补充塔身与横担风荷载角度风荷载分配系数，得出大跨越塔风荷载设计的一些结论。

近地风在其行程中会遇到各种各样的障碍物，随着流动风向障碍物粗糙度的变化，风速大小的变化也不尽一致。一般，不同地面粗糙度类别有不同的风剖面，当风进入新的风剖面中，在达到平衡状态前，必须经过某一地面距离，称为过渡区，随着

风流程的增加，新的风剖面将逐步形成。风速随地面粗糙度类别的改变如图1所示。

一般地，在过渡区内的风速是逐步变化的，其风速应进行相应修正。按我国目前的状况和习惯，未具体建议风速（风压）修正的方法，而是参考欧美等国家的相关规范，直接选择过渡区距离x=1 500 m进行分析和地面粗糙度类别分类。欧美等国的相关规范条文如下：

1）澳大利亚规范x－xi≥1 500 m为过渡区；

2）英国规范认为需要1 000 m或更长的行程作为过渡区；

3）美国规范规定B类地面粗糙度类别（相当于中国C类地面粗糙度类别）所代表的地区，在上风方向上要有大于460 m或10倍建筑物或其他结构物高度的距离，二者中取大值；规定A类地面粗糙度类别（相当于中国D类地面粗糙度类别）所

代表的地区，在上风方向要有大于800 m或10倍建筑物高度的距离，二者中取

大值；

4）加拿大规范B类和C类地面粗糙度类别的上风方向至少要保持1 500 m的距离，否则要对风压高度变化系数进行修正。

因此，过渡区长度取1 500 m是比较合适的。从国内外文献［4-6］可知，基本上一致认为在新地貌粗糙度改变点开始的下游500 m距离之内，风速剖面线仍与上

游的风速剖面线相同。

当风从海面或湖面吹至陆地时，不管岸上陆地属何种地面粗糙度，都应从海岸边或湖岸边向陆地方向至少划出500 m的距离，视此区域属A类地面粗糙度类别，以此进行结构的抗风设计；对于从海岸边或湖岸边向陆地方向500 m至1 500 m的距离范围，其风流程仍处于新的地面粗糙度的过渡区内，可以仍按照A类地面粗

糙度进行设计或者进行修正设计；而对于从海岸边或湖岸边向陆地方向大于1 500 m的距离范围，结构物按照新的地面粗糙度类别进行设计。因此，根据本工程塔

位与海岸线相对距离，取A类地面粗糙度是合理的。

风经过不同的地形会产生不同的变化，比较典型的有“爬坡效应”、“狭管效应”和“遮挡效应”等。本工程大跨越高塔所处的海岛地形最为显著的是“爬坡效应”，即当风从海面吹向海岛后，由于遇到山坡或悬崖的阻碍会在坡顶或崖顶出现风速增大的现象。国内外许多学者对此进行了大量的研究，如今较为成熟的处理方法主要有2种：虚拟接腿法与风压调整系数法。

虚拟接腿法顾名思义便是将塔下地形近似为塔的一部分塔腿，如图2所示。在计

算风荷载时，定义海平面为风压高度起算平面，风剖面截取地形以上部分，因此在风压高度变化系数的作用下，真实杆塔所受风荷载便被放大。

风压变化调整系数法是将地形进行简化处理，如图3所示，用理想曲线代替实际

地形，然后应用控制变量法通过大量模拟与试验，考察风在越地形过程中风速的改变，拟合出包含高度、坡度及与目标建筑相对位置等地形特征量与风速增大比值之间的关系，并将风速比转化为风压比，用风压地形修正系数表示［7-9］。

ASCE规范在风压调整系数法模拟实际地形上应用了三维模型，计算结果更为合理，因此，参考其《Guidelines For Electrical Transmission Line Structural Loading》［10］（ASCE 74-2009）中的风压地形修正系数取值方法，计算海岛地形上大跨越输电高塔的风荷载，所得结果与虚拟接腿法进行对比，如表1、图4所示。

从对比结果可以得出：2种计算方法所得增大系数较为接近，风压增大系数在岛平面以上100 m范围内自下而上逐渐减小，100 m以上部分地形引起加速效应几乎消失，风压增大系数接近为1。风压变化调整系数法较虚拟接腿法在100 m范围

内考虑风速的增大效应更为合理，但2种计算方法所得增大系数最大相差在30%

以内，且由于大跨越输电高塔控制风荷载以塔身上部为主，100 m相对239.5 m

高塔未到塔身一半，且最大相差30%的风荷载偏差对全塔风荷载作用相差不大，