输电线路杆塔结构风荷载分析

输电线路杆塔结构风荷载分析
摘要：随着我国高压电网建设的迅速发展，新的输电技术如同塔双回线路、紧凑线路、大截面导线等，都使输电线路杆塔结构产生大负荷的趋势日益突出。

输电线路杆塔是线路的重要组成部分，是线路安全、可靠的重要组成部分。

风荷是输电线路杆塔所要承担的最大载荷，但其影响范围较大。

因此，在输电线路杆塔的设计中，对其进行风载荷的计算和分析就显得尤为重要。

关键词：高压电网；输电技术；杆塔结构；风荷载
引言：架空传输线杆塔是一种柱状或塔状结构，它支撑着架空传输线的导线和地线，并使两者与地面保持一定的间距，其安全可靠度对整个输电系统的安全运行有着重要的影响。

在架空输电线路中，杆塔造价占总投资的30%或更多，它直接影响到线路的经济效益。

随着我国特高压电网的不断发展，同塔多回线路、紧凑线路、大截面导线等新技术的普及，线路杆塔大荷载、大型化的发展趋势日益显现。

随着我国建设“节约型、环境友好型”社会，电网安全稳定，气候变化复杂，对杆塔的安全可靠性、经济性和环保性能的要求越来越高。

文章就国内输电线路杆塔结构的受力取值、结构优化及新材料应用等方面的最新研究成果进行了综述，并结合国内外的实际情况，指出了今后的发展方向。

1.风荷载对输电线路杆塔的影响
1.1风的速度会产生结构位移
对于某一特定高度以下的高层建筑，可以采用标准的方法进行计算，采用适当增加的风荷载来度量其动态影响，而风荷载仍以静力形式计算其自身的内力和位移。

但在高层建筑中，由于建筑物的高度越高，受风影响越大，由于位移太快所产生的动态影响就越小。

在考虑了动力作用的情况下，必须采用经验公式对顶点速度的影响进行估计。

因为铁塔所支持的导线和上部结构的高度都很高，而且导线的自重和拉力都很大，所以必须进行风洞实验来判断风向和风荷的影响，以弥补规范的缺陷。

1.2风作用下输电线路杆塔的刚度影响
在输电线路杆塔结构的设计中，应该考虑到在普通暴风雨影响下，杆塔也能
正常工作。

这就是在结构的弹性和小位移条件下，风力可以发生不同的角度，例
如-10到+10度。

在水平拉力、上下向力的作用下，杆塔的受力也是不规则的。

而风荷载的设计则是以输电线路杆塔的受力为基础进行的，对于高架线的杆塔，
可以保证在一般的小风向下运行。

在输电线路杆塔变形加速度低于0.005 g时，
其自身结构不会受到影响，而变形加速度超过0.015 g时，则会产生微小的结构
弹性，而在大风引起的变形加速度较大时，则会引起结构的损伤。

根据这种情况，可以在线路杆塔上加装减震装置，或者在线路上增设纵向结构，从而改善线路杆
塔的刚度。

2.杆塔设计的现状分析
输电线路杆塔是我国电网中的一个关键环节，如何确保其在运行中保持良好
的运行是十分关键的。

输电线路的杆塔属于典型的高耸建筑，大多位于荒山野岭
地带，因此，在设计与计算中，风荷载起着十分关键的作用。

由于输电塔的结构
比较复杂，目前国内的输电线路施工规范和设计都没有对其自身的风荷载进行明确、合理的计算。

输电线路杆塔属于高柔性结构，受外力影响，其自身结构会产
生动态响应。

而输电线路的杆塔本身具有无穷自由度，可将其分解为若干自由度
系统。

在脉动风载荷作用下，其动力响应是由不同模式响应的概率叠加而成，其
特征具有很大的不规则性，通常在30秒至60秒，有时数分钟，甚至更久。

这就
可以用静力学的方法来计算每个剖面的内力，最终的总内力是通过各个模态的贡
献得到的。

杆塔是一种超静定结构，一根杆件的失效并不能决定整体的破坏，只
有在杆塔被破坏的杆件数量达到一定数量后，杆塔无法承受更多的荷载，从而造
成杆塔的失效。

传统的应力计算方法已不能适应这种特性。

因此，对杆塔结构进
行有限元计算，并对其进行最大承载能力的研究是十分必要的。

风荷载、冰雪荷载、地震荷载等对杆塔的荷载有很大影响。

在杆塔的设计中，由于对其动态性能
的深入研究，在设计时往往会盲目地选择较大的动荷载影响因素。

这不但使杆塔
的自重有所提高，同时也避免了因动力作用造成的杆塔失效。

因此，对杆塔的动
力性能进行分析，是从静态到动态的一个重要环节。

3.输电线路杆塔结构研究
3.1杆塔荷载
在杆塔的荷载分析中，重点探讨了结构重要性系数、风荷载重现期、最小设计风速等参数的取值，以及杆塔的静、动风荷载的计算方法，并给出了相应的计算公式。

结构的重要系数和荷载的现值是根据结构的可靠性指数来计算的，而风振系数是以塔身为基础的；荷载组合的主要是考虑了线路的断线原则、拉力的取值以及与风、冰荷载的结合情况。

通过对外荷载数值的分析，可以了解其在外力作用及变化规律，从而为其结构设计提供更客观的参考。

3.2杆塔结构设计方法
杆塔的结构设计方法主要包括：分析计算力学模型、杆件承载力计算方法、杆端节点的构造计算方法等；另一方面，对杆件的选择、塔尖、塔腿型、坡度、根开、塔身断面、斜材、横隔面等进行了研究。

目前，铁塔的结构形式主要是采用理想的铰链式整体式结构。

在考虑节点的约束下，以全塔为超静定空间系统，通过计算结构的平衡与变形协调，计算出塔身的受力与变形，并依据其强度与稳定情况，进行选材。

3.3在输电线路杆塔结构最大风的时距
在结构设计中，关键的问题是瞬间风速与平均风速。

所谓的瞬时风速，其实就是一段很短的时期里的平均风速。

国际上常用的说法是阵风的速度。

气象站所提供的阵风速是以风速仪为基础，以其所采用的特性为基础。

指的是2秒、5秒或10秒的最大风速。

各国的最大风速值并不完全相同，有些国家的电力公司所采用的标准也不尽相同。

正如某些全国电力安全法规（NESC）所规定的那样，根据风压和设计方法，对应的风速，都是一段较长的平均风速。

4.我国输电线路杆塔结构未来的研究方向
4.1设计理论体系
从整体上讲，国内的铁塔结构设计理论还比较传统，还没有形成完善的、先
进的理论体系，以满足发展的要求。

传统的结构分析方法都是基于线弹性结构的
理论，因此，在电力系统的结构设计中，必须对结构的非线性、有限元的有限元
计算进行深入的研究。

对于加工误差、初位移、初应力等因素对杆件承载力的影响，尚无较深入的探讨与结论。

对导线与杆塔、塔与地基之间的相互作用进行研究。

4.2荷载取值
目前，杆塔的受力计算主要集中在一些与静风荷载相关的重要参数上。

关于
动力风荷载的计算方法，目前尚无较全面、系统的探讨。

在线路上，由于线路地
形复杂、幅员辽阔，可用的气象资料很少，多数是通过现场实测资料和工程实践
来确定，特别是在微地形、微气象条件下，冰荷的数值比较薄弱。

同时，还应加
强对风、冰荷载组合和与断线状态组合的计算。

4.3设计计算软件
目前工业上使用的设计计算软件比较落后，很少有新的研究成果和成功的经验，而且在设计方法上也有明显的缺陷，比如风振动力载荷的计算。

在设计时，
根据杆塔的主要结构参数，粗略地确定其风振系数，采用反复的静力分析，对其
进行材料选择，但其动态性能未作往复检验。

在今后的输电线路设计、运行、维
护中，“数字电网”是不可避免的发展趋势。

为了研究、摸清线路机械力学在不
同的天气、地理环境中的动态特性，研究和开发电力线路综合设计的软件平台是
十分必要的。

结束语
在确保塔杆安全、可靠的基础上，如何减少塔体重量、减少工程成本，已经
成为铁塔结构设计中的一个重要难题。

针对上述问题，应从荷载取值、结构型式、断面形式、节点构造、杆塔材料等几个方面进行优化。

随着时代的发展，人们对
传统的杆塔的设计思路和思路提出了新的挑战，这就需要在结构设计上寻求新的
突破。

这就需要我们继续加大对铁塔的研究力度，为输电线路的安全、稳定运行
提供强有力的支持。

参考文献
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