国内外架空输电线路设计规范安全度设置水平的比较.pdf

第 卷 增刊 年 月 武汉大学学报 工学版 作者简介 侯建国 男 教授 博士生导师 主要从事结构可靠性基本理论与应用研究 文章编号 国内外架空输电线路设计规范 安全度设置水平的比较 侯建国 徐彬 董黛 肖龙 武汉大学土木建筑工程学院 湖北 武汉 摘要 为了借鉴国外架空输电线路设计规范的先进经验 便于国内工程技术人员熟悉和使用国外规范 根据已 收集到的相关文献资料 对国内外架空输电线路设计规范的基本设计原则和冰 风荷载的取值标准及其荷载组 合规定与安全度设置水平等进行了较为深入和系统的比较研究 获得了我国现行规范与国外规范 等规范 安全度设置水平差异的定量数据 可供国内同行 借鉴和参考 关键词 架空输电线路 覆冰荷载 风荷载 重现期 安全度水平 中图分类号 文献标志码 在建筑市场激烈竞争日益国际化的今天 国内 电力设计院和电力建设公司的涉外工程越来越多 但由于相关技术人员对国外的相关设计标准不是 太熟悉 因而对参与国际化的市场竞争带来一些不 利的影响 在架空输电线路设计领域 国内已有很 多学者利用结构可靠度理论 对架空输电线路结构 的可靠度和相应的安全度设置水平作了大量的研 究工作 但从分项系数设计表达式的相当安全 系数的角度 对国外架空输电线路设计规范的基本 设计原则和冰 风荷载的取值标准及其荷载组合规 定与安全度设置水平等进行系统研究的还较少 本文选取了几本国内外具有代表性的架空输 电线路设计规范 从分项系数设计表达式的相当安 全系数的角度 对国内外架空输电线路设计规范的 基本设计原则和冰 风荷载的取值标准及其荷载组 合规定与安全度设置水平等进行了较为深入和系 统的比较研究 获得了我国现行规范与国外相关规 范安全度设置水平差异的定量数据 可供国内同行 增刊 侯建国 等 国内外架空输电线路设计规范安全度设置水平的比较 借鉴和参考 参与分析比较的国内外相关规范主要 有 中国规范 架 空输电线路设计规范 和 重覆 冰架空输电线路设计技术规程 及 架空送电线路杆塔结构设计技术规定 等 美国规范 输电线路结构荷载 导 则 和 输电线路角钢塔结构设计 等 国际电工协 会标准 架空输电线路设计标准 欧洲规范 等 国内外规范设计方法的比较 国内外架空输电线路设计规范简介 中国的架空输电线路设计规范体系 中国架空输电线路设计的标准体系分为国家 标准 行业标准和企业标准等 中国架空输电线路设计的国家标准主要有 以及 及以 下架空电力线路设计规范 等 中国架空输电线路设计的行业标准主要有 架空送电线路杆塔结构设计技 术规定 架空送电线路钢管 杆设计技术规定 架空送电 线路基础设计技术规定 重 覆冰架空输电线路设计技术规程 架 空 线 路 杆 塔 结 构 荷 载 试 验 紧凑型架空送电线路 设计技术规定 等 中国架空输电线路的企业标准主要有国家电 网公司的 交流架空 输电线路设计 暂行 技 术规定 架 空 输 电 线 路 设 计 技 术 规 定 以下架空电力线 路设计 技 术 规 定 直流架空输电线路设计技术规定 中 重 冰 区 架 空 输 电 线 路 设 计 技 术 规 定 以及中国南方电网公司的 中重冰区架空输电线路设计技术规定 架空输电线路 设计技术规定 暂行 等 国际电工委员会 的架空输电线路设 计规范体系 国际 电 工 委 员 会 第 技 术 委 员 会 从 世纪 年代开始对架空输电线路设 计标准进行了国际间的广泛研讨 于 年颁布 了 架空输电线路荷载和强度 年在总结实践经验的基础上 进一 步修订并颁布了 输电线路结构 设计规范 为英语和法语双语 版 旨在作为国际电工界基础性的设计标准 可以 直接采用 也可以供各国修订本国相应标准时参 考 的目标是为各国架空输电线路设计 标准的制定采用可靠度理论和概率或半概率方法 提供一个大体的框架 美国的架空输电线路设计规范体系 美国电网以私营为主 形成各自为政的局面 因此电压等级较多 从 到 就有 个电压等级 但美国的架空输电线路设计标准体系 较为完善 协调性好 国际化程度高 主要由以下 部分组成 国家法规和安全规定执行美国国家电力规 定 和美国国家电力安全规范 电气部分以 标准为主 在 标准 不适用时采用相应的英国标准或美国国家标准 结构设计以美国土木工程协会 标准 等为 主 还可参考美国钢结构协会 标准 及美国混凝土协会 标准 杆塔材料执行美国测试和材料协会 的系列标准 欧盟的架空输电线路设计规范体系 欧盟于 年成立欧洲电工标准化委员会 宗旨是协调各国的电工标 武汉大学学报 工学版 第 卷 准 以消除贸易中的技术壁垒 制定统一的 范 围外的欧洲电工标准 实行电工产品的合格认证制 度 由于协调各个国家的标准需要较长的时间 加 之建筑行业的钢结构设计规范于 年才开始试 行 因此 欧盟统一的架空输电线路设计规范一直 到 年 月才正式发行 即为现行欧盟规范 与美国各规范分类 较详 细的特点 不 同 内容涵盖较广 包括输电线路的荷载 规定以及结构设计和电力设计等各方面的内容 从 设计原则到细部结构设计应有尽有 包括英语 德语和法语 个版本 各个国家再 根据本国的实际情况依照 进行小 幅度的修订 形成本国的规范 并在名称前面加上 本国的简写 如芬兰规范为 英国规范为 而英国本国较早 的一个架空输电线路标准则为 格 构式塔和桅杆 国内外架空输电线路设计规范设计方法比较 设计原则及分项系数取值的比较 目前所收集到的国内外具有代表性的 套输 电线路设计规范中 在基本设计原则方面 均采用 了以概率理论为基础的极限状态设计法 用失效概 率或与之相对应的可靠指标度量结构构件的可靠 度 按分项系数设计表达式进行设计 和 分项 系数设计表达式均设置了 种分项系数 分别是荷 载分项系数 包括永久荷载分项系数 可变荷 载分项系数 和材料性能 或抗力 分项系数 或 我国规范 承载能力极限状 态的分项系数设计表达式 除设置了荷载分项系数 和材料性能分项系数 外 还按不同的结 构安全级别及荷载组合工况分别设置了结构重要 性系数 及可变荷载组合系数 国外规范冰 风荷载分项系数的取值与重现期 有关 我国规范 则没有考虑重现期 对荷载分项系数的影响 各国规范分项系数的取值 见表 由表 可以看出 单从荷载分项系数的取 值来看 我国规范规定的荷载分项系数取值 除个 别情况下与国外规范 和 基本持平外 绝大多数情况下 普遍 高于国外规范规定的荷载分项系数 表 国内外规范分项系数的取值 规范代号 常规法经验法 结构重要性 系数 级 级 级 未设置未设置未设置未设置 永久荷载分 项系数 不利 有利 不利 有利 风荷载分项 系数 年 年 年 年 年 年 年 年 年 年 年 覆冰荷载分 项系数 年 年 年 年 年 年 年 年 年 年 年 组合值系数 正常运行 断线 安装 不均匀覆冰 验算 未设置未设置 极值冰 伴随风 极值风 相应覆冰 未设置 材料或抗力 分项系数 与置信概率及 变异系数有关 结构安全级别及气象荷载重现期的比较 我国 规 范 和 按照电压等级 分为 和 和线路种类 分为一般线路 临时性线路 和其他线路 的不同 将输电线路划分为 个结构 安全级别 不同安全级别的安全度设置水平通过结 构重要性系数来反映 国外规范 和 等也将输电线路划分了不同 的安全级别或可靠性级别 与我国规范有所不同的 是 国外规范输电线路的安全级别与冰 风荷载的 增刊 侯建国 等 国内外架空输电线路设计规范安全度设置水平的比较 重现期有关 如表 所示 荷载组合及其设计工况的比较 目前所收集到的国内外具有代表性的 套输电 线路设计规范中 对杆塔设计工况均分类表述 我国 规范将设计工况分为正常工况 安装工况 断线工况 和不均匀覆冰工况及验算覆冰工况 在每一个设计 工况里考虑若干不同的荷载组合 和 主要考虑 种设计工况 气象荷载工况 类似 于我国规范的正常运行工况 施工和维修工况 类 似于我国规范的安装工况 与结构安全有关 防止 失效 的故障工况 防止事故荷载 如断线或不均匀 覆冰荷载 类似于我国规范的断线工况 比 则多了一个法定荷载工况 国内 外规范设计工况的大致对应关系见表 表 我国规范与国外规范冰 风荷载重现期及安全级别的比较 国别规范名重现期 安全级别 中国 线路 年 线路 年 重要线路 级 其他线路 级 临时线路 级 荷载规范 基本风压 年 年 年 国际 安全级别与重现期有关 年 级 年 级 年 级 美国 安全级别与重现期有关 年 级 年 级 年 级 年 级 年 级 欧盟 安全级别与重现期有关 年 级 年 级 年 级 表 国内外规范设计工况的大致对应关系 我国规范 常规法经验法 正常运行工况气象荷载工况气象荷载工况气象荷载工况正常运行工况 安装工况施工和维修工况施工和维修工况施工和维修工况施工和维修工况 断线工况 不均匀覆冰工况 故障工况故障工况故障工况故障工况 验算覆冰工况法定荷载工况 气象荷载标准值取值的比较 国外规范 和 都是以冰 风荷载的长期观测资料为基础 假定冰 风荷载服从某一概率分布类型 按其概率 分布的某一不利分位值用概率统计方法确定 我国 规范除风荷载具有较长期的观测资料 可按概率统 计方法确定外 冰荷载 设计覆冰厚度 由于缺乏长 期的覆冰观测数据 多按相邻已运行线路的运行资 料和经验来确定设计冰厚 缺乏长期观测数据的支 撑和数理模型的推算 见表 和表 为了定量比较国内外规范风荷载标准值和覆 冰荷载标准值的差异 假定 年重现期下 高 度处 平均时距的基本风速为 根据各国 规范对导线风荷载和杆塔风荷载标准值的计算规 定的不同 假定各国规范规定的导线的直径 档 距 杆塔高度和风速方向等基本参数相同 以我 国规范 年重现期的基本风速为基准 分别对 国内外规范规定的不同高度 不同地形特征类别 下 导线风荷载和杆塔风荷载的标准值进行了大 量计算 由此求得国外规范 与 我 国 规 范 在 不同高度 不同地形特征类别下导线风荷载标准 值及杆塔风荷载标准值的比值 见表 对于覆冰 荷载 根据我国规范和国外规范规定的不同高度 处覆冰荷载的换算公式和换算系数 及按我国覆 冰统计资料计算的不同重现期的换算系数 以我 国规范规定的离地面 高 年重现期和导 线直径为 的覆冰厚度对应的覆冰荷载为 基准 近似求得各国规范与我国规范覆冰荷载标 准值的比值 见表 另外 由于国外规范与我国规范对于冰 风荷 载组合的情况下 对应的风速取值不一致 因此 对 于冰 风荷载组合时国外规范与我国规范风荷载标 准值的比值 与 不同 对于 的取值 本文采 用与求 类似的方法 计算结果见表 由于我国 规范覆冰时风速的折减系数与冰区有关 故本文求 得的 的取值与冰区有关 值得指出的是 在计算国内外规范的安全度设 置水平时 为简化计算 统一取导线风荷载效应和 杆塔风荷载效应两者的加权平均值作为国外规范 武汉大学学报 工学版 第 卷 与我国规范风荷载标准值的比值 所加的权重分别为 和 表 国内外输电线路规范风荷载的比较 规范代号 基本 风速 基准高度 平均时距 统计重现期 年 地面粗糙类别 类 类 类 与我国 类对应 类 与我国 类对应 风速样本年最大风速年最大风速阵风风速平均风速或阵风风速 风速概率分布模型耿贝尔极值 型耿贝尔极值 型耿贝尔极值 型耿贝尔极值 型 地形和高度影响 风压高度变化 系数 风速高度变化 系数 风载体 型系数 导线 杆塔与实积比有关与实积比有关与实积比有关与实积比有关 动力特性风荷载调整系数综合风载系数阵风响应系数阵风响应系数 风荷载标准值比值 注 括号内为 的情况 括号外为 的情况 表 国内外输电线路规范覆冰荷载的比较 规范代号 标准 覆冰 荷载 基准高度 重现期 及以下 观测导线直径 未规定 未规定 观测导线跨度 未规定 未规定未规定 覆冰荷载的确定 根据相邻已运行线路 的资料和经验确定 根据统计资料确定 提供了美国 年的 覆冰厚度分布图 采用概率统计 模型来确定 设计覆 冰荷载 覆冰厚度修正 按重现期 地形 高程 线径修正 按重现期 直径 高度修正 按重现期 地形 高度修正 按重现期 高度 直径 档距修正 冰 风组合时 的风速取值 冰 风荷载组 合时风荷载标 准值比值 轻冰区 中冰区 重冰区 覆冰时的气温 覆冰荷载标准值比值 注 表示 年一遇的基本风速 表示年平均最大风速 表示计算适当风载时所采用的风速 表示计算较大风载时所采用的 风速 国内外架空输电线路结构安全度 设置水平的比较 研究结构设计规范的安全度设置水平 科学合 理的做法应从结构的失效概率或可靠指标或相当 安全系数的角度进行分析 相当安全系数是基于分 项系数设计表达式求得的安全系数 为便于直观地 比较国内外规范安全度设置水平的差异 本文从相 当安全系数的角度来进行比较 相当安全系数的计算公式 由分项系数设计表达式及各分项系数的取值 经过简单的数学推演 可以方便地写出与分项系数 设 计 表 达 式 相 对 应 的 相 当 安 全 系 数 的 计 算 公 式 当仅考虑永久荷载与一种可变荷载 如风 荷载 的简单组合时 相当安全系数的计算公式为 增刊 侯建国 等 国内外架空输电线路设计规范安全度设置水平的比较 或 当考虑永久荷载和两种可变荷载 如风荷载和 覆冰荷载 参与组合时 式 应改用下式计算 式中 为永久荷载效应标准值 为风荷载效 应标准值 为结构构件的抗力标准值 为作用标 准值 为相当作用系数 为相当抗力系数 为风荷载效应标准值与永久荷载效应标准值的比 值 为导 地 线风荷载效应与风荷载总效应的比 值 为我国现行规范不同重现期基本风压的换 算系数 为我国现行规范不同重现期覆冰荷载的 换算系数 为覆冰荷载的效应标准值 为国外 规范与我国规范覆冰荷载标准值的比值 为覆冰 荷载参与组合时 风荷载效应与永久荷载效应的比 值 为覆冰荷载效应与永久荷载效应的比值 为反映中外规范抗力计算模式差异的系数 假定我国规范 的相当安全系 数为 其余国外规范的相当安全系数为 则 国外规范与我国规范相当安全系数的差值可按下 列公式计算 相当安全系数的计算条件 为简化计算 同时也为了反映结构的实际安全 度水平 本文取正常运行工况下的两种荷载组合进 行计算 工况一 基本风速 无冰 未断线 工况二 设计覆冰 相应风速及气温 未断线 荷载效应比值 工况一下的荷载效应比值 对于输电线路 杆塔结构 大量的计算结果表明 工况一时 风荷载 效应与永久荷载效应的比值 在 之间 变化 为简化计算 组合工况一 本文取 据工程设计经验 导线 地 线风荷载效应与风荷载总效应的比值 一般在 之间 为简化计算 本文在相当安全 系数的计算中 取 和 根据 杆塔结构设计中的常遇风速 取 工况二下的荷载效应比值 在考虑工况二 时 限于目前尚缺乏覆冰荷载与永久荷载的效应比 值 以及这种组合工况下的风荷载与永久荷载 的效应比值 本文选取了一座有代表性的 输电杆塔结构 采用大型有限元分析软件 对杆塔结构设计中的覆冰荷载效应与永久荷 载效应 以及风荷载效应与永久荷载效应的比 值 进 行了 大 量 计 算 求 得 在 之间 风荷载效应与永久荷载效应的比值 在 之间 在 和 的计算数值 中 负值表示冰 风荷载产生的效应值与永久荷载 产生的效应值符号相反 结构设计或结构安全度计 算时 应考虑最不利荷载效应的组合 对某一截面 而言 当两种荷载产生的效应值符号相反时 效应 值叠加时相减 对结构受力不属于最不利的情况 故在输电线路杆塔结构构件的安全度计算中 仅取 和 为正值的情况计算 根据 和 的计 算结果 为简化计算 对于工况二 本文分别取 进行计算 导线 地线风荷载效应与风荷 载总效应的比值 仍按最大风荷载参与组合时的 情况考虑 即取 和 共 种 和 的取值 为便于比较不同重现期下基本风压的差别 本 文以 重现期的基本风压和覆冰荷载为基准 求得不同重现期基本风压与 重现期基本风压 的换算系数 以及不同重现期覆冰厚度与 重现期覆冰厚度的比值 结果见表 表 冰 风荷载不同重现期之间的转换 重现期 的取值 计算相当安全系数时 所选择的几种典型基本 构件及其受力情况是 轴心受拉构件 轴心受压构 件和受弯构件 为了保证规范的可比性 计算中假 定国内外规范材料的强度等级相同以及构件的截 面尺寸相同等 下面以轴心受拉构件来说明 的 计算方法 我国规范规定的计算公式为 则 美国规范轴心受拉净截面屈服计算公式 则 武汉大学学报 工学版 第 卷 欧盟规范轴心受拉毛截面屈服计算公式 则 计算中取 其他构件依此类推 结果见表 有关公式的 推导主要参考文献 对于表 中轴心受压稳定 和受弯稳定 美国规范没有明确给出稳定系数 和 但经过一定的推导和转换 可以得出 和 的相当值 表 抗力计算模式系数 的计算结果 构件类型 美国规范欧盟规范 轴心受拉 轴心受压 受弯 相当安全系数的计算结果与分析 不考虑抗力计算模式时的相当安全系数 由于 标准未给出杆塔结构基本构件的相 关计算规定 考虑到各种基本构件的抗力计算公式 虽然是不同的 但由杆塔结构各种基本构件相当安 全系数的推导过程可知 在一定简化的基础上 考 虑不同荷载参与组合时 各种基本构件相当安全系 数的计算公式是完全相同的 因此 为了使各国规 范比较的起点一致 本节在计算基本构件不同工况 下的相当安全系数时 不区分不同类型的结构构 件 即取 工况一的相当安全系数 为使得国内外规范相当安全系数相互比较的 起点相同 以我国规范规定的 重现期为基准 分别将各国规范各个重现期的相当安全系数与之 比较 计算结果见表 表 不考虑抗力计算模式时国内外输电线规范工况一的相当安全系数比较 规范代号重现期 结构安全级别 级 级 级 风载调整系数 由表 可以看出 对于 级结构 重现期 时 我 国规范的相当安全系数与 标准的大致持平 比美国规范的高 略低于欧盟规范常规法的相当安 全系数 时 我国规范的相当安全系数与 大部分国外规范 重现期的相当安全系数较为 增刊 侯建国 等 国内外架空输电线路设计规范安全度设置水平的比较 接近 比美国规范的高 低于欧盟规范经验法 重现期的相当安全系数 但与国外规范其他重现期 时的相当安全系数相比 时 我国规范 重现期的相当安全系数与美国规范 重现期的 相当安全系数大致持平 时 我国规范 重现期的相当安全系数与 标准 重现期以 及美国规范 重现期的相当安全系数大致持平 其他情况下 我国规范 重现期的相当安全系数 除大于美国 重现期的相当安全系数以外 普遍 小于其他规范其他重现期下的相当安全系数 对于 级结构 重现期 时 我国规范的相当安全系数除高于美国规范的相当 安全系数外 均低于国外规范的相当安全系数 与 国外规范其他重现期时的相当安全系数相比 时 我国规范 重现期的相当安全系数除 与美国规范 重现期的相当安全系数大致持 平外 普遍低于国外规范其他重现期的相当安全系 数 时 我国规范 重现期的相当安全 系数除与美国规范 重现期的相当安全系数 大致持平以及大于美国规范 重现期下的相 当安全系数以外 普遍低于国外规范其他重现期的 相当安全系数 工况二的相当安全系数 由于在冰 风荷载组合时风速会折减 而各国 规范对风速折减的比例不同 导致工况二中采用的 与 不同 并与冰区有关 因此 本文在计算国 内外规范工况二的相当安全系数时 按不同冰区分 别进行计算 计算结果见表 表 不考虑抗力计算模式时国内外输电线规范工况二的相当安全系数比较 规范代号 重现 期 冰区轻冰区中冰区重冰区 安全级别 级 级 级 级 级 级 级 级 级 由表 的计算结果可以看出 对于轻冰区 级结构 我国规范 重现 期的相当安全系数与美国规范 重现期及欧盟 重现期的相当安全系数较为接近 略大于欧 盟规范其他重现期的相当安全系数 普遍小于美国 规范其他重现期和 标准的相当安全系数 对 于 级结构 我国规范 重现期的相当安全系 数除与欧盟规范 重现期的相当安全系数较 为接近 略大于欧盟规范 重现期的相当安全 系数以外 普遍小于国外规范的相当安全系数 对 于 级结构 我国规范 重现期的相当安全系 数远小于国外规范的相当安全系数 对于中冰区 级结构 我国规范 重现 期的相当安全系数除与 标准 重现期的 相当安全系数较为接近外 普遍大于国外规范的相 当安全系数 对于 级结构 我国规范 重现期 武汉大学学报 工学版 第 卷 的相当安全系数与美国规范 和 标准 的重现期较为接近 略小于 标准 重现 期的相当安全系数 普遍大于国外规范其他重现期 的相当安全系数 对于 级结构 我国规范 重 现期的相当安全系数与美国规范 重现期和 标准 重现期的相当安全系数较为接近 普遍大于国外规范其他重现期的相当安全系数 对于重冰区 我国规范 重现期的相当 安全系数远大于国外规范的相当安全系数 考虑抗力计算模式时的相当安全系数 根据相当安全系数的计算公式及计算条件 在 考虑抗力计算模式时的相当安全系数计算结果如 表 所示 另外 本文在考虑抗力计算模式时 只 计算工况一的相当安全系数 对于工况二 可参照 工况一时考虑计算模式与不考虑计算模式的相当 安全系数变化规律 结合上节计算结果 得出相应 的结论 受篇幅所限 本文只列出 重现期的情 况 表 重现期下国内外规范构件相当安全系数比较 安全级别 轴心受拉轴心受压稳定受弯 中国美国欧盟美国欧盟美国欧盟 级 级 级 由本文计算结果和表 可以看出 我国规范轴心受拉构件 重现期的相当 安全系数除个别情况与国外规范的轴心受拉构件 的相当安全系数持平外 普遍远大于国外规范的相 当安全系数 这主要是由于我国规范考虑了构件强 度折减系数 的原因 对于轴心受压构件 级构件 我国规范在 时 重现期的相当安全系数与美国规 范 重现期以及欧盟 重现期的相当安全 系数较为接近 相差 左右 其他情况下我国规 范的相当安全系数均高于国外规范的相当安全系 数 对于 级构件 我国规范在 时 重 现期的相当安全系数与美国规范 重现期的 相当安全系数较为接近 相差 左右 高于美国 规范 和 重现期的相当安全系数 低于美 国规范 重现期和欧盟规范的相当安全系数 在 时 我国规范 重现期的相当安全 系数与美国规范 重现期和欧盟规范 重 现期的相当安全系数较为接近 相差 左右 对于受弯构件 在大部分情况下 我国规范 重现期的相当安全系数小于国外规范的相当 安全系数 特别是与欧盟规范相比 则偏小更多 这 主要是因为我国规范在考虑角钢受弯时 受弯折减 系数 取为 而国外规范则均低于 导致相当 安全系数大于我国规范的相当安全系数 主要结论 通过对国内外架空输电线路规范的安全度设 置水平的对比分析 可以得出如下结论 我国规范的输电线路级别与电压等级和线 路种类有关 而国外规范输电线路的安全级别与 冰 风荷载的重现期有关 因此 在进行输电线路安 全度设置水平的比较时 应区分不同的重现期 在不考虑计算模式的差异时 对于工况一 的 级构件 我国现行规范 重现期的相当 安全系数与 规范 重现期 欧洲规范 重现期的相当安全系数较为接近 与美国规范相 比 则分别相当于美国规范 和 重现期 的相当安全系数 对于工况二