杆塔荷载及荷载组合专题报告

800kV 800kV 特高压直流输电线路工程特高压直流输电线路工程 杆塔荷载及荷载组合专题技术报告杆塔荷载及荷载组合专题技术报告 电力设计院电力设计院 目目 录录 1 概述 1 2 800KV 杆塔结构目标可靠度 1 2 1 500KV 线路的杆塔结构可靠度 2 2 1000KV 线路可靠度目标取值 2 3 800KV 线路设计基准期 2 4 800KV 线路杆塔安全等级 2 5 800KV 线路杆塔结构构件可靠度目标 3 杆塔荷载分类 2 4 风荷载标准值 3 4 1 角度风 4 2 导地线风荷载标准值 4 3 杆塔风荷载标准值 5 杆塔设计方法 4 6 荷载取值 5 6 1 杆塔结构重要性系数 6 2 风荷载重现期 6 3 设计基准风速 6 4 风荷载调整系数 6 4 1 导地线风荷载调整系数 6 4 2 杆塔风荷载调整系数 6 5 断线荷载 6 6 安装荷载 6 6 1 附加荷载 6 6 2 耐张塔安装中临时拉线的平衡张力 0 6 6 3 直线塔安装动力系数 0 7 荷载工况及荷载组合 14 7 1 DL5092 规定的荷载工况及荷载组合 7 2 ASCE 荷载工况及荷载组合 7 3 IEC 荷载工况及荷载组合 7 4 本工程荷载工况及荷载组合 7 4 1 正常运行情况 7 4 2 安装情况 7 4 3 事故情况 7 4 4 验算情况 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 1 1 1 概述概述 800 千伏特高压直流输电能力强 输电效益高 可适应 国家电网的远期发展 解决西电东 送长距离 大容量的输电需要 并可节约宝贵的输电资源走廊 提高走廊利用率 符合国家可持 续发展战略的要求 我国已运行的直流线路最高电压等级为 500kV 总长已达6000 多公里 对 500kV 直流线 路的杆塔设计 荷载组合已有较为丰富的工程设计经验 而 800kV 级特高压直流输电线路是迄今 为止世界上最高电压等级的直流输电线路 全世界都未有过 这是一个全新的领域 缺乏相关的 设计规范 有必要对杆塔荷载及组合方案进行研究 据估计 800kV 直流线路杆塔及基础的投资约占总投资的45 其中杆塔投资约占30 基础投资占15 由此可知 杆塔和基础设计直接决定了线路的投资 而影响杆塔和基础指标 的主要因素在于荷载的大小 本专题利用了我院即将投标的 800kV 直流线路的前期可研成果 并借鉴了南方电网公司的 相关研究报告 为了便于设计 主要思路是依据现行的电力行业标准 110 500kV 架空送电线路 设计技术规程 DL T5092 1999 和 110 500kV 架空送电线路杆塔结构设计技术规定 DL T5154 2002 对照现行国家标准 建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068 2001 和 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 并与国外的主要标准ASCE 和 IEC 进行对比分析 结合 本工程的实际情况 选取 800kV 杆塔结构目标可靠度 并 对杆塔荷载的取值及组合方案进行确定 2 2 800kV 800kV 杆塔结构目标可靠度杆塔结构目标可靠度 结构可靠度就是结构在规定的时间内 在规定的条件下 完成预定功能的概率 杆塔结构重 要性系数 风荷载重现期 设计基准风速取值对杆塔结构目标可靠度指标有重要影响 确定杆塔 结构构件目标可靠度应综合考虑杆塔结构重要性系数 风荷载重现期 设计基准风速取值 结构设计的目标可靠度的大小对结构的设计结果影响较大 如果目标可靠度定的高 则结构 会设计得很强 使结构造价加大 而如果目标可靠度定得低 则结构会设计得很弱 使人产生不 安全感 因此 结构设计目标可靠度的确定应以达到结构可靠与经济上的最佳平衡为原则 在确定 800kV 线路杆塔结构构件可靠度指标 需参考和利用同类结构 500kV 线路杆塔的可 靠度计算的一些结论及1000kV 交流线路可靠度目标取值 2 1 500kV 线路的杆塔结构可靠度 通过结构构件功能函数和基本随机变量的统计参数 用 JC 法计算了500kV 线路杆塔结构构件 的可靠度 可知杆塔结构破坏类型为延性破坏 基于最小设计风速 30m s 设计的我国现有500kV 线 路杆塔结构的可靠度指标已满足 建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068 2001 二级建筑物延性 破坏可靠度指标的要求 即杆塔结构构件承载能力极限状态的可靠指标 3 2 500kV 线路多年 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 2 来的运行实践表明其安全可靠度是可接受的 2 2 1000kV 线路可靠度目标取值 国内首条特高压1000kV 交流线路 晋东南 南阳 荆门1000kV 交流试验示范线路 设计基 准期为50 年 建筑结构安全等级为一级 杆塔结构重要性系数为 1 1 相应风荷载重现期为100 年 杆塔结构可靠度目标 3 7 2 3 800kV 线路设计基准期 按 建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068 2001 及 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 的规定 800kV 线路设计基准期为50 年 取值与1000kV 交流线路一致 2 4 800kV 线路杆塔安全等级 建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068 2001 规定建筑结构设计时 应根据结构破 坏可能产生的后果 危及人的生命 造成经济损失 产生社会影响等 的严重性 采用不同的安 全等级 建筑结构安全等级的划分应符合表1 0 8 的要求 表 8 1 建筑结构的安全等级 安全等级破坏后果建筑物类型 一级很严重重要的 二级严 重一般的 三级不严重次要的 800kV 线路规划用作跨区域联网的骨干网架 其输送容量为 500kV 线路的5 6 倍 若杆塔 失效 造成的经济损失 社会影响等都将很严重 由此 800kV 线路杆塔的安全等级应采用一级 较 500kV 线路 安全等级为二级 提高了一个安全等级 取值与 1000kV 交流线路一致 2 5 800kV 线路杆塔结构构件可靠度目标 800kV 直流线路相对于500kV 交流线路的输送容量提高了数倍 对整个电网的安全稳定运 行的影响也大幅提高 杆塔结构作为输电线路的直接支撑结构 其安全可靠性直接关系到整个线 路的安全性 杆塔结构可靠度指标至少比500kV 线路提高一个等级 即安全等级按一级考虑 杆 塔结构构件承载能力极限状态的可靠指标 3 70 3 3 杆塔荷载分类杆塔荷载分类 建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068 2001 指出 结构上的作用 荷载 可 按随时 间或空间的变异分类 还可以 按结构的反应性质分类 其中最基本的是按随时间的变异分类 按照 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 的规定 结构上的荷载分为三类 永久荷载 可变荷载 偶然荷载 110 500kV 架空送电线路设计技术规程 DL T5092 1999 将杆塔结构荷载分为以 下两类 1 永久荷载 导线及地线 绝缘子及其附件和结构构件及杆塔上各种固定设备等的自重 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 3 荷载 2 可变荷载 风和冰 雪 荷载 导线 地线及拉线的张力 安装检修的各种附加荷载 结 构变形引起的次生荷载以及各种振动动力荷载 110 500kV 架空送电线路设计技术规程 DL T5092 1999 比 建筑结构荷载规范 少 了偶然荷载 110 500kV 架空送电线路设计技术规程 在条文说明中指出 结合输电结构的特点 为简化不列偶然荷载 将属这类性质的断线张力及安装荷载列入了可变荷载 4 4 风荷载标准值风荷载标准值 4 1 角度风 直线型杆塔应计算最大设计风向与线路方向成0 45 60 及90 的四种最大风速的 风向 对一般耐张型杆塔可只计算90 一个风向 对终端杆塔 除计算90 风向外 还需计算 0 风向 对直线转角塔和耐张转角塔转角度数较小时 还应考虑与导 地线张力的横向合力相 反的风向 风向与导 地线方向或塔面成夹角时 导线 地线风载在垂直和顺线条方向的分量 塔身和 横担风载在塔面两垂直方向的分量 按表4 1 选用 表 4 1 角度风吹时风荷载分配表 风向角 线条风荷载塔身风荷载 水平横担 风荷载 XYXYXY 00 0 25W x 0Wab0Wsc 450 5Wx 0 15W x K 0 424 Wsa Wsb K 0 424 Wsa Wsb 0 4Ws c 0 7Ws c 60 0 75W x 0K 0 747Wsa 0 249Wsb K 0 431Wsa 0 144Wsb 0 4Ws c 0 7Ws c 90Wx0Wsa0 0 4Ws c 0 4 2 导地线风荷载标准值 导地线风荷载标准值按下式计算 x W 4 1 2 0 sin pCSCZ LdWaWx 4 21600 2 0 VW 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 4 式中 风压不均匀系数 a 导地线风荷载调整系数 c 风压高度变化系数 按 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 的规定确定 Z 导地线的体型系数 线径小于17mm 或覆冰时 不论线径大小 取1 20 线径大 SZ 于或等于17mm 时取1 10 导线或地线的外径或覆冰时的计算外径 分裂导线取所有子导线外径的总和 d mm 杆塔的水平档距 m P L 风向与导线或地线之间的夹角 度 导地线平均高度的风速 m s V 4 3 杆塔风荷载标准值 杆塔风荷载标准值按下式计算 s W 4 3 SZSZs AWW 01 4 41600 2 01 VW 式中 分别为构件的承受风压面积计算值和体型系数 按 建筑结构荷载规范 s A s GB50009 2001 的规定确定 杆塔风荷载调整系数 Z 基准高度的风速 m s V 5 5 杆塔设计方法杆塔设计方法 我国现行杆塔设计技术规定DL T 5154 2002 规定 杆塔结构设计采用以概率理论为基础的 极限状态设计方法 对于杆塔设计方法及设计表达式DL T 5154 2002 规定与我国现行国家标准 建筑结构可靠度 设计统一标准 和 建筑结构荷载规范 也是一致的 根据相关研究我国规程规定和ASCE IEC 是一致的 唯一的区别在于系数取值不同 因此 本工程杆塔设计方法和设计表达式仍采用我国现行规定 DL T 5154 2002 的规定 结构的极限状态是指结构或构件在规定的各种荷载组合作用下或在各种变形或裂缝的限值条 件下 满足线路安全运行的临界状态 结构的极限状态分为承载力极限状态和正常使用极限状态 结构或构件的强度 稳定和连接强度 应按承载力极限状态的要求 采用荷载的设计值和材料强 度的设计值进行计算 结构或构件的变形或裂缝 应按正常使用极限状态的要求 采用荷载的标 准值和正常使用规定限值进行计算 1 承载力极限状态 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 5 结构或构件的强度 稳定和连接强度 应按承载力极限状态的要求 按荷载效应的基本组合 进行荷载组合 并应采用下列设计表达式进行设计 5 1RS 0 式中 0 结构重要性系数 S 荷载效应组合的设计值 R 结构构件抗力的设计值 对于基本组合 荷载效应组合的设计值S 按下列设计表达式进行设计 5 2 iKQiQiKGG QCGCS G 永久荷载分项系数 对结构受力有利时 取1 0 不利时取1 2 Qi 第 i 项可变荷载的分项系数 应取1 4 GK 永久荷载标准值 Qik 第 i 项可变荷载标准值 可变荷载组合系数 正常运行工况取1 0 断线工况和安装工况取0 9 验算工 况取0 75 2 正常使用极限状态 结构或构件的变形或裂缝 应按正常使用极限状态的要求 采用荷载的标准组合 5 3 iKQiKG QCGC 结构或构件的裂缝宽度或变形的规定限制值 mm 6 6 荷载取值荷载取值 6 1 杆塔结构重要性系数 建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068 2001 规定结构重要性系数 o 应按结构构件的 安全等级 设计使用年限并考虑工程经验确定 对安全等级为一级或设计使用年限为 100 年及以 上的结构构件 不应小于1 1 1000kV 交流特高压试验示范工程对日咨询可知 日本特高压线路杆塔结构设计时构件强度留 10 的裕度 相当于重要性系数取1 1 我国交流特高压试验示范工程 晋东南 南阳 荆门1000kV 输电线路工程 杆塔结构重要性 系数 0 取 1 1 南方电网公司云南至广东 800kV 特高压直流输电工程 楚雄 穗东 800kV 特高压直流输电 线路工程杆塔结构重要性系数 0 取 1 1 提高结构重要性系数取值 无疑对降低倒塔事故 提高杆塔的安全可靠度是有利的 但会增 加塔重和基础工程量 对控制工程造价是不利的 国内已建线路倒塔事故主要发生在运行情况下 的风及覆冰超过设计值 而对于安装 事故断线等情况发生倒塔事故的概率极小 因此 对于本 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 6 工程杆塔结构重要性系数综合考虑风荷载重现期 设计基准风速取值后除安装工况外取 0 1 1 6 2 风荷载重现期 我国输电线路风荷载重现期取值如表6 1 所示 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 中风荷载基本值的重现期为50 年 对于高层建筑 高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构 基本风压应适当提高 本工程为 800kV 直流线路 其可靠性水平不应低于500kV 线路 至少与750kV 线路相当 则其风荷载重现期不应低于50 年一遇 风荷载重现期取值对杆塔结构构件可靠度指标有重要影响 当重现期由 30 年提高到50 年后 杆塔结构构件可靠度提高了0 33 约0 66 个等级 提高到100 年后 杆塔结构构件可靠度提高 了 0 77 约1 5 个等级 表 6 1 我国输电线路风荷载重现期取值 线路类别 重现期 年 基准高度 m 备 注 1000kV 线路10010 750kV 线路5020750kV 架空送电线路设计暂行技术规定 500kV 大跨越50 距历年大风季节平均最 低水位以上 10m 110kV 330kV 大跨越 30 距历年大风季节平均最 低水位以上 10m 500kV 线路3020 110kV 750kV 架空送电线路设计技术导则 重现期取 50 年 基准高度取 10m 110kV 330kV 线 路 1515 110kV 750kV 架空送电线路设计技术导则 重现期取 30 年 基准高度取 10m 本工程杆塔结构构件目标可靠度 应不小于3 70 结合杆塔结构重要性取值分析可知 当 杆塔结构重要性系数 0 取 1 1 风荷载重现期取100 年 本工程杆塔结构构件承载能力极限可靠 指标 3 70 已满足 建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068 2001 一级安全建筑物可靠度 要求 综上所述 综合杆塔结构重要性和设计基准风速取值 本工程风荷载重现期取100 年一遇 6 3 设计基准风速 6 3 1 风速基准高度 前苏联和日本输电线路风速基准高度为15m ASCE 和 IEC 规定输电线路风速基准高度取10m 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 7 110 500kV 架空送电线路设计技术规程 DL T5092 1999 对确定最大设计风速时作如下 规定 应按当地气象台 站10min 时距平均的年最大风速做样本 并宜采用极值 型分布作为概率 模型 统计风速高度为 各级电压大跨越离历年大风季节平均最低水位 10m 110 330kV 送电线路 离地面15m 500kV 送电线路是离地面20m 而 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 中基本风压 对地高度为10m 两者对风速基准高度取值不一致 相差10m 设计工作中往往要将气象台 站 10m 高的的风速换算到20m 高 或把 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 所查的基本风压值换 算成10m 高的风速 再转换到20m 高的风速 增加了许多计算工作 另外 按照 架空送电线路杆 塔结构设计技术规定 DL T5154 2002 要求 对杆塔全高超过60m 时 应按 建筑结构荷载规 范 GB50009 2001 计算杆塔风荷载调整系数 计算杆塔风荷载调整系数的有关参数对应的基准 高度为10m 不能直接使用 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 计算杆塔风荷载调整系数的有 关参数 因此 本工程风速基准高度应与 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 一致 即取10m 高作 为基准高度 GB50009 2001 将地面粗糙度类别分为四类 与现实情况相符 并与国际多数标准一致 A 类指近海海面和海岛 海岸 湖岸及沙漠地区 B 类指田野 乡村 丛林 丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区 C 类指有密集建筑群的城市市区 D 类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区 结合本工程地形 地貌特征和沿线输电线路设计运行经验 本工程地面粗糙度类别按B 类考 虑 6 3 2 基准风速 110 500kV 架空送电线路设计技术规程 DL T5092 1999 规定 110 330kV 线路的最 大设计风速 不应低于25m s 对地距离15m 500kV 送电线路计算导 地线的张力 荷载以及杆 塔荷载时 最大设计风速不应低于30m s 对地距离为20m 将此风速按地面粗糙度类别B 类换算 到 10m 高时 110 330kV 线路 V 23 43m s 500kV 线路 V 26 85m s 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 对最小基本风压值也作了规定 不小于0 3kN m2 即 风速不小于21 9m s 对地距离为10m 对于高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构 基本 风压应适当提高 前苏联风荷载分为七个风压区 330 和 500kV 送电线路所经地区采用离地面15m 高的风速值 对 750 和 1150kV 线路采用与500kV 线路一样的风速值 但为了提高500kV 及以上线路的安全性 规定了最小风压为550N m2 相当于风速为30m s 日本最小风速为40m s 瞬时风 由于气象台站一般靠近城区 风速偏小 通常线路与气象台站还有一定距离 气象台站的记 录不可能完全覆盖全线的大风 正因为有设计 基准风速限值 我国已建的500kV 线路才没有频繁发 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 8 生倒塔失效事故 参照国外的特高压和我国 110 500kV 架空送电线路设计技术规程 本工程 也设基准风速 设计基准风速取值对杆塔结构构件可靠指标有重要影响 设计基准风速与线路所经沿线相应 重现期风速的相对关系 直接决定了该地区杆塔结构构件的可靠度指标 杆塔结构重要性系数 风 荷载重现期均对杆塔结构构件可靠度指标有重要影响 因此 当杆塔结构构件目标可靠度指标确 定后 设计基准风速取值应结合杆塔结构重要性系数 风荷载重现期取值而定 当杆塔结构重要性系数 0 取 1 1 风荷载重现期取100 年时 设计基准风速取值与500kV 线 路取值一致即V 27 0m s 离地10m 时 本工程杆塔结构构件承载能力极限状态可靠指标 3 70 较沿线500kV 线路杆塔结构构件可靠度指标至少提高了一个等级 已满足 建筑结构可 靠度设计统一标准 GB50068 2001 一级安全建筑物可靠度要求 综上所述 综合杆塔结构重要性系数 风荷载重现期取值 本工程设计基准风速取离地10m 高 27 0m s 6 4 风荷载调整系数 6 4 1 导地线风荷载调整系数 DL T5092 1999 规程较SDJ3 79 规程增加了线条风荷载调整系数 c 之后设计的杆塔结构 构件可靠度有所提高 倒塔失效事故大为降低 对于本工程而言 要保证其杆塔结构构件可靠度 达到目标值 c 至少取1 2 为与DL T5092 1999 规程相匹配 本工程导地线风荷载调整系数 取 30 V 35 c 取 1 20 V 35 c 取 1 30 V 为导地线平均高度对应风速 6 4 2 杆塔风荷载调整系数 1 结构自振周期 按 架空送电线路杆塔结构设计技术规定 DL T5154 2002 的要求 对杆塔全高超过60m 时 应按 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 计算杆塔风荷载调整系数 要计算杆塔风荷载调 整系数 首先得确定结构的第一自振周期 杆塔荷载及荷载组合研究 专题对比分析了 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 提供的 塔式结构第一自振周期的估算公式和我国电力部门所做的输电线路杆塔实测研究得到的输电线路 杆塔结构自振周期近似计算公式后指出 对于干字型塔可采用以下公式近似计算杆塔结构的第一 自振周期 塔高50 70m T1 0 039 Bb H 6 1 塔高70 80m T1 0 038 Bb H 6 2 塔高80 100m T1 0 036 Bb H 6 3 本工程为直流输电线路 杆塔型式均采用干字性 可采用上述公式近似近似杆塔结构的第一 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 9 自振周期 也可采用下述方法精确计算杆塔结构的第一自振周期 n i iih n i i h i h mym y y yT 1 2 1 2 1 2 2 6 4 式中 1 T 杆塔的基本自振周期 s h y 在单位力1N 作用下塔顶 1 m质点处的位移 m N i y 在单位力1N 作用下塔上 i m质点处的位移 m N ni mmm 1 每个节点处的杆塔自重质量及附加于该节点上的质量之和 g w m i i g 重力加速度 取 9 8m s2 质点位移 i y及节点质量 i m求解 可直接利用杆塔计算数据 无需重新建模 只需对杆塔塔 顶作用单位力即可 利用计算结果文件 dis 及 lod 分别摘取对应节点处的质点位移和节点质量 Z 方向的节点力 代入6 4 式即可求得杆塔的基本自振周期 1 T 2 调整系数 杆塔风荷载调整系数 风振系数 的大小与结构本身 杆塔的类型 高度 坡度 和自然条件 风 速 地面粗糙度 有关 其值的大小 不仅影响铁塔的安全可靠度 也影响到塔材指标 对比分析了按 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 高耸结构设计规范 GBJ135 90 和随机振动理论方法计算所得的杆塔风荷载调整系数 得出 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 和 高耸结构设计规范 GBJ135 90 计算方法只适用于外形和重量沿高度无变化的等截面 结构 不适用于输电线路杆塔这种外形变化不规则及附有集中质量的特殊高耸结构 若按此方法 将铁塔简化为一锥体分段计算 忽略了横担 曲臂结构等质量 分布和迎风面积发生突变对风振的 影响 势必影响铁塔的安全和可靠度 输电线路杆塔的横担尺寸宽长并不是该段 z 值增大的主要原因 而是它的质量增大才是 z 值增大的主要原因 输电线路杆塔风荷载调整系数应按随机振动理论方法计算 且不应低于现 行 500kV 之取值 但随机振动理论计算过程繁琐 求解困难且易出错 对此 本工程可采用下述简化方法计算 1 111 zru z 6 5 式中 1 第 1 振型脉动增大系数 可根据由 GB50009 表 7 4 3 或下表6 4 查得 2 10T 1 u 第 1 振型影响系数 1 zr 位置系数 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 10 表 6 4 脉动增大系数脉动增大系数 1 2 10T w kN s2 m2 0 010 020 040 060 080 100 120 140 160 180 20 1 1 471 571 691 771 831 881 921 951 982 012 04 1 2 0T w kN s2 m2 0 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 42 1 2 072 092 112 132 152 172 192 202 222 242 25 2 10T w kN s2 m2 0 440 460 480 500 600 700 800 901 001 101 20 1 2 262 282 292 302 362 412 462 492 532 572 60 对于连续分布质量体系或团集质量体系 H H zxzsf dzzzm dzzzbzzz u 0 2 1 0 11 1 n i ii ixizisi n i fiz m Hb 1 2 1 1 1 6 6 式中 f 脉动高度变化系数系数 10 355 0 16 0 8 1 z f 为地面粗糙度指数 对 应于A B C D 四类地貌 分别取0 12 0 16 0 22 和 0 30 x b 迎风面宽度 H 分段段高 1 第 1 振型系数 4 4322 1 3 46 H zHzHz z 1Z 迎风面风压空间相关性折减系数 按表6 5 查用 表 6 5 迎风面风压空间相关性折减系数 1Z 塔 高 H m 102030405060708090100150200250300350400 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 11 1Z 0 980 970 950 930 920 900 890 870 860 850 790 740 700 670 640 61 注 1Z 只与杆塔的总高度有关 izisi ii xzs A m zbzz zmz zr 11 1 6 7 式中 zm 连续质量体系每m 的质量 i m i 点团集质量 i A i 点的有效迎风面积 xiii lHA 令 1 m m g i i 为团集点质量比例系数 即每段质量与第1 段质量的比值 1 b b b xi i 为段 宽比例系数 即每段形心宽度与第1 段形心宽度的比值 则 n i ii iiizi n i fiz g Hb u 1 2 1 1 1 1 1 6 8 izii ii Hb g zr 1 1 6 9 经初步计算分析 本工程杆塔风荷载调整系数 z 可参照表6 6 取值 表 6 6 杆塔风荷载调整系数 z z 杆塔头部 横担及地线支架 横担或地线支架 50m 取 2 4 50m 横担或地线支架 100m 取 3 0 身部分段高 m 102030405060708090100 z1 00 1 10 1 30 1 45 1 60 1 80 1 85 1 90 1 95 2 00 表 6 7 计算基础作用力的杆塔风荷载调整系数 z z 杆塔头部 横担及地线支架 横担或地线支架 50m 取 1 7 50m 横担或地线支架 100m 取 2 0 身部分段高 m 102030405060708090100 z 基础作用力计算 1 00 1 05 1 15 1 22 1 30 1 40 1 425 1 45 1 475 1 50 注 中间值按插入法计算 表中所列值仅针对本工程推荐塔型 6 5 断线荷载 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 12 输电线路杆塔上的纵向负荷在现实中是存在的 如倒塔 断线 断串 不均匀覆冰或脱冰 相邻档风速不均匀或风向不对称等 前些年 国外有许多工程师建议取消断相导线作为设计条件 但过多地降低杆塔的纵向强度 会引发连续串倒严重事故 输电线路断线是稀有的 杆塔若能抗住当然好 但仍不能避免倒塔的可能 例如地质滑坡等 灾害引起的倒塔 一旦发生倒塔事故 一般与之相邻的两基铁塔也可能受到破坏而倒塔 释放一 定的能量后 要求再下一级的铁塔能抗住不倒 因此 该级铁塔的设计要求能承受所有导地线的 不平衡张力 故抵抗断线荷载只是杆塔的第一级保护 对于单导线 各国规程均考虑断线 但断线条件不一 有的考虑无风无冰断线 有的考虑一 定风速或一定覆冰断线 前苏联认为 随着每相导线根数的增多 一相导线同时断线的概率变得 越来越小 在计算采用分裂导线的500kV 架空线路直线杆塔时 规定了作用于一相支持点上的荷 载等于0 15T 但不小于18000N 对750kV 架空线路的拉线直线杆塔 确定事故状态荷载规定值 为 25500N 对自立杆塔为0 15T 但当自立式直线杆塔中相用耐张串固定时为0 3T 对单一避雷 线 规定事故状态的荷载为0 5T 同其它较低压的线路一样 对两分裂避雷线 事故状态荷载限 制在19620N 对1150kV 线路采用的分裂导线根数不少于八根 断一相导线的概率比 750kV 线路还 要小 因此事故状态一相导线荷载采用29430N 仅750kV 线路大一点 避雷线额定荷载为0 5T 当为分裂避雷线时再乘以降低系数0 8 对500 750 和 1150kV 架空线路 当分裂导线断一根子导 线时可能产生的张力差不会超过规定的荷载 1 直线塔断线荷载 相分裂导线由数根导线所组成 所以一相断线的概率极小 设计中即使考虑其中的一根导线 折断 直线杆塔上产生的不平衡张力也往往小于线路正常运行和架线中杆塔上可能出现的最大不 平衡张力差 因此 目前设计相分裂导线的杆塔时 考虑断线张力差是根据杆塔的类型 重要性 和分裂导线的根数给定不同的数值 以保证线路在架线和运行中可能出现的最大张力差时杆塔具 有足够的纵向稳定性 也就是说 规范中规定的线路不平衡张力可能远大于线路实际断线时所产 生的不平衡张力 从以往的杆塔计算结果表明 纵向不平衡张力主要控制杆塔塔身侧面斜材和塔身横隔面的部 分杆件 直线塔主要承受塔身风荷载和导线的风荷载 塔身正面受导地线风荷与塔身侧面斜材之 比为1 0 25 因此 塔身正面和侧面斜材的受力相差很大 为了降低铁塔重量 设计人员有时 将直线塔设计成矩形塔 如果不考虑一定的纵向不平衡张力 就会导致塔身侧面刚度太差 当发 生导线断线 复冰发生纵向不平衡张力时铁塔侧面斜材就承受不了而倒塔 更为严重的是 当某 基塔倒塔时 会发生多米诺骨牌现象形成串倒 造成严重的损失 目前500kV 输电线路 塔身尺寸相对特高压线路要小 按 110 500Kv 架空送电线路设计技 术规程 假定一个纵相不平衡张力后 人为提高了塔身侧面斜材的受力和材料规格 增加了塔 身侧面的刚度 至今已建成500Kv 输电线路5 万公里 有30 多年的运行经验 在发生倒塔事故时 很少有发生串倒的现象 表明规程在纵向张力的取值上是合理的 一定程度上抑制了倒塔事故的 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 13 发生 从以上分析可知 按我国现行规范计算本工程杆塔直线塔的断线工况是偏保守和安全的 但 考虑本工程正常运行和架线中杆塔上可能出现的最大不平衡张力差 以及本工程杆塔结构的重要 性 本工程杆塔断线荷载仍按我国现行规程DL T5092 1999 取值 即 导导线线纵纵向向不不平平衡衡张张力力 对对平平 地地 丘丘陵陵及及山山地地线线路路 应应分分别别取取不不小小于于一一相相导导线线最最大大使使用用张张力力的的 1 15 5 2 20 0 及及 2 25 5 地地线线纵纵向向不不平平衡衡 张张力力取取其其最最大大使使用用张张力力的的5 50 0 2 耐张塔断线荷载 在前苏联 耐张塔事故状态时 对一般500kV 级以上电压线路采用三柱杆塔 每个柱塔应考 虑一侧断线时 另侧未断线导线的张力 张力按有冰无风状态并乘以组合系数 0 9 ASCE 标准对耐张塔建议断线纵向荷载作用在1 3 的导线支撑点或一个 或两个 地线支撑点上 其它支撑点承受无风状况下的裸线垂直荷载 即对单回路和双回路线路的断线情况如下 ASCE 通过例题给出了导 地线的断线张力取值情况 对地线取温度 60 F 15 6 裸线原 始张力的100 对导线为76 1 对单回路 断任意一相导线或地线 2 对双回路 断任意两相导线或地线或一相导线 地线的控制工况 ASCE 标准对耐张塔的规定与我国规范对耐张塔的规定有所不同 主要区别在于我国规范规 定对交流线路耐张塔 不论多少回路 均考虑在同一档内断任意两相导线 终端杆塔考虑作用有一 相或两相张力的不利情况 因此对单回路线路而言 我国规范比ASCE 标准严格 考虑到本工程的重要性 并且 从实际运行情况来看 按现行规程和规定设计的330kV 和 500kV 线路的耐张塔遏制事故的能力较合理 因此本工程 耐张塔的断线荷载仍按我国现行规程DL T5092 1999 取值 即 断断线线情情况况时时 所所有有的的导导线线和和地地线线的的张张力力 均均分分别别取取其其最最大大使使用用张张力力的的 7 70 0 及及 8 80 0 6 6 安装荷载 我国规范 ASCE IEC 标准确定安装工况的基本基本原则是一致的 均需考虑导线的提升荷 载 施工中导线张力 临时拉线的张力 维修荷载等 本工程应考虑 800kV 线路的具体特点 对 施工中附加荷载及耐张塔安装中临时拉线的平衡张力作相应的提高 6 6 1 附加荷载 我国现行规程DL T5092 1999 规定提升导地线考虑采用双倍起吊导线 但本工程路铁塔 由 于导线分列数多 导线重量约为500 千伏线路的1 5 倍 横担长度约为500kV 的 1 4 倍 如仍采用 双倍起吊导线 横担的大部分杆件是在安装情况下控制 很不经济合理 有必要在施工方案上采取 措施 采用转向滑轮提升导线 因此 本工程提升导线按1 5 倍起吊考虑 地线仍按双倍起吊考 虑 考虑到本工程导线分裂数多 导线及金具的重量要比500kV 线路大得多 安装导线所需设备 相应要比500kV 线路大 因此附加荷载需比500kV 线路有所增加 其中导线的附加荷载相应于 500kV 增加一倍 地线仍按500kV 线路取值 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 14 表 6 7 杆塔施工附加荷载 单位 kN 类 别导 线地 线 电压 kV 直线型杆塔耐张型杆塔直线型杆塔耐张型杆塔 8008 012 02 02 0 6 6 2 耐张塔安装中临时拉线的平衡张力 现行DL T 5154 2002 规定 对330kV 及以下送电线路临时拉线可按平衡线条张力30 考虑 但对 500kV 杆塔导地线临时拉线分别按平衡20kN 和 5kN 考虑 这一规定 对330kV 及以下送电线 路的耐张塔来说 安装荷载不会成为耐张塔大部分构件的控制条件 对 500kV 线路的耐张塔来说 已有相当多的构件由安装荷载来控制 甚至主材都由安装荷载控制 由于导线分裂数多 导线截面大 对 本工程耐张塔临时拉线若仍按按平衡20kN 和 5kN 计算 将会有较多的构件受安装工况的控制 安装工况只在线路安装过程中出现 安装工况控制较多的 构件不经济合理 但临时拉线的平衡张力受现场施工条件制约较多 提高临时拉线的平衡张力会 使施工变得困难 甚至降低施工的安全性 因此本工程参照750kV 线路设计 施工经验及1000kV 交流特高压取值对导 地线的临时拉线 的平衡张力分别取40kN 和 10kN 6 6 3 直线塔安装动力系数 1 直线塔提升导线 地线及其附件时应考虑动力系数 动力系数取1 1 与现行DL T 5154 2002 规定一致 2 导线及地线锚线作业时 锚线张力动力系数取1 1 与现行DL T 5154 2002 规定一致 7 7 荷载工况及荷载组合荷载工况及荷载组合 7 1 DL5092 规定的荷载工况及荷载组合 DL T5092 1999 规程规定输电线路设计时应考虑正常运行情况 断线情况和安装情况下的荷 载组合 如表7 1 表 7 1 DL T5092 1999 规程荷载工况及荷载组合 工况名 荷载组合 正常运行工况 1 大风速 无冰 未断线 包括最小垂直荷载和最大水平荷载的组合 2 大覆冰 相应风速及气温 未断线 3 低气温 无冰 无风 未断线 断线工况或纵向 不平衡张力 直线塔 1 导线 单回路和双回路杆塔 单导线时 断任意一根导线 分裂导线时 任意一相有不平衡张力 地线未断 无风 无冰 多回路杆塔 单导线时 断任意两根导线 分裂导线时 任意 两相有纵向不平衡张力 地线未断 无冰 无风 2 地线不平衡张力 无论多少回路杆塔 任意一根地线有不 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 15 工况名 荷载组合 平衡张力 导线未断 无风 无冰 耐张塔 1 在同一档内断任意两相导线 终端塔应考虑作用有极相或 极相张力的不利情况 地线未断 无冰 无风 2 断任意一根地线 导线未断 无冰 无风 3 断线情况时 所有的导线和地线的张力 均应分别取最大 使用张力的 70 及 80 按 10m s 风速 无冰 相应气温的气象条件下考虑的因素有 直线型 含悬 垂转角塔 1 提升导线 地线及其附件时发生的荷载 2 导线及地线锚线作业时 导线及地线的锚线张力 安装工况 耐张塔 1 导线及地线荷载 锚塔 锚地线时 相邻文件内的导线及地线均为架设 锚导线 时 在同档内的地线已架设 紧线塔 紧地线时 相邻档内的地线已架设 同档内的导线 已架设或未架设 紧导线时 同档内的地线已架设 相邻档 内的导线已架设或未架设 2 临时拉线所产生的荷载 3 紧线牵引绳所产生的荷载 4 安装时的附加荷载 7 2 ASCE 荷载工况及荷载组合 美国输电线路设计时通常考虑的荷载工况及荷载组合如表 7 2 表 7 2 ASCE 荷载工况及荷载组合 工 况 名荷 载 组 合 类似于我国正常运行工况 任何方向的最大风 最大覆冰和相应风载 覆冰不平衡力 无风 需要时选用 覆冰时实际风荷载 需要时选用 类似于我国事故工况衡量阻止结构失效的标准或荷载 如 断导线荷载等 类似于我国安装工况 结构建造荷载 线条张力荷载 工人荷载 250 P 法规工况法规荷载 断线工况 无冰 无风 平均温度 对于重冰区应考虑覆冰的情况 1 单回路 断任意一相导线或地线 或者是断任意一相导线 地线 2 双回路 断任意两相导线或地线 或者是控制工况组合 断一 相导线 地线 7 3 IEC 荷载工况及荷载组合 IEC 规范中规定的输电线路设计时应考虑的荷载工况及荷载组合如表 9 3 表 7 3 IEC 荷载工况及荷载组合 800kV 特高压直流输电线路工程专题技术报告 荷载及荷载组合 16 工况名 荷载组合 可靠性 对应 于我国正常运 行工况 T 年荷载重现期的气候荷载如风载 覆冰 覆冰 风载 扭转荷载无冰 无风 断一相导线或断相邻档地