长沙理工大学 苏盛：考虑台风风速双重不确定性的输电塔基本风速计算方法

考虑台风风速双重不确定性的输电塔基本风速计算方法长沙理工大学电网防灾减灾全国重点实验室汇报人：苏盛2026.10.24112233442□极端天气变化趋势及其对电力设施抗风设计影响2024-09-0608:00:00-2024-09-0820:00:00热带风察级06日20时超强台风级06日08时s摩隅(2411)图例：台风中心未来可能经过的区域，并不表示台风大小及影响范围，灾害性天气也可能出现在阴影区以外广东天气●在电力设施抗风设计中，基本风速是高耸电力设施抗风选型的关键参数，关系到设计风荷载取值，保障设施在设计使用年限内的抗风安全●500kV、750kV交流输电线路及其大跨越的基本风速重现期取50年一遇，线路取30年一遇□风区图应用与绘制设计风速自23.5m/s起每2m/s一档至39m/s,建塔时查风区图得当地基本风速、选对应塔型●绘图流程计算站点基本风速后插值形成区域等值线；站点基本风速准确与否●站点计算年极值法取逐年最大风速样本，将样本数据拟合成分布(中美日通用),采用极大似然法(MLE)进行参数估计●插值根据气象站点历史数据计算得到基本风速后，径向基函数插值形成插值插值插值形成风区图风速(m/20012011风速(m/20012011仅风速随机，极值分布即可有效推算基本风速●台风区：双重随机风速强度随机叠加台风路径随机；台风的极值风速集中在宽约40km的眼壁上样本缺失导致推算偏差单次台风仅路径两侧约20km内站点测到极值大风，常袭区多数站点也极少记录；实测样本不足，基本风速推算结果易失真5气象站点年极值风速台风云系及眼壁强风区HurricaneHurricanetracks,2010-201956气象站点年极值风速多次相近、样本充分，采用极值分布计算的基本风速可信度高台风区年极值风速波动剧烈或仅有单个超强台风极端值，或多次过境却未记录到眼壁基本风速估算结果不稳定受台风路径不确定性影响，站点可能未记录到台风眼壁极值风速，序列样本稀少，传统法推算的基本风速偏低，致使输电塔选型裕放大台风失效风险非台风区样本风速序列相近50口输电塔抗风可靠性与经济性塔身风荷载风速平方-风速02双重随机03安全经济沿海的极值风速具有当地风速和台风路径的双重随机性，台风过程中最强风速集中在台风眼壁，台风眼壁宽度一般在40公里以内单次台风仅路径两侧20公里内少数气象站点测量到最强风速，即便常遭台风侵袭区域的气象站点可能也极少记录台风过程的极值大风1研究背景序号基础指标基础钢材对比百分值基础混凝土(m³/km)对比百分值基坑开方对比百分值1,23459205.87%210.96%7236.72%242.66%序号气象条件主要经济指标(万元/km)土石方工程基础工程杆塔工程本体投资静态投资静态投资对比百分比123456781122334492输电塔基本风速计算方法□极值理论应用与现行规范基本风速是根据气象站历史年极值风速计算特定重现期的极值风速(本文取30年)●基本风速计算本质是对历史风速进行极值分布拟合。采用年极值法提取逐年最大风速作为样本，广义极值分布(GEV)在极值推算中应用最广按形状参数分为三类，中、美、日等多国风荷载规范均明确采用Gumbel分布计算气象站点基本风速，分布参数传统上通过极大似然法(MLE)拟合2输电塔基本风速计算方法选取年最大值日本30个站点1995—2024逐年极值按极值I型推算30年重现期风速并进行工程选型校验与耿贝尔图解法2输电塔基本风速计算方法□台风区风速极值序列的复杂性与多样性受台风路径与强度随机性的影响，台风区域内不同气象站点间的极值风速特征差异极大同一台风区内，站点类型可根据风速样本序列的分布特征划分为三类多度津站多度津站德岛站松山站高知站伊冢站大分站日田站宿毛站牛深站人吉站阿久根站鹿儿岛站都城站枕崎站鹿屋站入来原站宫崎站油津站佐世保站福江站福冈站平户站北九州站追分站高松站熊本站长崎站延冈站芦屋站日本九州岛及四国岛站点分布2输电塔基本风速计算方法□台风区风速极值序列的复杂性与多样性芦屋站年最大风速序列及基本风速5年最大风速实测值云仙岳站年最大风速序列及基本风速风速风速长崎站年最大风速序列及基本风速●年最大风速实测值站点类型类型说明特征第一类动小两种方法基本风速结果第二类数据MLE法估值偏低需防范设计风速不足第三类多个极端数据MLE法估值偏高需避免过度设防11223考虑双重不确定性的基本风速估算与选型校验3考虑双重不确定性的基本风速估算与选型校验443考虑双重不确定性的基本风速计算与选型校验统计校验基本风速优化基本风速优化统计校验基本风速(m/s)芦屋站化估算方法方法MLE法对比与尺度参数风速优最大风速□基本站点名临界值统计量位置参数的结果新田原站28.8新田原站28.8耿贝尔图解法16.68MLE筑城站筑城站MLE法宫崎站宫崎站长崎站长崎站德岛站-0.81耿贝尔图解法12德岛站-0.81云仙岳站33.4耿贝尔图解法19.933.33-1.983考虑双重不确定性的基本风速计算与选型校验□工程仿真校验流程屈服点重度LS₁损伤基本完好DS进一步推导出构建风灾易损性曲线●构建6个设计风速等级的220kVSZ1型输电塔有限元模型静力推覆分析，划分出结构受风荷载的四级性能水选型优化与风险控制比风速修正前后的输电塔选型差异●以站点历史最大极值风速为检验荷载，代入两种输电塔选型方案的风灾易损性曲线模型，对比两种选型方案的抗风差异80-60-40风力等级15~16!4565直观对比风速修正前后两种选型方案的输电塔受损差异，验证所提方法在输电塔工程选型上的合理性3考虑双重不确定性的基本风速计算与选型校验□工程仿真校验杆塔编号设计风速TowerA29m/sTowerBTowerCTowerD35m/sTowerE37m/sTowerF39m/s对应6种设计风速工况的220kVSZ1直线塔选取220kVSZ1型直线塔，依据《国家电网通用梯度划分为涵盖29m/s~39m/s的6种设计风速输电塔中度破坏基本完好设计风速39m/s一设计风速37m/s一设计风速35m/s设计风速33m/s一设计风速31m/s一设计风速29m/s重度破坏塔顶位移d/m90°风向角是输电塔最不利风向角确定输电塔结构失确定输电塔结构失效时塔顶极限位移3考虑双重不确定性的基本风速计算与选型校验□6种设计风速工况的220kVSZ1直线塔的风在易损性曲线倒塌破坏v0.4重度破坏v/(m/s)TowerD风灾易损性曲线(设计风速35m/s)葵倒塌破坏·重度破坏中度破坏一倒塌破坏坏坏坏坏坏坏破破破塌度度倒重中3638404244464850倒塌破坏倒塌破坏重度破坏v/(m/s)v/(m/s)3考虑双重不确定性的基本风速计算与选型校验□案例说明：以追分站与云仙岳站为例站点站点名历史最大风速(m/s)基本风速(m/s)输电塔选择追分站31.4TowerB(31m/s)耿贝尔图解法TowerC(33m/s)云仙岳站耿贝尔图解法TowerE(37m/s)5·年最大风速实测值---ME法基本风速云仙岳站年最大风速序列及基本风速风速(m/s)风速(m/s)风速(m/s)风速(m/s)●表格显示，两站点耿贝尔图解法的RMSE值更低，数据拟合更为合理3考虑双重不确定性的基本风速计算与选型校验□案例说明：以追分站与云仙岳站为例追分站8MLE法选型结果耿贝尔图解法选型结果倒塌破坏倒塌破坏重度破坏. 中度破坏倒塌破坏重度破坏中度破坏基本完好倒塌倒塌破坏重度破坏中度破坏基本完好8 中度破坏TowerB(设计风速31m/s)TowerC(设计风速33m/s)采用耿贝尔图解法指导输电塔选型有效降低了输电塔结构的破坏等级3考虑双重不确定性的基本风速计算与选型校验□案例说明：以追分站与云仙岳站为例MLE法选型结果耿贝尔图解法选型结果云仙岳站倒塌破坏重度破坏倒塌破坏重度破坏中度破坏基本完好8倒塌破坏一重度破坏---中度破坏基本完好倒塌破坏倒塌破坏 中度破坏重度破坏倒塌破坏中康破抓TowerF(设计风速39m/s)TowerE(设计风速37m/s)塔受损状态维持近100%中度破坏112233444结语与展望结语结语