施力，潘峰，聶建波，陳成，鄭劍偉

（1.中國水利水電第四工程局有限公司國際公司，北京100070；2.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310012；3.國網(wǎng)浙江省電力公司物資分公司，浙江 杭州 310003）

海島環(huán)境下大跨越輸電塔風荷載關(guān)鍵參數(shù)特性研究

施力1，潘峰2，聶建波3，陳成2，鄭劍偉2

（1.中國水利水電第四工程局有限公司國際公司，北京100070；2.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310012；3.國網(wǎng)浙江省電力公司物資分公司，浙江 杭州 310003）

220 kV舟山本島—岱山雙回輸電線路改造工程主要包括灌門大跨越、龜山大跨越和高亭大跨越三個大跨越，其中龜山大跨越處于線路的中間位置，連接秀山島和官山島，中間跨越龜山水道，大跨越耐張段長度3 714 m，最大跨越檔距2 349 m，最大設計風速44 m/s。

大跨越輸電塔是集高聳結(jié)構(gòu)和空間桿系結(jié)構(gòu)2種特征于一體的風敏感結(jié)構(gòu)。風荷載是主要的設計荷載之一；與常規(guī)塔相比，大跨越的檔距、導地線荷載、鐵塔高度等都有大幅度提高，有著特殊的風荷載特性和規(guī)律。

國內(nèi)規(guī)范對于輸電塔動力特性的處理主要是引入了風振系數(shù)的概念來調(diào)整基本風壓，從而將脈動風轉(zhuǎn)換為等效靜風荷載進行計算?！都芸账碗娋€路桿塔結(jié)構(gòu)設計技術(shù)規(guī)定》［1-2］（DL/T 5154-2002，以下簡稱《技術(shù)規(guī)定》）中規(guī)定，當桿塔全高超過60 m時，桿塔風振系數(shù)應按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［3-4］（GB50009-2012）采用由下到上逐段增大的數(shù)值。然而荷載規(guī)范中的風振系數(shù)計算公式僅適用于結(jié)構(gòu)外形和質(zhì)量沿高度分布均勻或規(guī)則變化的高層建筑或高聳結(jié)構(gòu)，大跨越輸電塔由于橫擔的存在使得全塔質(zhì)量和受風面積分布不再均勻，設計時無法簡單套用規(guī)范。

另外，對于風荷載的其他一些參數(shù)（過渡區(qū)，風高系數(shù)，體形系數(shù)，角度風分配）等的正確選取，都給設計人員提出了新的更高的要求，有必要進行深入細致的研究。

本文根據(jù)大跨越特定工程環(huán)境，研究適用于工程的風速過渡區(qū)、風壓高度變化系數(shù)；結(jié)合以往工程經(jīng)驗，提出體型系數(shù)推薦值；參考國內(nèi)外規(guī)范，補充塔身與橫擔風荷載角度風荷載分配系數(shù)，得出大跨越塔風荷載設計的一些結(jié)論。

1 風速過渡區(qū)的準確選取

近地風在其行程中會遇到各種各樣的障礙物，隨著流動風向障礙物粗糙度的變化，風速大小的變化也不盡一致。一般，不同地面粗糙度類別有不同的風剖面，當風進入新的風剖面中，在達到平衡狀態(tài)前，必須經(jīng)過某一地面距離，稱為過渡區(qū)，隨著風流程的增加，新的風剖面將逐步形成。風速隨地面粗糙度類別的改變?nèi)鐖D1所示。

圖1 地面粗糙度改變情況示意圖Fig.1 Changes in the roughness of the ground

一般地，在過渡區(qū)內(nèi)的風速是逐步變化的，其風速應進行相應修正。按我國目前的狀況和習慣，未具體建議風速（風壓）修正的方法，而是參考歐美等國家的相關(guān)規(guī)范，直接選擇過渡區(qū)距離x=1 500 m進行分析和地面粗糙度類別分類。歐美等國的相關(guān)規(guī)范條文如下：

1）澳大利亞規(guī)范x－xi≥1 500 m為過渡區(qū)；

2）英國規(guī)范認為需要1 000 m或更長的行程作為過渡區(qū)；

3）美國規(guī)范規(guī)定B類地面粗糙度類別（相當于中國C類地面粗糙度類別）所代表的地區(qū)，在上風方向上要有大于460 m或10倍建筑物或其他結(jié)構(gòu)物高度的距離，二者中取大值；規(guī)定A類地面粗糙度類別（相當于中國D類地面粗糙度類別）所代表的地區(qū)，在上風方向要有大于800 m或10倍建筑物高度的距離，二者中取大值；

4）加拿大規(guī)范B類和C類地面粗糙度類別的上風方向至少要保持1 500 m的距離，否則要對風壓高度變化系數(shù)進行修正。

因此，過渡區(qū)長度取1 500 m是比較合適的。從國內(nèi)外文獻［4-6］可知，基本上一致認為在新地貌粗糙度改變點開始的下游500 m距離之內(nèi)，風速剖面線仍與上游的風速剖面線相同。

當風從海面或湖面吹至陸地時，不管岸上陸地屬何種地面粗糙度，都應從海岸邊或湖岸邊向陸地方向至少劃出500 m的距離，視此區(qū)域?qū)貯類地面粗糙度類別，以此進行結(jié)構(gòu)的抗風設計；對于從海岸邊或湖岸邊向陸地方向500 m至1 500 m的距離范圍，其風流程仍處于新的地面粗糙度的過渡區(qū)內(nèi)，可以仍按照A類地面粗糙度進行設計或者進行修正設計；而對于從海岸邊或湖岸邊向陸地方向大于1 500 m的距離范圍，結(jié)構(gòu)物按照新的地面粗糙度類別進行設計。因此，根據(jù)本工程塔位與海岸線相對距離，取A類地面粗糙度是合理的。

2 海島地形對輸電塔風壓的影響

風經(jīng)過不同的地形會產(chǎn)生不同的變化，比較典型的有“爬坡效應”、“狹管效應”和“遮擋效應”等。本工程大跨越高塔所處的海島地形最為顯著的是“爬坡效應”，即當風從海面吹向海島后，由于遇到山坡或懸崖的阻礙會在坡頂或崖頂出現(xiàn)風速增大的現(xiàn)象。國內(nèi)外許多學者對此進行了大量的研究，如今較為成熟的處理方法主要有2種：虛擬接腿法與風壓調(diào)整系數(shù)法。

虛擬接腿法顧名思義便是將塔下地形近似為塔的一部分塔腿，如圖2所示。在計算風荷載時，定義海平面為風壓高度起算平面，風剖面截取地形以上部分，因此在風壓高度變化系數(shù)的作用下，真實桿塔所受風荷載便被放大。

圖2 虛擬接腿法示意圖Fig.2 The schematic for virtual connection leg

風壓變化調(diào)整系數(shù)法是將地形進行簡化處理，如圖3所示，用理想曲線代替實際地形，然后應用控制變量法通過大量模擬與試驗，考察風在越地形過程中風速的改變，擬合出包含高度、坡度及與目標建筑相對位置等地形特征量與風速增大比值之間的關(guān)系，并將風速比轉(zhuǎn)化為風壓比，用風壓地形修正系數(shù)表示［7-9］。

圖3 風壓變化調(diào)整系數(shù)示意圖Fig.3 The schematic for pressure height variation coefficients

ASCE規(guī)范在風壓調(diào)整系數(shù)法模擬實際地形上應用了三維模型，計算結(jié)果更為合理，因此，參考其《Guidelines For Electrical Transmission Line Structural Loading》［10］（ASCE 74-2009）中的風壓地形修正系數(shù)取值方法，計算海島地形上大跨越輸電高塔的風荷載，所得結(jié)果與虛擬接腿法進行對比，如表1、圖4所示。

從對比結(jié)果可以得出：2種計算方法所得增大系數(shù)較為接近，風壓增大系數(shù)在島平面以上100 m范圍內(nèi)自下而上逐漸減小，100 m以上部分地形引起加速效應幾乎消失，風壓增大系數(shù)接近為1。風壓變化調(diào)整系數(shù)法較虛擬接腿法在100 m范圍內(nèi)考慮風速的增大效應更為合理，但2種計算方法所得增大系數(shù)最大相差在30%以內(nèi)，且由于大跨越輸電高塔控制風荷載以塔身上部為主，100 m相對239.5 m高塔未到塔身一半，且最大相差30%的風荷載偏差對全塔風荷載作用相差不大，因此虛擬接腿法的精度在工程可接受范圍內(nèi)，但更推薦使用ASCE風壓變化調(diào)整系數(shù)法對風荷載進行修正。

一般推導的風壓高度變化系數(shù)μz是以B類地貌的地面粗糙度類別為基準推導得出的，其計算公式如下：

式中，W（z）為任一粗糙度類別z高度處的風壓值。

表1 風壓調(diào)整系數(shù)2種方法計算結(jié)果對比表Tab.1 The results by the two methods for pressureheight variation coefficients

由于本工程設計時取用的基本風壓值W0是根據(jù)當?shù)貧庀笈_站的統(tǒng)計資料分析得出的A類地貌風速，即W0≠WB0，此時再按照規(guī)范公式計算風壓高度變化系數(shù)顯然是錯誤的。無論按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》還是《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設計技術(shù)規(guī)定》查表，得到的μz值都不能直接代入計算桿塔風載標準值。

風壓高度變化系數(shù)μz實質(zhì)反應了風壓隨高度的變化規(guī)律，針對本工程，風壓高度變化系數(shù)為A類地貌下z高度處風壓值W（z）與同一地貌基準高度處風壓W0的比值，即：

圖4 風壓調(diào)整系數(shù)2種方法計算結(jié)果對比表圖Fig.4 Comparison of the results by the two methods forpressure height variation coefficients

式中，V（z）為z高度處的風速。

將式（3）代入式（2），得到風壓高度變化系數(shù)μz的計算公式為：

綜上所述，本工程風壓高度變化系數(shù)推薦選取下式：

式中，η′為海島地形風壓高度增大系數(shù)，查表1。

3 體型系數(shù)推薦取值

《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設計技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5154-2012）中規(guī)定，由圓鋼管斷面桿件組成的塔架，構(gòu)件體型系數(shù)取值為：

式中，η為塔架背風面荷載降低系數(shù)，對于方形截面塔主要與塔架擋風系數(shù)相關(guān)，可按《技術(shù)規(guī)定》表5.7-1查取。式（6）中對于體型系數(shù)未給出確定的計算值，而是給出了一個取值范圍0.7～1.2，這是由于塔架的體型系數(shù)受到鋼管雷諾數(shù)、表面粗糙度等多項因素的影響，很難給出理論解，最有效的方法仍是通過模型風洞試驗進行測定。查閱文獻資料，國內(nèi)已完成的大跨越輸電鋼管塔都是進行了風洞試驗對體型系數(shù)進行了測定。

通過天平測力試驗，由天平測量模型在各風向角下所受的力和力矩，通過對測力結(jié)果的適當修正，即可得到塔架的體型系數(shù)。對于輸電塔而言，由于塔頭的形狀與塔身差異較大，應分別測定塔身及塔頭的體型系數(shù)。表2列出了其他工程4個跨越塔風洞試驗測得的0°、90°風體型系數(shù)。

表2 風洞試驗測得的輸電塔體型系數(shù)Tab.2 The shape factors of the transmission tower measured in wind tunnel tests

大跨越輸電塔塔身的擋風系數(shù)通常在0.15～0.20之間，將表中體型系數(shù)進行換算，得到0°風向角塔身體型系數(shù)的值約為0.75，考慮到模型試驗與實際受荷的差異，因此風荷載體形系數(shù)推薦取0.8。

4 塔身角度風荷載分配系數(shù)

當風向與塔身成夾角時，塔身所受風荷載在垂直和順線條方向的分量隨風向角的變化而不同。張瑚［9］（2013）研究了角度風對轉(zhuǎn)角塔水平荷載的影響，直線塔是轉(zhuǎn)角塔的特殊情況。桿塔規(guī)定2002、2012中，只給出了0°、45°、60°和90°4個風向角下塔身和橫擔的角度風荷載分配系數(shù)，如表3所示，角度風作用如圖5所示。

表3 塔身和橫擔角度風作用下風荷載分配系數(shù)Tab.3 Wind load distribution coefficients of the towerbody and the cross-arm under different wind actions

注：K為塔身風載斷面形狀系數(shù)，單角鋼取1.0，對組合角鋼取1.1。

在已完成的諸多工程中多有遇到最不利風向角為15°、30°或其他角度的情況。為此，根據(jù)IEC 60826-2003［11］（以下簡稱IEC）中關(guān)于桿塔塔身風荷載相關(guān)表述，并結(jié)合我國規(guī)范中風向角的定義，按照IEC規(guī)范中，塔身風荷載表達式都為：

式中，Cx、Gt分別為體形系數(shù)（風阻系數(shù)）和風荷載組合系數(shù)；γW根據(jù)重現(xiàn)期的不同取值，一般取為1.00；β為計算角度，β=90－θ。

圖5 角度風作用示意圖Fig.5 Definition of the angle wind action

根據(jù)式（7）就可以計算得到塔身任意角度風向角下塔身所受風荷載，將0°、45°、60°和90°4個風向角擴展到0°～90°按15°一檔進行細化，如表4所示?？梢缘贸觯何覈鴹U塔設計技術(shù)規(guī)定中0°、45°、60°和90°4個風向角下塔身風荷載的分量分配系數(shù)與IEC規(guī)范一致，建議本工程大跨越塔塔身風荷載按照15°一檔進行多角度精細化分析。

表4 塔身角度風作用下風荷載分配系數(shù)Tab.4 Wind load distribution coefficient of the tower-body under different wind actions

5 橫擔角度度風荷載分配系數(shù)

根據(jù)英國BS EN 50341-2001［14］（以下簡稱BS）中的定義，橫擔風荷載表達式為：式中，風荷載系數(shù)γW（B）根據(jù)重現(xiàn)期的不同取值，一般取為1.00；qz為z高度處鐵塔的風壓值；Gq為陣風系數(shù)；Gt（B）為結(jié)構(gòu)響應系數(shù)，一般取為1.05；Cx，tc、Atc分別為垂直橫擔投影面的體形系數(shù)和投影面積，如圖6所示；BS規(guī)范的體形系數(shù)的取值與IEC規(guī)范一致。

圖6 橫擔角度風荷載計算示意圖Fig.6 Wind load calculation for the cross-arm in different wind actions

根據(jù)式（8）計算迎風面風荷載，并沿X、Y方向分解，得到英國規(guī)范0°～90°風向角下水平橫擔風荷載分配系數(shù)結(jié)果，如表5所示；同時根據(jù)文獻［12，13］，表5同時也列出我國規(guī)范規(guī)定的常規(guī)鐵塔橫擔和大跨越鐵塔橫擔的風荷載角度風分配系數(shù)。與我國規(guī)范對比可以發(fā)現(xiàn)，45°、60°風向角的風荷載分配系數(shù)差異較大，故本文將采用CFD數(shù)值風洞對橫擔進行模擬，計算了X、Y向風壓分配情況。

表5 橫擔角度風作用下風荷載分配系數(shù)Tab.5 Wind load distribution coefficient of the cross-arm under different wind actions

選取下橫擔為研究對象，進行建模與劃分網(wǎng)格。圖7為建立的橫擔幾何模型，使用最小網(wǎng)格尺寸為0.1 m的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分。使用來流風速為10 m/s的均勻風，按圖5所示風向角與坐標系進行了0°、45°、60°、90°風向角下的數(shù)值風洞試驗，圖8為45°、60°風向角下橫擔表面風壓分布情況。

圖7 橫擔CFD幾何模型示意圖Fig.7 The schematic diagram of the CFDgeometry of the cross-arm

圖8 45°、60°風向角下橫擔風壓分布示意圖Fig.8The wind pressure distribution for the cross-arm in 45°and 60°wind angles

提取橫擔所受風力，如表6所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，45°風向角，我國規(guī)范（常規(guī)，大跨越）與CFD計算結(jié)果吻合較好，英國規(guī)范偏于保守；60°風向角時，英國規(guī)范與CFD計算結(jié)果更加一致，我國規(guī)范取值偏小?？傮w變化趨勢來看，英國規(guī)范與CFD結(jié)果更為吻合。由于目前對橫擔風荷載分配研究的文獻較少，CFD計算樣本數(shù)量也不夠豐富；因此，本工程桿塔設計時推薦使用《110 kV～750 kV架空輸電線路大跨越設計技術(shù)規(guī)定》［14］（報批稿）中的橫擔風荷載分配系數(shù)，對于規(guī)范未給出的風向角，采用英國規(guī)范的分配值。

表6 橫擔CFD數(shù)值風洞計算結(jié)果表Tab.6 Wind load distribution coefficient of the cross-arm with CFD

6 結(jié)論

本章主要針對某海島環(huán)境下大跨越輸電高塔風荷載的基本特性及關(guān)鍵參數(shù)的取值展開研究，可以得到以下結(jié)論：

1）對于從海岸邊或湖岸邊向陸地方向500 m至1 500 m的距離范圍，可以仍按照A類地面粗糙度進行設計或者進行修正設計；而對于從海岸邊或湖岸邊向陸地方向大于1 500 m的距離范圍，結(jié)構(gòu)物按照新的地面粗糙度類別進行設計。本工程所處大跨越塔風荷載計算選擇A類地貌。

2）根據(jù)塔位處實際海島地形，對比虛擬接腿法與風壓調(diào)整系數(shù)法這2個風荷載高度變化系數(shù)修正辦法，推薦使用以美國ASCE規(guī)范公式為基礎(chǔ)的風壓調(diào)整系數(shù)法，風荷載高度變化系數(shù)取值公式為μz= η′·（z/10）0.24。

3）參考文獻資料以及已完成的大跨越輸電高塔風洞試驗，推薦本工程大跨越塔風荷載體型系數(shù)取0.8。

4）參考對國外規(guī)范，建議本工程大跨越塔塔身風荷載按照15°一檔進行多角度精細化分析，多角度風吹時塔身風荷載分配系數(shù)按表4取值。

5）參考國外規(guī)范，并參考CFD數(shù)值風洞對橫擔的模擬結(jié)果，通過對比，推薦使用《110 kV～750 kV架空輸電線路大跨越設計技術(shù)規(guī)定》（報批稿）中的橫擔風荷載分配系數(shù)進行計算，對于規(guī)范未給出的風向角，采用英國規(guī)范的分配值。

［1］DLT5154-2002架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設計技術(shù)規(guī)定［S］.北京：中國電力出版社，2002.

［2］DLT5154-2012架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設計技術(shù)規(guī)定［S］.北京：中國計劃出版社，2012.

［3］GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［4］GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

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［6］張相庭.結(jié)構(gòu)風壓和風振計算［M］.上海：同濟大學出版社出版，1985.

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［13］IEC 60826-2003 Design criteria of overhead transmission lines［S］.Switzerland：International Electro-technical Commission，2003.

［14］BS EN 50341-1 Overhead electrical lines exceeding AC 45 kV（Part 1）［S］.Brussels：CENELEC，2001.

（編輯 馮露）

Research on the Characteristics of Main Wind Load Parameters for Long-Span Transmission Tower in Island Environment

SHI Li1，PAN Feng2，NIE Jianbo3，CHEN Cheng2，ZHENG Jianwei2
（1.Sinohydro Engineering Bureau N0.4 Co.Ltd.，Beijing 100070，China；2.Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，Zhejiang，China；3.State Grid Zhejiang Equipment&Supply Company，Hangzhou 310003，Zhejiang，China）

大跨越輸電塔是集高聳結(jié)構(gòu)和空間桿系結(jié)構(gòu)2種特征于一體的風敏感結(jié)構(gòu)，風與結(jié)構(gòu)的相互作用十分復雜，風荷載是主要的設計荷載之一。以某一海島環(huán)境大跨越輸電塔為研究對象，研究了適用于工程的風速過渡區(qū)、風壓高度變化系數(shù)；結(jié)合以往工程經(jīng)驗，提出體型系數(shù)的推薦取值；同時，參考國內(nèi)外規(guī)范（IEC60826、BS50341），并通過CFD模擬，得出了塔身與橫擔角度風荷載的分配系數(shù)推薦值；通過研究，揭示了海島環(huán)境下大跨越塔的風荷載關(guān)鍵參數(shù)的特性，結(jié)果可作為大跨越鐵塔結(jié)構(gòu)抗風設計的參考。

大跨越輸電塔；風壓調(diào)整系數(shù)；風速過渡區(qū)；體形系數(shù)；角度風荷載；分配系數(shù)

Due to its complex interactions between wind and structure，the long-span transmission tower belongs to windsensitive structures characteristic of high-rising and spatial truss structures，and the wind load is the main problem of the structure design.With a long-span transmission tower in an island as the subject of study，this paper studies the wind transition zone and pressure height variation coefficient.Based on the previous engineering experience，the paper proposes the recommended values of the shape factor.In addition，according to the domestic

pecification（IEC60826 and BS50341）and through CFD simulations，the partition coefficient values of wind loads for the tower-body and the cross-arm are obtained. The study reveals the wind-induced vibration characteristics of the large-crossing tower in the island environment and the results in the paper can be used as reference for the design of large-crossing transmission towers.

long-span transmission tower；pressure height variation coefficient；wind transition zone；shape factor；angle wind load；distribution coefficient

1674-3814（2015）04-0025-07

TU311

A

2014-05-28。

施力（1970—），男，本科，高工，從事水利水電施工管理等方面的研究；

潘峰（1980—），男，博士，高工，主要從事輸電塔設計、結(jié)構(gòu)計算等方面的研究；

聶建波（1984—），男，本科，助理工程師、物流師，主要從事輸電塔材料等物資管理方面的研究；

陳成（1985—），男，碩士，工程師，主要從事輸電塔設計、分析等方面的研究；

鄭劍偉（1983—），男，助理工程師，主要從事輸電塔設計、結(jié)構(gòu)計算等方面的研究。