沿海地区杆塔抗台风设计方法

技术领域

本发明涉及输电线路技术领域，具体涉及一种沿海地区杆塔抗台风设计方法。

背景技术

受全球变暖的影响，以台风为代表的特殊气候引起的风灾现象在世界各地都有次数增多、受灾程度加剧的趋势。同时，近年来大量的现场实测研究结果表明，台风近地边界层风环境特性不同于良态气候模式。而输电杆塔作为一种对风荷载敏感的结构，台风过境地区输电杆塔倒塌事故屡见不鲜。因此，目前的首要任务是比较台风与常规风风场特性参数差异，明确台风作用下杆塔上作用的风荷载。

对于输电线路风荷载激计算，各国设计标准依据历史与经验各自不同；现有技术中的美标、欧标现线路设计标准的风荷载设计计算基于风工程理论，充分考虑了阵风效应，因此其设计风速即为其耐受风速，例如美标按60m/s(3s时距，33英尺高)风速设计的杆塔在设计使用条件下最大可抵御一个在10m高3秒阵风最大为60m/s的风灾，即当风灾10m高，3秒阵风风速远大于60m/s时，按此设计的铁塔破坏倒塌是正常的很可能发生的，而当风灾10m高，3秒阵风风速小于60m/s时，此铁塔倒塌的可能性不大。

而与美标、欧标相比，我国设计标准中阵风效应考虑并不充分，我国已建110kV～500kV输电线路设计时所采用的的行业规程规范有如下几个版本：

《架空送电线路设计技术规程》(SDJ-79，1979年颁布实施，下称“79规程”)；设计安全系数1.5，不考虑阵风效应系数；

《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》(SDGJ94-90，1990年颁布实施，下称“90规定”)；设计安全系数1.5，设计风速为30年一遇(500kV)与15年一遇(220kV及以下)，杆塔塔身风荷载计算中阵风效应不充分的考虑，导地线风荷载计算不考虑阵风效应；

《110kV～500kV架空送电线路设计技术规程》(DL/T 5092-1999，1999年颁布实施，下称“99规程”)；设计安全系数相当于1.4(荷载分项系数)乘1.1(杆塔材料分项系数)为1.54，设计风速为30年一遇(500kV)与15年一遇(220kV及以下)，阵风效应杆塔部分考虑，导地线阵风效应220kV及以下不考虑，500kV及以上相当于不充分考虑；

《110kV～750kV架空输电线路设计规范》(GB 50545-2010，2010年颁布实施，下称“10规范”)。设计风速为50年一遇(500kV)与30年一遇(220kV及以下)，阵风效应、安全系数考虑与99规程相同；

由上可以看出，各时期设计标准由于除设计风速外线路风荷载计算中的安全系数(分项系数)与阵风效应考虑不同，各时期相同标准设计的相同设计风速线路风荷载水平也并不相同，特别是阵风效应计算。阵风系数在1～2之间，不同时期对阵风效应考虑相差极大且均非精确推导，因此我国标准设计杆塔具体耐受风速并不能简单的从设计风速获得，不同设计标准下的杆塔结构需要一个与欧美标准相类似的充分考虑阵风效应的标准予以评价。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种沿海地区杆塔抗台风设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种沿海地区杆塔抗台风设计方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据已知台风风速时程曲线，设计台风最大风速；

步骤S2：根据杆塔抗台风设计时设计的风压高度系数计算杆塔风压高度变化系数；

步骤S3：根据设计的台风最大风速和计算出的杆塔风压高度变化系数计算杆塔导地线风荷载和杆塔塔身风荷载。

进一步的，所述设计台风最大风速的方法包括根据已知台风风速时程曲线得到平均风速

其中，V为台风最大风速，

脉动风速根据下述计算公式进行计算：

v＝gσ

其中，v为脉动风速，g为脉动峰值因子，σ

进一步的，所述计算杆塔风压高度变化系数的方法包括据杆塔抗台风设计时设计的风压高度系数根据设计规范选取出对应的杆塔风压高度变化系数。

进一步的，所述计算杆塔导地线风荷载的方法包括根据以下公式进行计算：

W

β

W

其中，W

进一步的，所述杆塔塔身风荷载的方法包括根据以下公式进行计算：

其中，ε

进一步的，所述设计方法还包括对杆塔整体结构进行验算，验算方法包括杆塔结构验算和杆塔基础结构验算。

进一步的，所述杆塔结构验算的方法包括根据以下计算公式进行计算：

S(W

其中，S为荷载标准组合效应，R为结构构件抗力，W

杆塔基础结构验算的方法包括根据设计规范进行附加分项系数的取值。

进一步的，所述设计方法还包括对杆塔进行可靠度评价，评价方法包括载荷因子推算和杆塔上输电线路可靠度评价。

进一步的，所述载荷因子推算的方法包括根据已知风荷载重现期与建筑荷载的关系进行推算；

杆塔上输电线路可靠度评价的方法包括根据推算出的载荷因子对杆塔上输电线路的可靠度进行评价。

较之现有技术，本发明的优点在于：

本发明通过提出一种沿海地区杆塔抗台风设计方法，相较于现有技术，通过考虑阵风效应，将脉动风速和平均风速进行叠加并结合阈值法设计出台风最大风速，并根据设计出的台风最大风速结合输电线路杆塔整体结构的验算结构以对输电线路可靠度评价进行评价，以此可以对输电线路进行防风技术指导，有效地提高输电线路抵御台风的能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程示意图；

图2为实施例中某沿海地区的极值风速图；

图3为本实施中杆塔风振系数βz计算示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：本实施例提供一种沿海地区杆塔抗台风设计方法，包括以下步骤：

进行整体杆塔风荷载的计算；杆塔风载荷计算的方法包括设计台风最大风速、计算杆塔风压高度变化系数、计算杆塔导地线风荷载和计算杆塔塔身风荷载；

其中，设计台风最大风速的方法包括获取已知台风风速时程曲线，由此台风时程曲线可得平均风速

其中，V为台风最大风速，

脉动风速根据下述计算公式进行计算：

v＝gσ

其中，v为脉动风速，g为脉动峰值因子，g的数值可以按极值概率分布来确定，g值建议取2～2.5较为适宜，对于一般结构的耐受荷载超越的能力而言，g取值为2.5已足够，因此，为与中国现行建筑荷载标准吻合，本实施中，g值取2.5，σ

由于不同的地区气候条件存在一定的区别，在一年范围内可能会有多次风暴现象出现，沿海地区出现次数可能更为明显。因此，只选取最大风速为样本进行极值分析的方法存在着较大的局限性。如果采用比年更短的周期来增加样本数量，这就可能违背了极值分析种数据的独立统计性。比如，以周期为一天就无法保证极值样本的统计独立性这一重要条件。“阈值法”是一种仅采用与极值预测相关的数据的方法。它采用的所有风速都来自于相对独立的风暴，且均高于一个特定的最小临界风速v

将阈值法应用到台风最大风速的设计上，以此来解决利用单一风速来设计的局限性；具体步骤包括：

第一步，设置风速基础值；根据本地区的风速情况以及设计要求，设置若干个不同的风速值为基础值，将其分别记为记为v

第二步，确定最小风速v

第三步，计算风速偏差值和正偏差均值；将不同风暴下的风速与设置的基础值v

第四步，重复第一步至第三步，将基础值v

第五步，绘制线图；根据以上计算得到的结果，绘制基础值与平均超越次数之间关系的曲线图。

第六步，确定比例因子a和形状系数b。根据下述公式计算：

则重现期为R年的风速V

V

其中，在式(3.32)中，形状系数b通常是正值(具体为0.1左右)，当R逐渐增大至正无穷时，V

当b＝0时，代入式(3.32)可得：

V

根据第一步至第六步提供的方法，可以将相对独立的风暴进行计算和判断，但在公式中不难看到，(3.32)和(3.33)有一定的相似性。为了保证计算的准确性，在设置最大临界风速时，应至少保证10次及以上风速大于最大临界风速，以确保具备有足够的风速数量超过最大临界风速；根据上述阈值法的特点，除了能够满足传统的极值风速重现去进行预测之外，还能够根据不同地区风速的特点进行混合风的预测，根据此方法，可以根据地区风速占比比重来确定使用何种极值风速作为设计的台风最大风速，为不同地区间结构的优化和合理化的设计提供了新的思路。

为便于理解，进行下述举例：

表1某沿海地区各站点的数据总结

表2某沿海地区1950-1999年记录最大风速

根据表1可知，自1950年以来，在某沿海地区的4个不同站点独立记录了每天的阵风大小，分别记为站点1，2，3，4。此四个站点的风速计均安置在干扰较小的空旷地带，独立工作。通过多年来的数据显示，风速大于21m/s的台风每个站点发生的比例非常低(平均每年约1次)，由表2可知，台风的出现不一定会带来极值阵风。

结合表1和表2，下面对某沿海地区进行数据的极值分析，具体步骤包括：

第一步，数据筛选；根据现有数据库当中的风速数据，统计数据大于21m/s的风速值并分开命名保存。

第二步，数据来源分类；将上述统计的值与当日气象图表的数据进行核对，确认该风速值由台风或气候风产生，并将两种风速类型情况分类汇总。

第三步，整合多站点数据；分别统计整理a,b,c,d四个站点的数据，将它们统一整理成气候风和台风两类。

第四步，风速修正；为排除其他干扰因素的影响，通过风洞试验得出各站点的修正因子，将气候风数据修正至10m处空旷地带的风速。

第五步，分析数据；按照汇总所得结果，分析“阈值”，即可得到重现期两种类型风速间的关系。

确定下式：

V

其中a为比例因子，b为形状参数，v

某沿海地区两种风的数据分析结果如下：

对于气候风，n取23.4，得：

V

对于台风，n取0.97，得：

V

给定某一极值风速，则能够得到重现期为R1和R2的不同风况组合下的重现期Rc，具体公式如下所示：

公式(3.37)基于两种不同风况的极值风速相互独立时方能成立。

根据公式(3.37)，将公式(3.35)和(3.36)代入公式(3.37)可得两种风超越某一给定风速的联合概率，结果如下：

结合以上分析和计算的内容，根据公式(3.35)，(3.36)和(3.38)绘制出图2；参照图2可知，气候风与台风在大致30年重现期处相交；混合风速重现期曲线前期与气候风接近，但是差距逐渐拉大，在长重现期段逐步接近台风，最后差异很小，以将台风风速与气候风风速进行区分，若无可靠数据可采用100年重现期风速作为台风设计风速进行计算。

计算杆塔风压高度变化系数的方法包括根据杆塔抗台风设计时设计的风压高度系数根据设计规范选取出对应的风压高度变化系数；本实施例中，设计规范选择现有技术中的《架空输电线路荷载规范》(DL/T 5551-2018)，由此规范选择：风剖面指数α取为0.08，湍流强度I

计算输电线路导地线风荷载的方法包括根据设计出的台风最大风速和计算出的杆塔风压高度变化系数并结合《架空输电线路荷载规范》(DL/T 5551-2018)中的以下公式进行计算：

W

β

W

其中，W

计算输电线路杆塔塔身风荷载的方法包括根据设计出的台风最大风速和计算出的杆塔风压高度变化系数并结合《架空输电线路荷载规范》(DL/T 5551-2018)中的以下公式且参照图2和表3内容进行计算：

其中，ε

表3杆塔风荷载脉动折减系数εt

注：1、H为杆塔全高；

2、20m＜H＜40m时可按线性插入法计算。

同时，由于台风与常规风相比，其平均风剖面及湍流强度差异显著，由于风场特性参数取值的影响，导致风压高度变化系数u

在台风时段内，风剖面系数α变化范围大、特异性较强，通过分析实测台风数据，得到范围风剖面系数α的范围为0.073～0.174，因为风剖面指数越小越偏于不安全，在进行分析时，风剖面指数α取为0.08，在台风时段内，湍流强度值变化比较大，通过对比分析实测台风数据，湍流强度I

为进一步保证杆塔抗台风的可靠性，该杆塔抗台风设计方法还包括对杆塔整体结构进行验算，验算方法包括对杆塔结构验算和对杆塔基础结构验算；

其中，对杆塔结构验算的方法包括根据以下计算公式进行计算：

S(W

其中，S为荷载标准组合效应，R为结构构件抗力，W

对杆塔基础结构验算的方法包括根据设计规范进行附加分项系数的取值；目前杆塔线路设计标准中可靠性选择高低排序是耐张塔基础-耐张塔-直线塔基础-直线塔，铁塔基础(包括基础连接)抗风可靠性高于铁塔，这个可靠性选择安排也是考虑到基础破坏修复难度高于杆塔，相当于设计标准已对基础留了一定的余度，因此基础抗风能力不能简单采用设计标准评价。

基础钢材与杆塔上部结构一致，其标准组合验算中应采用强度标准值即钢筋屈服值。

对于大风下的杆塔基础稳定，最重要的是基础上拔稳定，大风灾害下的杆塔基础破坏基本都为上拔隆起，但相对于杆塔结构破坏，风灾下杆塔基础破坏相对较少。

按现行《架空输电线路基础设计技术规程DL/T5219-2014》，基础上拔附加分项系数如下表4所示，规范未明确对于台风验算工况下的附加分项系数取值，考虑到基础设计中实际采用了基础强于上部的设计原则及风灾实际情况反映，大风验算中基础附加分项系数采用略低于设计情况数值。

表4基础上拔附加分项系数γf取值表

为进一步保证杆塔抗台风的可靠性，该杆塔抗台风设计方法还包括对杆塔进行可靠度评价，评价方法包括载荷因子推算和杆塔上输电线路可靠度评价；

其中，载荷因子推算包括根据我国《建筑荷载规范GB50009-2012》的风荷载重现期与荷载的关系进行推算，推算结果为：

依据建筑荷载规范中各沿海城市100年与10基本风压值x

表5

杆塔上输电线路可靠度评价的方法包括根据推算出的载荷因子β对杆塔上输电线路的可靠度进行评价；具体评价方法为：50年一遇为欧美、IEC确定的除临时线路外的最低线路可靠度水平，因此耐受风荷载(风速)为50年一遇以下的可定义为不可靠，低于30年一遇的甚至已经低于欧美对临时线路可靠度水平要求，因此定义为极不可靠。在欧州、IEC标准中，可靠度中位水平为150年一遇，标准中建议230kV以上线路及重要骨干线路可靠度水平选择应至少达到此可靠度。抵御100年一遇灾害为基本可靠已基本满足我国社会对基础设施安全可靠要求的心里期望，因此将100年一遇确定为基本可靠，200年一遇确定为可靠。耐受风荷载达到50年但达不到100年的，仅是欧美线路的起步可靠度水平，考虑到沿海台风地区一般为经济发达地区，因此其主网线路宜高于起步可靠度水平，因此定义为不太可靠。对于400年一遇的相当于欧美最高可靠度水平的耐受风荷载可评价为非常可靠。由于我国电网规模大于欧美，风灾中线路破坏引起的线路停电社会经济影响甚至大于欧美，另外特高压线路也是欧美国家没有的，因此设定800年一遇为电网乃至中国行业最高电网可靠度水平并定义为极可靠。依据上述分析设定如下表6所示的可靠度水平对应评价

表6

我国沿海地区的经济密度特别是用电密度已接近甚至超过欧美发达国家，而我国电网网架复杂且为大电网，线路灾害停电对系统冲击影响较大，台风中伴随的洪涝灾害又需要稳定的电力供应以予以应对，因此沿海大风区的线路防风可靠度水平应达到欧美标准所建议的水平，即除临时线路外架空线路最低抗风可靠度不得低于于50年一遇，230kV以上及重要线路抗风可靠度水平不得低于150年一遇水平。

依据以上的可靠度级别，依据我国线路可靠度级别应与欧美发达国家基本相当的构想及我国电网建设现状水平，依据沿海地区经济发展水平，建议沿海新建线路应达到的可靠度如下表7所示：

表7

对于已建线路，由于线路原设计抗风标准较低，而线路改造重建涉及征地、停电等复杂问题即较大的建设工期成本，因此已建线路抗风可靠度要求宜较新建线路可靠度要求低1～2个级别，具体如下表8所示：

表8

以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。