基于±800 kV特高压直流输电线路的中美规范风荷载对比研究

罗永磊，赵 峥，杨光耀

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063）

0 引言

中美规范在输电线路杆塔的荷载设计差异性大，在美国规范被高度验证和认可的背景下，研究两者应用的差异：一方面有助于中国规范在国际工程的理解、应用和推广，另一方面在±800 kV特高压直流输电线路的电压等级、单体规模相比常规线路工程不同，形成了一系列差异化设计。

风荷载通常是影响架空输电线路结构的主要因素，虽然美国规范和中国规范都是基于Davenport风速谱，但美国规范[1]主要通过调整重现期(mean recurrence intervals，MRI)来提升结构可靠性，而中国规范[2]主要通过结构重要性系数、分项系数调整风荷载效应以保证结构可靠度。因此，从设计值进行分析能更清楚反映两者的水平差别。

1 极限状态设计法研究

1.1 重要性系数

中国规范规定建筑结构设计时要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)严重性，采用不同的安全等级。将输电线路划分为三种结构安全等级，分别为特高压工程、110～750 kV线路工程以及临时线路工程，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，特高压工程的安全等级划分为一级，重要性系数通常取为1.1。

相对应的，美国规范[3]根据使用条件、重要性及破坏后造成的损失程度，将建筑物分为四类风险类别：结构失效对人的生命风险较低的为Ⅰ类，结构失效可能会对平民日常生活造成重大经济影响或大规模破坏的为Ⅳ类，结构失效可能对人的生命造成重大风险为Ⅲ类，其余均划为Ⅱ类。但对于风荷载，各类建筑的重要性系数均为1.0。

1.2 荷载分项系数

中国规范风荷载分项系数取为1.4，而美国规范自2016年修整后将风荷载分项系数由1.6调整为1.0，主要通过业主要求来调整MRI，以此针对性地提升抗风能力。

1.3 风荷载重现期MRI

中国规范的风荷载MRI与电压等级有关，对于±800 kV特高压直流输电线路工程，考虑到特高压线路的重要性，MRI按照100 a考虑，风速值提高约6%，风压值提高约12%。

美国规范[3]根据建(构)筑物风险级别，对不同风险级别建(构)筑物的风速取值取不同的MRI，对于风险级别为I、II、III、IV的建筑物MRI分别为300 a、700 a、1 700 a以及3 000 a，而适用于输电线路的专用标准则要求可采用100 a。

2 风荷载设计分析

2.1 基本风速(风压)

对于基本风压的计算，由于统计资料和统计时间较长，美国规范和中国规范均根据气象台、站搜集到的历年最大风速资料，按耿贝尔极值I型概率分布计算得到一定重现期、观测平均时距和基准高度下的最大风速统计值，即为基本风速。中国规范对于±800 kV直流特高压线路的基本风速取空旷平坦地面上10 m高度处10 min时距的平均最大风速，MRI为100 a。而美国规范对线路的基本风速取空旷平坦地面上10 m高度处3 s时距的阵风风速，MRI同样为100 a，两者主要差别在于时距。对于不同时距平均风速的对比关系，美国规范[1]提供了近似的比值关系，美国规范与中国规范对于±800 kV直流特高压线路的设计风速比值大约为1.43。

2.2 地形地貌和高度影响因素

中美规范均对地形地貌进行了分类，并在风速(风压)高度变化系数中考虑地面粗糙度的影响。体现在计算公式中，都是采用指数公式来计算风压高度变化系数。

式中：zh为距地面高度；zg为常数；K、α为与地面粗糙类别有关的系数，参数对比见表1所列。需要注意的是，中美规范对于架空输电线路地面粗糙类别分类不一样：中国规范按照B类地面粗糙类别设计，美国规范按照C类地面粗糙类别设计。

表1 风压高度变化系数的计算参数

将常数带入后可知μz/Kz=0.810 7×zh0.09，中美规范风压高度变化系数随高度的变化关系如图1所示。

图1 风压高度变化系数对比图

由图1可知：1)中国规范和美国规范的风压高度变化系数均随距地面高度的增加而增大，高度越高，增加得越慢；2)根据公式计算，当计算高度大于10.24 m时，中国规范风压高度变化系数与美国规范相同。随着高度越高，比值越大，中国规范与美国规范比值接近1.07～1.15。

2.3 风载体型系数

2.3.1 线条和绝缘子串

中国规范对于线条风载体型系数μsc，线径小于17 mm应取1.1，线径大于或等于17 mm取1.0。±800 kV特高压线路导线线径通常均大于17 mm，即导线风载体型系数μsc取为1.0，地线风载体形系数μsc取为1.1。而美国规范线条的风载体型系数cf取1.0。也就是，中国规范和美国规范导线风载体形系数一致均为1.0，中国规范地线风载体形系数1.1大于美国规范地线风载体形系数1.0。

2.3.2 杆塔

中国规范规定了具体的取值方法：对于角钢塔为1.3，由角钢组成四面方形自立式杆塔为1.3(1+η)。其中，η为塔架背风面荷载降低系数，与填充系数有关。而美国规范直接给出了杆塔风载体型系数(阻力系数)与填充系数相关的计算公式Cf=4.0φ2-5.9φ+4.0，φ为填充系数。中美规范杆塔风载体型系数，如图1所示。

由图2可知：1)中国规范和美国规范的结构式杆塔风载体型系数，均随着填充系数的增大而降低；2)当填充系数大于0.2时，中国规范与美国规范比值接近0.7，且基本恒定。

图2 中美规范杆塔风载体型系数

2.4 动力特性

输电线路为柔性结构，风荷载的脉动性对其影响巨大。中国规范和美国规范分别采用风振系数(线条风可视为阵风系数βC、档距折减系数αL乘积)和阵风响应系数G来表征输电线路结构脉动风振。

2.4.1 导地线

中国规范中，线条的档距折减系数αL和阵风系数βC主要与水平档距、平均高度相关。当平均高度不变时，水平档距越大，αL×βC越小。当水平档距不变时，平均高度越大，αL×βC越小。

美国规范中，线条的阵风响应系数Gw也与水平档距、有效高度相关。当平均高度不变时，水平档距越大，Gw越小。但是，当水平档距不变时，平均高度越大，Gw反而越大，结果见表2所列。

表2 中国规范αL×βC和美国规范Gw对比表

中国规范αL×βC均大于美国规范Gw，具体比值如图3所示。

图3 线条风动态特性系数比值(αL×βC/Gw)图

由图可知，中国规范与美国规范线条风动态特性系数比值αL×βC/Gw在1.53～1.67左右，且随着档距越大比值越大，导地线高度越大反而比值越小。

2.4.2 杆塔

中国规范的杆塔风振系数βZ采用团集质量法，将杆塔分段简化为若干个质量和面积等效的点，从而形成基于杆塔外形的“质点串”，仅考虑结构第一振型一阶自振频率。其计算值与高度、质量、迎风面积、自振频率等密切相关，因此对于不同杆塔、同一杆塔的不同部分，风振系数计算值均可能不同。

美国规范的杆塔阵风响应系数Gt，则与杆塔计算高度Zh有关，且通常按照全高三分之二的高度作为计算高度，获得的阵风响应系数Gt可简化作为计算全塔的统一值，相对计算简单。其阵风响应系数Gt均小于1，基本为0.8～0.84，且均随杆塔高度的增加而缓慢减小。

中国规范的杆塔风振系数βZ大于1.0，体现了动力特性对风荷载的增大效应，而美国规范的杆塔阵风响应系数Gt小于1.0，体现了动力特性对风荷载的减小效应。原因主要在于中国规范采用10 min平均风速，而美国规范采用3 s的阵风风速。

3 结构风荷载计算分析

以典型30 m/s风速、0 mm覆冰气象条件的直线角钢塔为例，单线图如图4所示。

图4 直线塔杆塔单线图

结合上文对中美规范的对比分析，具体设计参数取值见表3所列。为统一计算水平，将中国规范10 min平均最大风速换算为美国规范0.3 s的阵风风速。

表3 设计参数

3.1 导线风荷载与计算高度

计算高度对导线风荷载的影响主要体现在阵风系数βC、档距折减系数αL(美国规范阵风响应系数GW)以及风压高度变化系数KZ或μZ，常用经济水平档距为460 m时，导线风荷载计算结果如图5所示。

图5 不同计算高度的线条风荷载

如图可知：1)计算高度越高，中国规范和美国规范的线条风荷载就越大，基本成线性关系；2)对于线条风荷载标准值，各个高度的中国规范取值均小于美国规范，其比值约为0.92且基本恒定；3)对于线条风荷载设计值，受分项系数、重要性系数差异影响，趋势有所变化。各个高度的中国规范取值均大于美国规范，其比值约为1.42且基本恒定。

3.2 线条风荷载与水平档距

水平档距对线条风荷载的影响主要体现在风振响应系数GW/风荷载调整系数βC，结合±800 kV架空输电线路对地距离、实际杆塔排位应用情况，直线塔平均计算高度接近45 m，线条风荷载计算结果如图6所示。

图6 不同水平档距的线条风荷载

如图可知：1)水平档距越大，中国规范和美国规范的线条风荷载就越大，基本成线性关系；2)对于线条风荷载标准值，各个水平档距的中国规范取值均小于美国规范，其比值约为0.92且基本恒定；3)对于线条风荷载设计值，受分项系数、重要性系数差异影响，趋势有所变化。各个水平档距的中国规范取值均大于美国规范，其比值约为1.42且基本恒定。

3.3 塔身风荷载

以Z30101A-66塔型为例，塔身风荷载计算结果如图7所示，其中横担风荷载仅占塔身风荷载的7%左右，在这里暂不计入。

图7 Z30101A-66塔身风荷载(各风压段)

由图可知：1)对于塔身风荷载标准值，中国规范取值均小于美国规范。位置越低，差距越大，在杆塔腿部位置，中国规范取值与美国规范的比值约为0.4。随着高度越高，差距逐渐缩小，当大于60 m时，中国规范取值与美国规范基本相等；2)对于塔身风压设计值，当计算高度小于40 m时，中国规范取值小于美国规范，在杆塔腿部位置，中国规范取值与美国规范的比值约为0.6。随着高度越高，差距越小，当计算高度大于40 m时，中国规范的取值反而大于美国规范；3)随着高度增加，中国规范与美国规范的塔身风荷载设计值比值由0.6基本线性增加至1.6，这是由于随着计算高度越高，美国规范的塔身阵风响应系数基本不变，而中国规范的塔身风振系数基本单调递增；4)对于Z30101A-66塔身风荷载总标准值(各风压段风荷载之和)，中国规范与美国规范比值约为0.65，而对于考虑结构重要性系数以及分项系数后的设计值，中国规范与美国规范比值约为0.99，基本相等。

3.4 典型杆塔整体分析

结合上述线条和塔身风荷载分析成果，基于Z30101A-66(水平档距为460 m)典型杆塔，通过中国规范设计方法进行内力分析，从而判断中美国规范风荷载对杆塔整体设计影响，输入条件及计算结果见表4所列。

表4 Z30101A-66典型杆塔输入条件及计算结果 kN

中国规范线条风荷载设计值为美国规范的1.41倍，而塔身风荷载基本相当。但是美国规范高空处计算的风荷载相对较小，而低空处计算的风荷载相对较大，受此塔身风荷载分布特点的影响，使得中国规范塔身的基础作用力仅约为美国规范的1.39倍和1.28倍。

4 结论

1)美国规范主要通过调整MRI来提升结构可靠性，而中国规范主要通过结构重要性系数、分项系数调整风荷载效应以保证结构可靠度。美国规范要求常规杆塔风荷载分项系数为1.0，MRI为100 a；中国规范对于±800 kV特高压线路设计，风荷载分项系数为1.4，MRI为100 a，重要性系数为1.1。

2)中国规范与美国规范的线条风荷载的比值基本稳定，不同高度与水平档距的影响不大。塔身风荷载由于中国规范采用团集质量法，通过结构振型计算风振系数，所以塔身风荷载分布差异较大。

3)中国规范的线条风荷载标准值小于美国规范，比值基本恒定为0.92左右，但线条风荷载设计值却大于美国规范，比值基本恒定为1.42左右。

4)基于Z30101A-66杆塔的分析计算，中国规范与美国规范的塔身各风压段风荷载比值随着高度增加而增大，设计值比值由0.6线性增加至1.6，这是由于随着计算高度越高，美国规范的塔身阵风响应系数基本不变，而中国规范的塔身风振系数基本单调递增。即使各分压段风荷载分布规律不同，但中国规范与美国规范的塔身风荷载总设计值(各风压段之和)之比约为0.99，基本相等。

5)通过对线条风荷载以及塔身风荷载的综合分析，对于Z30101A-66典型杆塔的计算，中国规范的塔身基础作用力为美国规范的1.39倍和1.28倍。也就是，按照美国规范[1]中的《输电线路设施预标准最小设计荷载草案》来设计±800 kV架空特高压输电线路，其风荷载水平低于中国规范约23%。