送電線路桿塔結(jié)構(gòu)可靠度影響參數(shù)及規(guī)律研究

苗長勝

[摘 要]當(dāng)前我國超/特高壓送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)尚不明確。為了研究送電線路桿塔結(jié)構(gòu)可靠度探索影響規(guī)律。對送電線路桿塔設(shè)計與施工進(jìn)行全方位分析，探索結(jié)構(gòu)設(shè)計中安全性、適用性和耐久性的關(guān)系。在保證安全的前提下，盡可能減少造價，使項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)利益得到最大化。研究得出：送電線路桿塔結(jié)構(gòu)主控荷載為風(fēng)荷載，對桿塔結(jié)構(gòu)可靠度產(chǎn)生直接影響。輸電線路鐵塔是整個輸電線路的支點(diǎn)，對整個系統(tǒng)正常運(yùn)行有著重要意義。

[關(guān)鍵詞]送電線路；桿塔；結(jié)構(gòu)可靠度；影響；規(guī)律

中圖分類號：TU347 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）29-0129-01

1.前言

中國交流送電線路大多運(yùn)用電壓上限為500KV。而長距離、高容量的送電，需要超高壓（送電電壓在330-1000KV）和特高壓（送電電壓在1000KV及以上）輸變電項(xiàng)目。超/特高壓送電線路送電能力強(qiáng)，效益高，損耗小?，F(xiàn)實(shí)和發(fā)展意義巨大，符合國家長遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)需要[1]。

當(dāng)前500KV及以下電壓送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計可參照DL/T 5092-1999《110-00KV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》及DL/T5154-2002《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，其實(shí)際設(shè)計與施工方面經(jīng)驗(yàn)也較為豐富。但特高壓送電項(xiàng)目在世界范圍內(nèi)處于探索試驗(yàn)階段，特別是桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)尚不明確，各國相關(guān)規(guī)范不一。使得在實(shí)際設(shè)計施工中必須對單一項(xiàng)目定制化研究，并考慮一切可能發(fā)生的問題，極大的影響了工作進(jìn)度，增加了工作量。設(shè)計原則上需明確桿塔結(jié)構(gòu)可靠度問題。當(dāng)前我國的做法是單純參照500KV及以下項(xiàng)目桿塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計表達(dá)式及取值予以放大。經(jīng)驗(yàn)積累不足，缺乏規(guī)律性認(rèn)識，其風(fēng)荷載取值及其他設(shè)計參數(shù)的確定是迫切需要解決的問題[2]。

本文針對當(dāng)前現(xiàn)狀，旨在歸納提出適應(yīng)送電線路桿塔結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計的影響參數(shù)并做規(guī)律性分析，為行業(yè)提供有效支撐。

2.送電線路桿塔結(jié)構(gòu)可靠性的概念

結(jié)構(gòu)設(shè)計廣泛運(yùn)用與生產(chǎn)生活中，震動、載荷、耐久性等因素是評定結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)可靠性指的是：結(jié)構(gòu)在一定使用期限及其使用環(huán)境條件下完成預(yù)設(shè)功能的能力。所以結(jié)構(gòu)可靠性是關(guān)于結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性的總稱。在實(shí)際施工與設(shè)計中，為了方便定量計算分析，引入此概念[3]。

送電線路桿塔結(jié)構(gòu)可靠性也在上述范疇之內(nèi)。具體表現(xiàn)在：

1、鐵塔強(qiáng)度問題，？鐵塔強(qiáng)度問題，鐵塔是導(dǎo)線和避雷線等在輸電線路長期運(yùn)行的工作中直接支撐物，對荷載能力要求高，但又要考慮經(jīng)濟(jì)性故允許一定范圍內(nèi)的變形程度。所以項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計中，強(qiáng)度問題設(shè)計必須考慮材料、受力形式及鐵塔的結(jié)構(gòu)形式。

2、鐵塔基礎(chǔ)的問題，輸電線因路經(jīng)不同各段基礎(chǔ)型式也不同。所以需要結(jié)合各個地區(qū)的地形、因地質(zhì)環(huán)境而產(chǎn)生的施工條件和鐵塔的型號等因素才能確定。

3、連線工程，主要內(nèi)容包括架空線與壓接式耐張線夾的連接，架空導(dǎo)線間互連，導(dǎo)線與跳線間連接及架空導(dǎo)線損傷壓接修補(bǔ)余量等。在完成進(jìn)線后，還要進(jìn)行跳線，防止在導(dǎo)線正常工作時產(chǎn)生熱量累積而發(fā)生的火災(zāi)。接地導(dǎo)線的跳線需與鐵塔地線相連[4]。

3.送電線路桿塔結(jié)構(gòu)可靠度影響因素及規(guī)律分析

桿塔結(jié)構(gòu)應(yīng)具備較高高度，較小橫截面積且橫向荷載起主要作用的細(xì)長構(gòu)筑物。桿塔結(jié)構(gòu)按其形式可分為自立式塔架結(jié)構(gòu)和桅式結(jié)構(gòu)。自立式塔架結(jié)構(gòu)造型美觀、占地小，但造價較貴。桅式結(jié)構(gòu)造價較低，但斜向拉線占地面積較大。

結(jié)構(gòu)可靠度影響分析首要考慮荷載，主要包括永久荷載效應(yīng)和可變荷載。其中，可變荷載有風(fēng)荷載、裹冰荷載、導(dǎo)地線張力荷載（由于只考慮線路運(yùn)行過程中桿塔結(jié)構(gòu)的可靠性，此處不考慮桿塔施工過程中的施工荷載），根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計原則可知，在線路運(yùn)行過程中通常某一時刻只有單一可變荷載起控制作用。因?yàn)闂U塔承受的各永久荷載變異系數(shù)小，所以將各種永久荷載作用統(tǒng)一看作為一種荷載效應(yīng)。

一般性桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計中，認(rèn)為同一主材段是同一失效模式，可靠度計算可采用Ditlevsen算法，通過前人研究可得，影響結(jié)構(gòu)體系可靠度的因素有：

1、若設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度有影響則對整體結(jié)構(gòu)體系可靠度也有一定影響，而結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)和設(shè)計風(fēng)速的取值兩項(xiàng)參數(shù)就有重要影響。

2、Ditlevsen算法中，可靠度計算，還涉及到結(jié)構(gòu)體系的失效模式。解釋為：失效模式大致等于主材的節(jié)間數(shù)（段數(shù)）。

綜上所述體系可靠度計算是在桿件的可靠度計算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因?yàn)闆]有考慮塔體的具體差異，所以利用Ditlevsen算法計算得出某一失效模式數(shù)下的體系失效概率上下限有一定誤差，但誤差可控，可以繼續(xù)計算進(jìn)而得到的相應(yīng)的可靠指標(biāo)的上限和下限。計算發(fā)現(xiàn)，可靠指標(biāo)的上下限非常接近。所以規(guī)律分析具體為：體系可靠度計算中考慮的參數(shù)組合與設(shè)計參數(shù)對體系可靠度的影響規(guī)律，因?yàn)楦黜?xiàng)目設(shè)計不同所以設(shè)計方面規(guī)律分析不展開討論。

4.基于可靠度的塔架結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用分析

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計結(jié)構(gòu)應(yīng)在保證安全的前提下，盡可能減少造價，使項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)利益得到最大化。滿足工程投資方預(yù)期，增加中標(biāo)概率。結(jié)構(gòu)材料用量與安全性在一定程度上成正比，同時工程造價也會提高。所以，必須要找到安全和造價間的平衡點(diǎn)，這也是基于可靠度的塔架結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用的精髓。

應(yīng)用流程上首先建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型，然后確定結(jié)構(gòu)的形式，所施加荷載確定，構(gòu)件的抗力，荷載的隨機(jī)特征等參數(shù)。然后通過計算得出整體設(shè)計方案。最后撰寫可研報告。

從進(jìn)年來優(yōu)化應(yīng)用情況上看，設(shè)計人員還是趨向與保守。在充分保證安全的前提下不敢對可靠度上下限設(shè)定太寬，在加上工期與工程建設(shè)材料價格起伏的影響，所以經(jīng)濟(jì)效益并不明顯。下步應(yīng)該：

1、充分研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，并程序化。

2、建立超/特高壓送電線路桿塔特例化模型數(shù)據(jù)庫，方便設(shè)計人員調(diào)用。

3、加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科研究工作，制定并完善相關(guān)行業(yè)規(guī)范。

5.結(jié)論

送電線路桿塔結(jié)構(gòu)主控荷載為風(fēng)荷載，對桿塔結(jié)構(gòu)可靠度產(chǎn)生直接影響。輸電線路鐵塔是整個輸電線路的支點(diǎn)，對整個系統(tǒng)正常運(yùn)行有著重要意義。隨著當(dāng)今經(jīng)濟(jì)和工業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，環(huán)境也隨之不斷變化，這對我國的電力輸送系統(tǒng)及輸電設(shè)備等方面的安全都到來了影響，且實(shí)際施工過程中也不斷出現(xiàn)新的問題，所以對設(shè)計要求越來越高。下一步必須進(jìn)一步提高鐵塔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及可靠性，考慮安全余量充分的情況下，經(jīng)濟(jì)合理的保證輸電工作正常進(jìn)行。

為增強(qiáng)電網(wǎng)抵御自然災(zāi)害的能力，建議：我國現(xiàn)行規(guī)范修訂時，宜將冰、風(fēng)荷載的載荷設(shè)計提高為50年一遇；對于特別重要的骨干電網(wǎng)和環(huán)境條件特別惡劣的架空送電線路鐵塔結(jié)構(gòu)，冰、風(fēng)荷載的重現(xiàn)期宜提高為100年一遇。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅紫電.探討送電線路桿塔結(jié)構(gòu)可靠度影響參數(shù)及規(guī)律[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2015（15）.

[2] 梁偉峰.分析影響送電線路桿塔結(jié)構(gòu)可靠度的參數(shù)[J].全文版：工程技術(shù)，2015（14）：238-238.

[3] 王松濤，高斐略，李正良，等.現(xiàn)行輸電塔設(shè)計規(guī)范可靠度水準(zhǔn)的評估與分析[J].廣東電力，2015（7）：100-108.

[4] 白海峰，李宏男.輸電線路桿塔疲勞可靠性研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2008，28（6）：25-31.