基于歐美標準的桿塔導地線荷載組合程序開發(fā)

廖邢軍，馬海云，劉洪昌，鄢秀慶，李彥民

(中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的推進，中國電力企業(yè)在歐洲、東南亞及非洲地區(qū)承擔了大量的輸電線路工程設(shè)計工作。然而在國外工程中，中國標準尚未被廣泛接受，較多國家明確提出采用BS EN 50341和ASCE-74等標準(以下簡稱歐美標準)進行桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計。在桿塔結(jié)構(gòu)荷載和構(gòu)件計算方面，中美歐標準存在顯著差異[1-11]，現(xiàn)行的基于中國標準的設(shè)計軟件將不再適用。

目前在國外工程中，導地線荷載計算主要采用excel表格手工計算的方法。但是由于桿塔結(jié)構(gòu)荷載組合時因斷線、安裝和不均勻覆冰的情況多，工況數(shù)多，且工況數(shù)隨回路數(shù)幾乎呈指數(shù)性增長趨勢，對于多回路桿塔，采用excel表格手工計算效率低下。

目前，基于中國標準，各設(shè)計單位開發(fā)了一系列導地線荷載組合程序[12-13]，但都無法適用于歐美標準。下面在詳細分析中美歐導地線荷載組合方法差異的基礎(chǔ)上，利用VB.NET語言，編寫了一套基于歐美標準的輸電線路桿塔導地線荷載組合計算程序。最后，通過工程實踐驗證了該程序的適用性和可靠性。

1 中美歐輸電桿塔導地線荷載組合對比分析

1.1 荷載分類

按隨時間的變異分類，作用于桿塔結(jié)構(gòu)上的荷載總體上可分為永久荷載、可變荷載和偶然荷載。中美歐標準均將線重、塔重、金具和絕緣子自重荷載視為永久荷載；將風、冰、雪荷載視為可變荷載。中歐標準均將安裝檢修時的附加荷載、臨時拉線張力和錨線張力視為可變荷載。不同的是，中國標準將導地線張力當作獨立的變量，視為可變荷載;歐美標準將導地線張力視為線重、溫度變化和風冰荷載的因變量荷載，導地線張力同時具有永久荷載和可變荷載成分。同時中國標準將斷線張力視為可變荷載，歐美標準視為偶然荷載，分項系數(shù)取值大于可變荷載；美國標準將施工荷載單獨定義，采用了與可變荷載不同的分項系數(shù)。

1.2 荷載組合總效應(yīng)設(shè)計表達式

中美歐標準中桿塔結(jié)構(gòu)均采用極限狀態(tài)法進行設(shè)計，歐美標準表達式與中國標準有較大差異。

歐州標準分為通用方法和經(jīng)驗方法[6-7]。雖然在BS EN 50341-1∶2012取消了經(jīng)驗方法，但歐盟一些國家規(guī)范如德國[8]仍采用經(jīng)驗方法。在通用方法中，又分為組合系數(shù)法和重現(xiàn)期法，從表達式來看，除可變荷載取值方法不同外，組合系數(shù)法和重現(xiàn)期法類似，均將張力荷載視為因變量，在張力計算時冰風荷載需考慮分項系數(shù)和組合系數(shù)。而在經(jīng)驗方法中，張力荷載則被視為獨立的變量，與中國規(guī)范類似。

美國標準根據(jù)荷載性質(zhì)的不同，設(shè)計表達式可分為氣候相關(guān)荷載、破壞控制荷載、施工和維修荷載和法定荷載4類[10]。其中分項系數(shù)取值根據(jù)重現(xiàn)期、施工安裝和斷線張力的安全系數(shù)確定。由于不同工況下的材料分項系數(shù)取值可能不同，為方便設(shè)計，可統(tǒng)一將材料分項系數(shù)等效為“安全系數(shù)”或“重要性系數(shù)”移到等式右邊。

1.3 荷載組合工況

中美歐標準所考慮的荷載工況大體相同，總體上可分為大風、低溫、覆冰、冰風組合、安裝和事故工況6類。

1)大風

大風工況時桿塔荷載為桿塔、導地線風荷載和自重荷載的組合。該工況下，導地線風荷載和張力荷載對桿塔設(shè)計的影響較大，而在耐張塔線條風荷載沿桿塔橫向和縱向分配上以及張力荷載計算方法上，中美歐標準存在較大差異，歐美標準按理論方法進行計算，考慮了轉(zhuǎn)角的影響。歐美標準規(guī)定風向為與橫擔方向的夾角，而中國標準規(guī)定風向為與線路前進方向的角度，兩者互成90°。中國規(guī)范導地線風荷載分配系數(shù)與風向有關(guān)，未明確線路轉(zhuǎn)角影響，中美歐標準有一定差異[14]。

中國標準規(guī)定懸垂塔應(yīng)計算與線路成0°、45°(或60°)及90°三種風向，耐張塔可只計算90°和0°風向。而在歐美標準中，并未明確風向，需設(shè)計人員自行判斷，也有一些歐洲國家規(guī)范明確了計算風向，如芬蘭標準[9]建議的風向有45°、70°、90°、110°和135°(等效為與線路前進方向的夾角)。

2)低溫

中國標準低溫計算時，不考慮冰風荷載，歐洲標準則需要考慮風荷載。

3)覆冰

中國標準中沒有無風覆冰工況，歐美標準有相關(guān)規(guī)定，包括均勻覆冰和不均勻覆冰情況。

4)冰風組合

中國標準考慮均勻覆冰、不均勻彎和扭等情況，一般考慮10 m/s的同時風速，工況不同組合系數(shù)取值不同。歐美標準也有類似的規(guī)定，如美國標準的最大覆冰和相應(yīng)風速組合。歐美標準除了考慮最大覆冰和相應(yīng)風速的組合工況，同時也考慮中等覆冰荷載與大風風速組合工況。在冰風荷載組合時，對冰、風和張力荷載，中國標準統(tǒng)一采用分項系數(shù)1.4和組合系數(shù)1.0(或0.9)；而在歐洲標準通用方法中，需判斷冰、風荷載誰占主導，進而采用不同的表達式。

5)安裝

因各國施工方法和水平的不同，中美歐標準在安裝荷載上有較大差異，如：安裝時中國規(guī)范規(guī)定同時風速取10 m/s，美國標準取15.6 m/s，歐洲標準則明確可忽略風、冰荷載。中國規(guī)范人重荷載標準值按不低于0.8 kN考慮且不與其他荷載組合；美國規(guī)范則按113.4 kg考慮分項系數(shù)1.5且要與其他荷載組合，導致在低電壓等級中桿塔結(jié)構(gòu)中人重控制桿件多；歐洲標準與中國標準基本相同。安裝時，中國標準可變荷載分項系數(shù)取1.4，組合系數(shù)取0.9，同時考慮動力系數(shù)和過牽引系數(shù)；歐美國標準分項系數(shù)取值與施工方法相關(guān)，通常取1.5，有時也取2.0，不考慮動力系數(shù)和過牽引系數(shù)。另外，安裝附加荷載取值也不盡相同。

6)事故

中國標準的事故工況指無風覆冰斷線工況，且規(guī)定為同一檔內(nèi)斷線，對不同回路數(shù)的線路規(guī)定的斷線數(shù)不同，回路數(shù)越多，斷線數(shù)越多，斷線張力按最大使用張力的百分比進行考慮。歐洲標準規(guī)定在計算斷線扭轉(zhuǎn)時，不考慮冰風荷載，而在計算斷線彎時則需要考慮覆冰荷載，斷線張力也是按最大使用張力的百分比進行考慮。美國標準也有類似的失效遏制荷載，包括墜落保護荷載和縱向荷載，其中縱向荷載除了包含斷線荷載外，還包含不均勻風、不均勻冰和不均勻溫度引起的縱向張力。歐美規(guī)范也有斷線數(shù)目的規(guī)定。

從以上分析中看出，歐美標準荷載分類、荷載組合表達式和組合工況與中國標準差異較大，總結(jié)見表1。

表1 中美歐標準荷載組合比較

2 歐美桿塔導地線荷載組合程序Gload介紹

2.1 程序結(jié)構(gòu)

隨著國外輸電線路工程設(shè)計工作的開展，亟需一套高效、可操作性強、通用的基于歐美標準的桿塔導地線荷載組合程序。文獻[13]于2016年開發(fā)了一套基于中國標準的適用于各種塔型的桿塔導地線荷載組合程序，然而由于中美歐標準的差異，該程序已無法滿足國外工程的需要。故參考該程序結(jié)構(gòu)，基于功能強大的VB.NET語言進行編程。

導地線荷載組合計算隨塔型、氣象條件、回路數(shù)、施工方法、掛點形式等的不同而不同，甚至歐美不同國家和地區(qū)的規(guī)定也存在較大差異。為了通用性，根據(jù)受力性質(zhì)的不同，所開發(fā)程序?qū)U塔分為懸垂塔和耐張塔兩類，各類均由工況組合、掛點轉(zhuǎn)換、荷載分配、塔庫文件、數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果輸出共6個模塊構(gòu)成。其中工況組合、掛點轉(zhuǎn)換和荷載分配為程序內(nèi)核，屬于第一層次，為程序最根本算法；塔庫文件由一系列可加密解密的塔文件組成，各塔文件規(guī)定了不同塔型的控制信息和工況組合信息，主設(shè)人可根據(jù)工程需求簡單地進行編寫，屬于第二層次；數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果輸出為第三層次，即設(shè)計人員根據(jù)需要選擇塔文件和規(guī)程輸入相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)用程序內(nèi)核完成工況組合計算。其主要流程如圖1所示。

圖1 程序流程

2.2 程序關(guān)鍵技術(shù)

所開發(fā)程序具有通用性、可視化和安全性等特點。通過3個層次的設(shè)定，程序能適用于不同地區(qū)各種塔型和回路數(shù)的桿塔導地線荷載計算，甚至適用于交直流混壓塔型，其關(guān)鍵技術(shù)如下。

1)導地線上的風冰荷載、自重荷載、張力荷載、施工荷載和事故荷載等需要通過工況組合計算才能轉(zhuǎn)換成作用于桿塔的橫向、縱向和垂直荷載。工況組合計算過程中，需要考慮線路轉(zhuǎn)角、荷載工況、風向、檔距情況、各相或線所處狀態(tài)等眾多工況。所開發(fā)程序借鑒了國內(nèi)程序工況狀態(tài)符號化的思想[13]，結(jié)合國外規(guī)范，對符號化原則進行了優(yōu)化。以懸垂塔為例，在典型工況下的工況組合算法如表2所示。

表2 懸垂塔符號化原則

2)歐美標準中各類方法存在一定差異，甚至各地區(qū)標書要求也與標準存在差異，這給程序開發(fā)帶來了極大挑戰(zhàn)，所研發(fā)程序通過控制變量法成功解決這一問題。雖然歐美標準中各類方法存在一定差異，但其荷載組合的基本原理是一致的，通過歸納分析發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的導地線荷載組合計算可采用通用的表達式。因此，將各類系數(shù)、風冰荷載、張力荷載、自重荷載等均設(shè)置為變量，通過變量取值的不同來體現(xiàn)規(guī)程和業(yè)主標書要求的差異。以耐張塔正常運行大風工況為例，參考相關(guān)文獻[14]研究結(jié)論，其導地線荷載表達式及變量情況可表示為如表3所示，其余工況情況不再贅述。

表3 耐張塔大風工況表達式

不同標準下，各分項系數(shù)取值如表4所示。

表4 不同標準分項系數(shù)取值

3)荷載組合得到線條荷載后，需根據(jù)掛點型式將荷載分配到桿塔節(jié)點上去，文獻[13]通過逐工況逐方向指定掛點及荷載分配比例的方法實現(xiàn)了工程中常用掛點型式的荷載分配。但尚未能解決懸垂塔施工提線轉(zhuǎn)向荷載計算、耐張塔雙V串跳線吊裝計算等工程設(shè)計難點問題，所開發(fā)程序在此基礎(chǔ)上進一步進行了優(yōu)化。

以單回路酒杯懸垂塔為例，在500 kV及以上線路工作中，為避免導線二倍吊裝工況控制橫擔受力導致塔重增加，在設(shè)計中?？紤]在橫擔根部構(gòu)件上設(shè)置轉(zhuǎn)向掛點，如圖2所示。

圖2 施工提線轉(zhuǎn)向示意

假定荷載組合計算得到的導線荷載設(shè)計值為FX、FY、FZ，因滑輪轉(zhuǎn)向作用，導線吊點處所受荷載合力變?yōu)椋?/p>

FX1=FX+FZ×sinβ

FY1=FY

FZ1=FZ-FZ×cosβ

導線轉(zhuǎn)向掛點處所受荷載為：

FX2=-FZ×sinβ

FY2=0

FZ2=FZ+FZ×cosβ

式中，β為拉線拉力方向與豎向的順時針方向夾角，對左、中、右導取值如圖2所示。通過滑輪的轉(zhuǎn)向作用，吊裝時的豎向荷載由導線掛點和轉(zhuǎn)向掛點共同承擔，從而減小了導線掛點處荷載和鐵塔整體受力，節(jié)約了塔材。

懸垂塔一般在過滑車工況的正過滑車相和施工提線的施工相需要計算轉(zhuǎn)向荷載，其余工況不需考慮。針對此問題，程序通過對相關(guān)工況的相關(guān)相導線采用特殊的狀態(tài)代號進行處理，成功解決了以上難題，避免手工干預(yù)和計算，提高了效率。耐張塔雙V串跳線吊裝存在I點吊裝、V點同時吊裝、V點前后側(cè)分開吊裝等多種情況，隨工程原則不同而不同，也是通過采用特殊的狀態(tài)代號進行區(qū)分的。

4)塔型、氣象條件、回路數(shù)、施工方法、工程地區(qū)不同，導地線荷載組合計算的內(nèi)容就不同。為能在第二層次實現(xiàn)這一目標，程序通過塔文件將核心算法和工程設(shè)計需求進行了區(qū)分。一個塔文件反映了特定地區(qū)、特定氣象條件、特定回路數(shù)、特定塔型和特定施工方法下的荷載組合信息情況，主要由控制信息和工況組合信息兩部份組成?？刂菩畔⒁?guī)定了塔型(懸垂或耐張)、氣象條件和回路數(shù)等信息，工況組合信息則規(guī)定了大風、低溫、覆冰、冰風組合、事故和安裝等各工況各相(或線)的荷載組合具體算法，根據(jù)工程設(shè)計需要可靈活修編，如表5所示。一系列塔文件構(gòu)成塔庫文件，在后續(xù)工程設(shè)計中可隨時調(diào)用。

表5 CC塔工況組合信息

3 工程實例應(yīng)用

選取印尼棉蘭某工程雙回交流耐張CC塔對程序的實用性及計算結(jié)果準確性進行測試。

該塔轉(zhuǎn)角度數(shù)為20°～ 40°，根據(jù)設(shè)計原則，需要計算大小轉(zhuǎn)角情況下的大風工況(含90°、270°、0°風向)、斷線工況(斷兩相導線或斷一相導線和一根地線)、跳線吊裝工況、錨線工況(先自上而下、再從左到右)共88種工況。計算標準采用美國標準，分項系數(shù)根據(jù)業(yè)主要求取值。軟件操作流程如下。

1)根據(jù)桿塔計算原則對工況的規(guī)定編制“棉蘭交流雙回耐張塔”塔文件，并通過進制轉(zhuǎn)換加密后導入塔庫中。塔文件中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表5所示。

2)打開程序主界面，選擇已建塔文件，根據(jù)桿塔計算原則設(shè)置規(guī)程、安全系數(shù)、分項系數(shù)、電氣負荷、掛點等參數(shù)取值，最后點擊荷載即可完成導地線荷載計算。經(jīng)比較，程序計算與excel手算結(jié)果一致。

除此之外，該程序的準確性和適用性在緬甸等一些緊急投標工程中也得到驗證。以緬甸某雙回500 kV線路工程投標為例，根據(jù)標書要求，采用歐州標準經(jīng)驗方法，需要考慮90°與45°大風工況、安裝工況以及90°與45°大風斷線工況，懸垂塔考慮一相導線或一根地線，耐張塔考慮斷三相導線或斷一根地線和兩相導線。鐵塔指標需要設(shè)計進行測算，由于投標時間緊張，采用excel手算將無法滿足工期要求。通過該程序快速編制了塔庫文件，在短時間內(nèi)即完成了指標測算工作。由于計算時生成了詳細的計算書，方便了設(shè)計人員校核，也確保了計算的正確性。

4 結(jié) 論

歐美桿塔導地線荷載組合程序Gload是專門針對在國外工程中桿塔結(jié)構(gòu)導地線荷載組合計算軟件。根據(jù)桿塔導地線荷載組合計算的特點和歐美標準，通過將工況組合符號化、逐工況逐方向分配荷載和根據(jù)桿塔特點建立塔文件的思想，快速實現(xiàn)了各類桿塔結(jié)構(gòu)的導地線荷載計算，并可根據(jù)需求變化靈活調(diào)整，克服了excel表格計算通用性差和效率低下的問題，為國外工程設(shè)計提供參考。當然隨著國外工程經(jīng)驗的積累，該程序還需進一步優(yōu)化完善。