新版輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)桿塔設(shè)計(jì)的影響分析

尹鵬 李旭 李喜來 楊靖波

電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院 北京100120

引言

《架空輸電線路荷載規(guī)范》（DL/T 5551—2018）［1］和《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5486—2020）［2］是目前輸電線路桿塔設(shè)計(jì)主要遵循的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。DL/T 5551—2018［1］整合了不同電壓等級(jí)、各類氣象區(qū)域和不同類型的架空輸電線路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于荷載設(shè)計(jì)方面的技術(shù)要求，規(guī)定了架空輸電線路荷載設(shè)計(jì)的基本要求和計(jì)算方法。DL/T 5486—2020［2］是對(duì)原《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5154—2012）［3］的修訂，整合了按電壓等級(jí)、交流與直流、角鋼與鋼管等分類的原6 項(xiàng)桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)程，規(guī)定了架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求、原則和計(jì)算方法。兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)線條風(fēng)荷載、塔身風(fēng)荷載、構(gòu)件強(qiáng)度承載力計(jì)算、受壓構(gòu)件穩(wěn)定折減系數(shù)、塔腳板計(jì)算方法等進(jìn)行了修訂。本文綜合對(duì)比新舊規(guī)范［1-4］主要條文的差異，通過典型設(shè)計(jì)條件和塔型的計(jì)算，分析規(guī)范修訂對(duì)桿塔設(shè)計(jì)的影響，以期達(dá)到深入和全面理解新規(guī)范［1，2］的目的。

1 DL/T 5551—2018［1］主要修訂內(nèi)容對(duì)比分析

1.1 線條風(fēng)荷載

《110～750kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50545—2010）［4］第10.1.18 條和DL/T 5551—2018［1］第6.1.1 條規(guī)定了線條風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算：通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新舊荷載規(guī)范［1，4］線條風(fēng)荷載計(jì)算公式在風(fēng)荷載不均勻性、風(fēng)壓高度變化、體型系數(shù)、調(diào)整系數(shù)、覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)等方面有差異，對(duì)比如表1 所示。

從表1可以看出，GB 50545—2010［4］用風(fēng)壓不均勻系數(shù)α 來表征風(fēng)壓不均勻度，DL/T 5551—2018［1］引入了導(dǎo)地線陣風(fēng)系數(shù)βC、檔距折減系數(shù)αL來表征風(fēng)壓不均勻度；粗糙度系數(shù)由原來的0.16減小為0.15，與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）保持一致；體型系數(shù)取值DL/T 5551—2018［1］變?。籇L/T 5551—2018［1］取消了風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)；覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)，DL/T 5551—2018［1］明確張力計(jì)算和無(wú)冰時(shí)取值為1.0。為直觀表達(dá)DL/T 5551—2018［1］修訂后，線條荷載與電壓等級(jí)和導(dǎo)線平均高度的關(guān)系，以27m/s、覆10mm，水平檔距400m 為例，計(jì)算新舊荷載規(guī)范［1，4］大風(fēng)工況下的單位線條風(fēng)荷載，結(jié)果見圖1。

表1 新舊荷載規(guī)范［1，4］線條風(fēng)荷載計(jì)算公式對(duì)比Tab.1 Comparison of Wire and ground wind loads calculation formulas of new and old standard［1，4］

圖1 桿塔線條風(fēng)荷載對(duì)比Fig.1 Comparison of wind load on wire of tower

從圖1 可以看出，相比GB 50545—2010［4］，330kV及以下線路，線條風(fēng)荷載隨導(dǎo)線高度的增幅在14%～25%左右，500kV線路，線條風(fēng)荷載隨導(dǎo)線高度的增幅在1%～9%左右，1000kV、

±800kV等特高壓線路，線條風(fēng)荷載隨導(dǎo)線高度的增幅在1%～7%左右，所有電壓等級(jí)的增幅隨導(dǎo)線升高而減小，原因主要為隨導(dǎo)線高度的增加風(fēng)場(chǎng)湍流強(qiáng)度逐漸減小。

1.2 塔身風(fēng)荷載

GB 50545—2010［4］第10.1.19 條和DL/T 5551—2018［1］第6.2 條規(guī)定了桿塔風(fēng)荷載的計(jì)算方法，新舊荷載規(guī)范［1，4］桿塔風(fēng)荷載計(jì)算公式相同，但DL/T 5551—2018［1］風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βz的取值方法發(fā)生了明顯變化，基于隨機(jī)振動(dòng)理論和當(dāng)前計(jì)算機(jī)軟硬件水平，采用團(tuán)集質(zhì)量法計(jì)算架空輸電桿塔風(fēng)振系數(shù)，無(wú)論桿塔高是否超過60m，均采用由下到上逐段增大的數(shù)值，計(jì)算方法科學(xué)合理。為比較DL/T 5551—2018［1］計(jì)算所得的桿塔荷載與原有規(guī)范計(jì)算結(jié)果大小的差異，選取B類地貌下不同電壓等級(jí)的直線塔作為算例。因除μz、βz外，新舊荷載規(guī)范［1，4］對(duì)于其余參數(shù)的取值相同，僅計(jì)算μz·βz即可反映風(fēng)荷載大小的差異，計(jì)算結(jié)果見表2。

從表2 計(jì)算結(jié)果看出，較GB 50545—2010［4］相比，DL/T 5551—2018［1］風(fēng)振系數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)500kV低呼高塔和220kV、110kV 塔影響較大，最大可增加30%；對(duì)±800kV、1000kV 影響較小，比GB 50545—2010［4］計(jì)算結(jié)果小2%～7%。其根本原因?yàn)?20kV、110kV 塔相對(duì)較矮，風(fēng)場(chǎng)湍流強(qiáng)度大，GB 50545—2010［4］風(fēng)振效應(yīng)考慮不足，隨著高度增加，風(fēng)場(chǎng)湍流強(qiáng)度逐漸減小，故特高壓塔和高塔影響較小。DL/T 5551—2018［1］按照隨機(jī)振動(dòng)理論計(jì)算桿塔風(fēng)振系數(shù)，較科學(xué)。

表2 新舊荷載規(guī)范［1，4］μz·βz 影響計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of the μz·βz calculation results of the new and old specifications［1，4］

2 DL/T 5486—2020［2］主要修訂內(nèi)容對(duì)比分析

2.1 軸心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算

DL/T 5486—2020［2］第6.1.1 條和DL/T 5154—2012［3］第6.1.1 條規(guī)定了桿塔構(gòu)件強(qiáng)度的計(jì)算方法，DL/T 5154—2012［3］為了簡(jiǎn)化計(jì)算方法，采用凈截面應(yīng)力不超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度的計(jì)算方法，Q420 及以下牌號(hào)鋼材的最小強(qiáng)屈比大于或接近1.25，應(yīng)用簡(jiǎn)化方法是安全的，但對(duì)于更高等級(jí)的鋼材，其強(qiáng)屈比小于1.25，采用簡(jiǎn)化計(jì)算公式將不再安全。DL/T 5486—2020［2］參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017—2017）的相關(guān)規(guī)定，按照毛截面屈服和凈截面斷裂兩種承載力極限狀態(tài)分別計(jì)算構(gòu)件強(qiáng)度。由于新舊桿塔規(guī)范［2，3］對(duì)單肢連接的受拉構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算變化較大，因此選取Q235、Q355 和Q420 不同規(guī)格的單排螺栓連接角鋼，計(jì)算其受拉強(qiáng)度承載力，對(duì)比新舊桿塔規(guī)范［2，3］的差異，計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 常規(guī)角鋼單肢連接受拉承載力Fig.2 The tensile capacity of angle single-leg connection members

從圖2 計(jì)算結(jié)果可以看出：（1）當(dāng)角鋼單排螺栓連接，且為1 顆螺栓時(shí)，除肢寬為40mm 的角鋼外，其受拉凈截面斷裂承載力降低，Q235角鋼降低10%，Q355 角鋼降低25%；其主要原因是當(dāng)角鋼單排螺栓連接，且為1 顆螺栓時(shí)，DL/T 5486—2020［2］構(gòu)件強(qiáng)度折減系數(shù)為0.5，DL/T 5154—2012［3］中強(qiáng)度折減系數(shù)當(dāng)肢寬小于等于40mm 時(shí)，取0.55，大于40mm 時(shí)取0.7。（2）當(dāng)角鋼單排螺栓連接，且為2 顆及以上螺栓連接時(shí)，其受拉凈截面斷裂承載力增加，Q235角鋼增加25%，Q355 角鋼增加5%；其主要原因?yàn)镈L/T 5154—2012［3］中受拉強(qiáng)度計(jì)算采用了簡(jiǎn)化計(jì)算公式，設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注。（3）當(dāng)角鋼單排螺栓連接，且為2 顆及以上螺栓連接時(shí)，Q420 角鋼的受拉凈截面斷裂承載力在肢厚16mm 及以下降低3%，其主要原因?yàn)镈L/T 5154—2012［3］中受拉強(qiáng)度計(jì)算采用了簡(jiǎn)化計(jì)算公式，對(duì)于Q420以下牌號(hào)的鋼材，其強(qiáng)屈比大于或接近1.25，是安全的，但對(duì)于更高強(qiáng)度等級(jí)的鋼材，其強(qiáng)屈比小于1.25，采用該簡(jiǎn)化公式將不再安全。

2.2 軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算

DL/T 5486—2020［2］修訂軸心受壓構(gòu)件的寬厚比限值，其計(jì)算公式詳見DL/T 5486—2020［2］第6.1.7 條。輸電線路鐵塔常用角鋼的寬厚比范圍為5.5～13.4，依據(jù)規(guī)范計(jì)算，當(dāng)Q355、Q420、Q460 材質(zhì)的角鋼寬厚比分別在10.7、9.7、9.3 以下時(shí)，寬厚比折減系數(shù)為1.0，為分析構(gòu)件強(qiáng)度折減系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)的乘積mn·Φ 隨構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比的變化規(guī)律，研究新舊桿塔規(guī)范［2，3］在不同材質(zhì)、不同寬厚比下mn·Φ 對(duì)受壓承載力的影響，選取L125 ×8（b/t=12.9）、160 ×10（b/t=13.4）、L200 ×14（b/t=12）b類角鋼截面進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 不同寬厚比角鋼mn·φ 隨構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比的變化Fig.3 mn·φ of angle steel member with differentwidth to thickness ratio varies with its slendernessratio

從圖3 計(jì)算結(jié)果可以看出：（1）DL/T 5154—2012［3］在長(zhǎng)細(xì)比0～30 范圍內(nèi)，受壓承載力折減系數(shù)隨長(zhǎng)細(xì)比增加而降低；最大降低3.6%左右，寬厚比越大降低越多。長(zhǎng)細(xì)比在30～60 范圍內(nèi)，受壓承載力折減系數(shù)隨長(zhǎng)細(xì)比增加而增加；長(zhǎng)細(xì)比在大于60 時(shí)，受壓承載力折減系數(shù)隨長(zhǎng)細(xì)比增加而減小。（2）相比DL/T 5154—2012［3］，DL/T 5486—2020［2］受壓承載力折減系數(shù)隨長(zhǎng)細(xì)比的增加而減小，更科學(xué)。（3）相比DL/T 5154—2012［3］，對(duì)于b 類截面，Q355、Q420 鋼材，構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比在0～45 之間，其受壓承載力增加約5%，構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比在45～75 范圍內(nèi)，其受壓承載力有不同程度的降低，最大分別降低3.6%、1.7%左右；Q460 鋼材，構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比在0～50 范圍內(nèi)，受壓承載力增加約5%，長(zhǎng)細(xì)比在50～60范圍內(nèi)，受壓承載力有不同程度的降低，最大降低3.6%左右，寬厚比越大降低越多。

2.3 軸心受壓構(gòu)件交叉材計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)

DL/T 5486—2020［2］第6.1.9 條參考德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)》（DIN18800—1990），結(jié)合輸電塔的特點(diǎn)，對(duì)軸心受壓構(gòu)件交叉材一拉一壓時(shí)計(jì)算長(zhǎng)度修正系數(shù)進(jìn)行修訂。為對(duì)比新舊桿塔規(guī)范［2，3］塔身交叉材在一拉一壓情況下計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)K2的差別，分L2/L3=0.52、L2/L3=0.61 兩種情況下，分析K2的計(jì)算值隨N0/N 比值的變化情況，計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)K2 隨N0/N 的變化Fig.4 Length coefficient K2 calculated as a function of N0/N

從圖4 計(jì)算可以看出：（1）DL/T 5154—2012［3］的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)K2計(jì)算值以N0/N=20%為分界點(diǎn)，左右側(cè)計(jì)算值不連續(xù)，新修訂的規(guī)范參考德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合輸電塔的特點(diǎn)，其計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)K2隨N0/N 的變化是連續(xù)的，較科學(xué)合理。（2）較DL/T 5154—2012［3］相比，L2/L3=0.52，N0/N 應(yīng)力比在0.2～0.5 之間時(shí)，K2計(jì)算值最大增加15%；L2/L3=0.61，N0/N應(yīng)力比在0.2～0.34 之間時(shí)，K2計(jì)算值最大增加7%。如果用DL/T 5486—2020 校驗(yàn)，當(dāng)L2/L3、N0/N 比值處于上述區(qū)間時(shí)，構(gòu)件承載力可能超限。（3）較DL/T 5154—2012［3］相比，L2/L3=0.52，L2/L3=0.61，N0/N 應(yīng)力比分別大于0.5 和0.34 時(shí)，K2計(jì)算值最大減小10%，因?yàn)镈L/T 5486—2020 認(rèn)為當(dāng)交叉斜材的拉力達(dá)到一定比值時(shí)，受拉材完全可以作為受壓材的面外支撐，取消了計(jì)算長(zhǎng)度增大系數(shù)1.1。

2.4 雙軸對(duì)稱的十字型組合角鋼承載能力計(jì)算

DL/T 5486—2020［2］對(duì)雙組合、四組合角鋼十字型截面計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比進(jìn)行了修訂，取消了因考慮彎扭屈曲采用等效回轉(zhuǎn)半徑的算法，但要求雙組合、四組合角鋼十字型截面需滿足相關(guān)構(gòu)造規(guī)定，其計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比詳見B.2.2。

為對(duì)比新舊桿塔規(guī)范［2，3］的差異，選取Q420材質(zhì)的雙角鋼2L160 ×10、2L160 ×14、2L180 ×14、2L200 ×16 及四角鋼4L160 ×10、4L160 ×14、4L180 × 14、4L200 × 16 等角鋼組合截面，分析壓桿穩(wěn)定強(qiáng)度折減系數(shù)和構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)的乘積mn·Φ隨構(gòu)件未換算長(zhǎng)細(xì)比的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 mn·Φ 隨構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比的變化Fig.5 Variation of mn·Φ with slenderness ratio

從圖5 計(jì)算可以看出：（1）DL/T 5154—2012［3］的在寬厚比較大時(shí)受壓穩(wěn)定承載力折減較大，且隨未換算計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比變化不大，不合理；DL/T 5486—2020［2］中十字型組合截面受壓穩(wěn)定承載隨未換算計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比增大而減小，較科學(xué)合理。（2）較DL/T 5154—2012［3］相比，在主材常用長(zhǎng)細(xì)比30～45 之間，2L160 ×10、4L160 ×10組合十字型截面受壓穩(wěn)定承載力平均增加30%；2L160 ×14、4L160 ×14 組合十字型截面受壓穩(wěn)定承載力平均增加15%；2L180 ×14、4L180 ×14組合十字型截面受壓穩(wěn)定承載力平均增加22%；2L200 ×16、4L200 ×16 組合十字型截面受壓穩(wěn)定承載力平均增加17%；寬厚比越大增加比例越大。

3 新版規(guī)范的修訂對(duì)塔重和基礎(chǔ)作用力的影響

新規(guī)范［1，2］對(duì)桿塔計(jì)算風(fēng)荷載和部分構(gòu)件計(jì)算做了較大的修訂，為從整體上分析規(guī)范修訂對(duì)桿塔和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響，本節(jié)選取110kV、220kV、500kV、± 800kV、1000kV 等電壓等級(jí)代表性的桿塔，測(cè)算塔重和基礎(chǔ)作用力的變化幅度，并分析其影響因素。塔重影響計(jì)算結(jié)果見表3，基礎(chǔ)作用力計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 新舊規(guī)范［1-4］塔重影響計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of tower weight influence of old and new specifications［1-4］

續(xù)表3

表4 新舊規(guī)范［1-4］基礎(chǔ)作用力影響計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of foundation force influence between new and old specifications［1-4］

續(xù)表4

從表3 和表4 計(jì)算結(jié)果分析，本次新規(guī)范［1，2］的修訂對(duì)110kV～1000kV 塔重和基礎(chǔ)作用力的綜合影響主要為：（1）較舊規(guī)范［3，4］相比，110kV和220kV塔重增加，110kV 塔重變化幅度在-2.8%～5.5%之間，220kV 塔重變化幅度在-0.5%～8.8%之間，變化幅度隨風(fēng)速和呼高的增大而增大。其原因?yàn)镈L/T 5551—2018［1］引起線條風(fēng)荷載和塔身風(fēng)荷載增加，從而引起塔重增加，DL/T 5486—2020［2］由于再分式交叉材計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)減小引起塔重減小。（2）較舊規(guī)范［3，4］相比，500kV塔重持平，雙回路略有減少。其原因?yàn)镚B 50545—2010［4］針對(duì)500kV 及以上的桿塔設(shè)計(jì)增加了風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，由DL/T 5551—2018［1］荷載因素引起的塔重略微增加，DL/T 5486—2020［2］由于再分式交叉材計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)減小引起塔重略微減小。（3）較舊規(guī)范［3，4］相比，±800kV、1000kV塔重減小，±800kV 塔重變化幅度在-4.8%～-9.2%之間，1000kV 單回路塔重變化幅度在-3.8%～1.2%之間，1000kV雙回路鋼管塔重變化幅度在-1%～-5.5%之間。其原因?yàn)樘馗邏核咻^高，且GB 50545—2010［4］針對(duì)特高壓的桿塔設(shè)計(jì)增加了風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，較GB 50545—2010［4］相比，線條風(fēng)荷載基本略有增加，塔身風(fēng)荷載減小，從而引起塔重減小，同時(shí)DL/T 5486—2020［2］由于再分式交叉材計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)減小引起塔重減小。（4）較舊規(guī)范［3，4］相比，110kV 和220kV 塔基礎(chǔ)作用力增加較明顯，變化幅度在10%～24%之間，變化幅度隨風(fēng)速和呼高的增大而增大；500kV 和±800kV桿塔基礎(chǔ)作用力基本持平，略有增加，變化幅度在1%～7%之間；1000kV桿塔基礎(chǔ)作用力減小，變化幅度在-1%～-6%之間。

4 結(jié)論

總體來說，本次新規(guī)范［1，2］的修訂內(nèi)容較多，對(duì)桿塔設(shè)計(jì)的主要影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.較舊規(guī)范［3，4］相比，線條風(fēng)荷載對(duì)500kV及以下線路桿塔設(shè)計(jì)影響較大，最大可增加25%，桿塔風(fēng)振系數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)500kV 低呼高塔和220kV、110kV塔影響較大，最大可增加30%。

2.DL/T 5486—2020［2］在軸心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算、穩(wěn)定計(jì)算、計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)及雙軸對(duì)稱十字型組合角鋼承載力計(jì)算等方面進(jìn)行了修定，較DL/T 5154—2012［3］相比，科學(xué)合理，其修訂條文對(duì)塔重的綜合影響是減小的。

3.DL/T 5486—2020［2］對(duì)桿塔重量的綜合影響為，110kV和220kV塔重增加，其增加幅度在-2.8%～5.5%之間；500kV 塔重持平，雙回路略有減少；±800kV、1000kV 塔重減小，±800kV塔重變化幅度在-4.8%～-9.2%之間，1000kV單回路塔重變化幅度在-3.8%～1.2%之間，1000kV 雙回路鋼管塔重變化幅度在-1%～-5.5%之間，原因與塔重變化原因一致。

4.DL/T 5486—2020［2］對(duì)桿塔基礎(chǔ)作用力的的綜合影響為，110kV和220kV塔基礎(chǔ)作用力增加較明顯，變化幅度在10%～24%之間；500kV和±800kV 桿塔基礎(chǔ)作用力基本持平，略有增加，變化幅度在1%～7%之間；1000kV 桿塔基礎(chǔ)作用力減小，變化幅度在-1%～-6%之間。