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摘要：在高压架空送电线路设计中，最不利风向时的风荷载常决定着杆塔内力大小或基础作用力的大小。本文将通过几个工程实例详细说明在高压架空送电线路设计中，如何确定几种特殊情况下最不利风向时的风荷载计算，以确保高压架空送电线路的安全运行。
关键词：全方位;基础作用力;运行情况;不平衡张力;风荷载
中图分类号：TM726文献标识码：A文章编号：
Abstract: In the project design of overhead transmission lines, the most unfavorable wind direction, wind load often determines the internal force of tower or base force size. This article will through several engineering examples in detail in the overhead transmission line design, how to determine some special situations the most unfavorable wind direction wind load calculation, to ensure the high voltage overhead power transmission line safe operation.
Key words: all-around; base forces; operation; unbalanced tension; wind load
1 引言
在高压架空送电线路设计中，杆塔荷载的计算应执行《110～750kV架空输电线路设计规范》（以下简称《规程》）中第10条 “杆塔荷载及材料”。其中正常运行情况下，应计算的荷载组合是：
1 基本风速、无冰、未断线；
2 设计覆冰、相应风速及气温、未断线
3 最低气温、无冰、无风、未断线（适用于终端和转角杆塔）
本文主要针对上述第一种情况，在正常运行大风情况下计算铁塔内力或基础作用力时可能出现的漏洞。《电力工程高压送电线路设计手册》（第二版）第六章第二节也对这种组合也提出了更详细的规定，提出“在杆塔设计中，应取最不利的风向来计算杆塔的内力”。在一般情况下，按照这些规定计算杆塔荷载，能满足线路工程施工投产后的安全运行要求。但伴随着室温效应的影响，几年来极端气候更加频繁地出现，内地表现为超常量的下雪和降雨、沿海地区表现为强热带风暴风力的逐级增加和风球的更加飘忽不定。在这些情况下，有必要对杆塔荷载更加严谨的计算，以保证高压送电线路的安全运行。在线路设计中，不能主观臆测最不利的风向，应通过严谨的计算来确定。因此我们可利用计算机技术，模拟自然风对杆塔所有方向的冲击，全方位计算杆塔风荷载，才使计算结果正确可靠。下面就列举几个设计工程中常碰到的案例。
2不平衡张力作用下基础受力计算
在线路设计中，会碰到这样的转角塔，一边是导线张力较大的连续档，一边是孤立档，而且横担中轴不在角平分线上。这就是典型的不平衡张力作用下的非对称受力（图一）。图一 电线不平衡张力计算示意图
在通常情况下，上图杆塔风荷载计算会误认为“零度大风”或者“90度大风”是最不利的风向，其实不然。请看下面的一个工程实例。
110kV罗汪线N1号塔JGU4-15，右转44°，导线LGJ-300/25,地线GJ-80，风速30m/s,前档是已建双回铁塔的孤立档，档距299m。此档考虑原塔受力限制，导地线采用放松应力措施，安全系数分别为3.5和4.8；新建线路的这一边是连续档，档距326m,代表档距296m. 导地线安全系数分别为3.0和4.1。基础作用力计算结果如下表2-1。
从风荷载的全方位计算结果可以看出，下压腿I在45度大风时下压力最大333.0 kN,下压腿II在135度大风时下压力最大389.8 kN, 上拔腿IV在135度大风时的上拔力最大304.5 kN，因此如果只按0度大风或者90度大风计算基础作用力，结果显然是错误的。同时也得出结论，最不利的风向不是单一的。不同基础最大受力出现在不同方向中。
表 2-1JGU4-15大风情况下基础作用力（kN）
3直线塔基础作用力计算
正常运行情况下，直线塔既无角度力，也不受不平衡张力作用，是导线、金具和塔身风荷载使铁塔产生力矩。在窄基铁塔基础设计中，这个力矩使联合基础承受倾覆力；在宽基铁塔基础设计中，这个力矩产生上拔力和增大下压力。在直线塔基础配置中，不能按照《基础设计技术规范》中提出的，用单一“45度大风”或者“60度大风”来确定上拔基础和下压基础的最大受力，因为四个基础是对称的，都同时承担上拔力和下压力。请看下面实例。
220kV送电线路N7号塔SZ402-15（图二）水平档距337m，垂直档距772.4m，代表档距365m，采用双分裂导线LGJX-630/55，双避雷线LGJX-95/55。线路所在气象区为第五气象区，最大风速35m/s。导地线安全系数分别为2.5和3.43。基础作用力计算结果见表3-1。
图二 –SZ402-15 直线塔单线图
表 3-1 SZ402-15大风情况下基础作用力 （kN）
从表 3-1 可以看出，任何单一的大风情况计算结果都是片面的。全方位的计算结果显示，SZ402-15的四只腿都有相同的下压力和上拔力，但不是出现在某一大风情况。本例最大受力出现在90度（270度）大风中。有些直线塔，如猫型铁塔，由于正侧面根开不一样，最大的下压力和上拔力才时常出现在45 或 60 度大风情况中。
4小转角的反向风荷载
在计算转角塔的基础受力时，往往只计算90度（270度）大风情况，因为在这种情况下，风荷载与角度荷载同向叠加（如图三），计算出来的下压力和上拔力显然是最大的，这个风向是最不利的风向也无可厚非。但利用这个计算结果配置基础就错误了，因为反向风荷载将产生另一性质的力，在大转角中这个力不存在影响，但在小转角中这个力影响着基础配置。请看一个工程实例。
图三 风荷载与角度荷载同向叠加
220kV送电线路N14号塔SJ6301-18是转角塔。右转β=4°26′,水平档距524m，垂直档距190.4m，前后代表档距分别为445m和602m，采用双分裂导线LGJX-630/55，双避雷线LGJX-95/55。线路所在气象区为第五气象区，最大风速35m/s。导地线安全系数分别为2.5和3.43。
计算90度大风时，下压腿Ⅰ、Ⅱ的下压力为521 kN,上拔腿Ⅲ、Ⅳ的上拔力-347.9 kN。如果我们据此配置基础就错了，因为在270度大风情况下，下压腿Ⅰ、Ⅱ还承受-198.5kN上拔力，而上拔腿Ⅲ、Ⅳ也承受372.3kN下压力。如果忽视这两个力，基础设计就存在着缺陷，埋藏着安全隐患。
5万无一失的全方位计算
从上面不同的例子可以得出相同的结论，那就是在风荷载的计算中，不能仅考虑单一的最不利风向，这样的计算结果经常是错误的。而应该采用全方位的风荷载计算，各个塔腿的最大下压力和上拔力在各种情况下选取。各个风向对各个基础不同时产生最大的作用力，不同的基础、相同基础的上拔力和下压力对应着不同的“最不利风向”。也就是说，在大风控制情况下，应该全方位计算风荷载，从中选择最大基础作用力配置基础，才能确保高压送电线路的安全运行，避免极端天气对送电线路的破坏引起电网的崩溃。上面是实际工程设计中的例子，采用《铁塔荷载计算系统》软件按每45度计算一次，如要更精确计算，可每隔10度或更小角度计算一次。
參考文献：
1《110～750kV架空输电线路设计规范》（ GB50545-2010）
2《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（SDGJ 5154-2002）
3《架空送电线路基础设计技术规定》（DL/T5219-2005）
4 肖洪伟，李喜来，廖宗高，唐国安，段松涛 .输电线路风荷载调整系数_风振系数_计算探讨.电力建设，2007，28(9):33-38
5 张湘庭. 工程结构风荷载理论和抗风计算手册.同济大学出版社，1990（10）
关键词：全方位;基础作用力;运行情况;不平衡张力;风荷载
中图分类号：TM726文献标识码：A文章编号：
Abstract: In the project design of overhead transmission lines, the most unfavorable wind direction, wind load often determines the internal force of tower or base force size. This article will through several engineering examples in detail in the overhead transmission line design, how to determine some special situations the most unfavorable wind direction wind load calculation, to ensure the high voltage overhead power transmission line safe operation.
Key words: all-around; base forces; operation; unbalanced tension; wind load
1 引言
在高压架空送电线路设计中，杆塔荷载的计算应执行《110～750kV架空输电线路设计规范》（以下简称《规程》）中第10条 “杆塔荷载及材料”。其中正常运行情况下，应计算的荷载组合是：
1 基本风速、无冰、未断线；
2 设计覆冰、相应风速及气温、未断线
3 最低气温、无冰、无风、未断线（适用于终端和转角杆塔）
本文主要针对上述第一种情况，在正常运行大风情况下计算铁塔内力或基础作用力时可能出现的漏洞。《电力工程高压送电线路设计手册》（第二版）第六章第二节也对这种组合也提出了更详细的规定，提出“在杆塔设计中，应取最不利的风向来计算杆塔的内力”。在一般情况下，按照这些规定计算杆塔荷载，能满足线路工程施工投产后的安全运行要求。但伴随着室温效应的影响，几年来极端气候更加频繁地出现，内地表现为超常量的下雪和降雨、沿海地区表现为强热带风暴风力的逐级增加和风球的更加飘忽不定。在这些情况下，有必要对杆塔荷载更加严谨的计算，以保证高压送电线路的安全运行。在线路设计中，不能主观臆测最不利的风向，应通过严谨的计算来确定。因此我们可利用计算机技术，模拟自然风对杆塔所有方向的冲击，全方位计算杆塔风荷载，才使计算结果正确可靠。下面就列举几个设计工程中常碰到的案例。
2不平衡张力作用下基础受力计算
在线路设计中，会碰到这样的转角塔，一边是导线张力较大的连续档，一边是孤立档，而且横担中轴不在角平分线上。这就是典型的不平衡张力作用下的非对称受力（图一）。图一 电线不平衡张力计算示意图
在通常情况下，上图杆塔风荷载计算会误认为“零度大风”或者“90度大风”是最不利的风向，其实不然。请看下面的一个工程实例。
110kV罗汪线N1号塔JGU4-15，右转44°，导线LGJ-300/25,地线GJ-80，风速30m/s,前档是已建双回铁塔的孤立档，档距299m。此档考虑原塔受力限制，导地线采用放松应力措施，安全系数分别为3.5和4.8；新建线路的这一边是连续档，档距326m,代表档距296m. 导地线安全系数分别为3.0和4.1。基础作用力计算结果如下表2-1。
从风荷载的全方位计算结果可以看出，下压腿I在45度大风时下压力最大333.0 kN,下压腿II在135度大风时下压力最大389.8 kN, 上拔腿IV在135度大风时的上拔力最大304.5 kN，因此如果只按0度大风或者90度大风计算基础作用力，结果显然是错误的。同时也得出结论，最不利的风向不是单一的。不同基础最大受力出现在不同方向中。
表 2-1JGU4-15大风情况下基础作用力（kN）
3直线塔基础作用力计算
正常运行情况下，直线塔既无角度力，也不受不平衡张力作用，是导线、金具和塔身风荷载使铁塔产生力矩。在窄基铁塔基础设计中，这个力矩使联合基础承受倾覆力；在宽基铁塔基础设计中，这个力矩产生上拔力和增大下压力。在直线塔基础配置中，不能按照《基础设计技术规范》中提出的，用单一“45度大风”或者“60度大风”来确定上拔基础和下压基础的最大受力，因为四个基础是对称的，都同时承担上拔力和下压力。请看下面实例。
220kV送电线路N7号塔SZ402-15（图二）水平档距337m，垂直档距772.4m，代表档距365m，采用双分裂导线LGJX-630/55，双避雷线LGJX-95/55。线路所在气象区为第五气象区，最大风速35m/s。导地线安全系数分别为2.5和3.43。基础作用力计算结果见表3-1。
图二 –SZ402-15 直线塔单线图
表 3-1 SZ402-15大风情况下基础作用力 （kN）
从表 3-1 可以看出，任何单一的大风情况计算结果都是片面的。全方位的计算结果显示，SZ402-15的四只腿都有相同的下压力和上拔力，但不是出现在某一大风情况。本例最大受力出现在90度（270度）大风中。有些直线塔，如猫型铁塔，由于正侧面根开不一样，最大的下压力和上拔力才时常出现在45 或 60 度大风情况中。
4小转角的反向风荷载
在计算转角塔的基础受力时，往往只计算90度（270度）大风情况，因为在这种情况下，风荷载与角度荷载同向叠加（如图三），计算出来的下压力和上拔力显然是最大的，这个风向是最不利的风向也无可厚非。但利用这个计算结果配置基础就错误了，因为反向风荷载将产生另一性质的力，在大转角中这个力不存在影响，但在小转角中这个力影响着基础配置。请看一个工程实例。
图三 风荷载与角度荷载同向叠加
220kV送电线路N14号塔SJ6301-18是转角塔。右转β=4°26′,水平档距524m，垂直档距190.4m，前后代表档距分别为445m和602m，采用双分裂导线LGJX-630/55，双避雷线LGJX-95/55。线路所在气象区为第五气象区，最大风速35m/s。导地线安全系数分别为2.5和3.43。
计算90度大风时，下压腿Ⅰ、Ⅱ的下压力为521 kN,上拔腿Ⅲ、Ⅳ的上拔力-347.9 kN。如果我们据此配置基础就错了，因为在270度大风情况下，下压腿Ⅰ、Ⅱ还承受-198.5kN上拔力，而上拔腿Ⅲ、Ⅳ也承受372.3kN下压力。如果忽视这两个力，基础设计就存在着缺陷，埋藏着安全隐患。
5万无一失的全方位计算
从上面不同的例子可以得出相同的结论，那就是在风荷载的计算中，不能仅考虑单一的最不利风向，这样的计算结果经常是错误的。而应该采用全方位的风荷载计算，各个塔腿的最大下压力和上拔力在各种情况下选取。各个风向对各个基础不同时产生最大的作用力，不同的基础、相同基础的上拔力和下压力对应着不同的“最不利风向”。也就是说，在大风控制情况下，应该全方位计算风荷载，从中选择最大基础作用力配置基础，才能确保高压送电线路的安全运行，避免极端天气对送电线路的破坏引起电网的崩溃。上面是实际工程设计中的例子，采用《铁塔荷载计算系统》软件按每45度计算一次，如要更精确计算，可每隔10度或更小角度计算一次。
參考文献：
1《110～750kV架空输电线路设计规范》（ GB50545-2010）
2《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（SDGJ 5154-2002）
3《架空送电线路基础设计技术规定》（DL/T5219-2005）
4 肖洪伟，李喜来，廖宗高，唐国安，段松涛 .输电线路风荷载调整系数_风振系数_计算探讨.电力建设，2007，28(9):33-38
5 张湘庭. 工程结构风荷载理论和抗风计算手册.同济大学出版社，1990（10）