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摘要：笔者给出了大跨越直线塔设计的影响因素和荷载取值不同，并以某大跨越跨江塔为例，进行动力特性分析，得到其自振特性，计算风振系数，探讨弯矩对结构不利影响。同时提出山区线路大跨越塔相关荷载取值问题，可以作为同类大跨越杆塔的设计参考。
关键词：山区线路；大跨越杆塔；荷载取值；动力特性；风振系数
0 引言
随着西南山区水电开发的逐步深入，新建、改建的输电线路跨越通航大河流、山峡的情况越来越多，也就意味这类特殊档距的线路段是否需按大跨越设计的问题逐渐突出。有鉴于此，笔者自身实践，提出一些个人观点和看法，希望引起设计同行的重视。
1.大跨越直线塔设计的影响因素
跨越位置选择是确认线路工程中设计大跨越段的重点。对于特定的大跨越而言，因通航或对最高水面的安全距离的要求，导线的净空条件是要一定的；因此，具有较小的跨距是大跨越点位置选点工作中努力追求的目标；跨距小意味着以横向风荷载为主的直线跨越塔高度低，塔重轻，造价省。
此外，大跨越直线塔设计还要考虑的因素包括：气象条件、塔头布置、塔型选择、跨越布置方式、荷载取值及组合和结构材料等。
2.大跨越直线塔结构设计的荷载取值
笔者认真研读相关规程规范后发现，大跨越直线塔与常规杆塔相比在以下几个方面提高了设计标准：
1）结构安全等级
根据我国建筑结构统一标准分类，一般线路的杆塔结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0；而将大跨越杆塔结构安全等级确定为一级，结构重要性系数不低于1.1。
2）基本风速
（1）统计风速的高度的不同
输电线路各电压等级普通段统计风速的高度应取离地面10m高；大跨越段统计风速的高度应取历年大风季节平均最低水位以上10m高。
（2）统计风速推算基本风速的不同
普通段基本风速由邻近地区气象台、站的气象资料的数理统计结果，并结合实际运行经验推算确定；当无可靠资料时，山区宜按附近平原地区的风速统计值提高10%。大跨越段基本风速，宜将跨越点附近陆上线路的风速统计值换算为历年大风季节平均最低水位以上10m高处的风速，然后提高10%；同时，考虑水面影响，基本风速还应增加10%取用
（3）基本风速最低标准值不同
110~330KV普通段的基本风速不宜低于23.5m/s，500~750KV的基本风速不宜低于27m/s。110~330KV大跨越段的基本风速不低于25m/s，500~750KV的基本风速不低于30m/s；同时，基本风速不低于附近陆上线路的标准。
3）设计冰厚
输电线路大跨越段设计冰厚宜较附近陆上普通段增加5mm，地线设计冰厚应较导线增加5mm。
4）荷载取值及组合
（1）在计算各类运行工况组合时，还应同时考虑高差和档距不等在导、地线中产生的纵向不平衡荷载。
（2）在断线工况的所有荷载组合中，导线的断线张力取值不再考虑地形和分裂导线数的差异，相对于常规杆塔略有提高；另外，双回路杆塔还须增加一种“断两根地线，导线未断” 组合。
（3）在不均匀覆冰工况下，导、地线不平衡张力须按跨越段实际档距和高差计算；同时，计算取值不低于常规杆塔对应气象条件下的不平衡张力取值。
（4）在安装工况中，大跨越段线路施工架线均要求在耐张塔上张力放线作业，因此直线塔不考虑锚线工况；同时，导、地线垂直荷载按1.5倍自重计算，须考虑的安装附加荷载相对于常规杆塔略有提高。
（5）大跨越塔还须考虑作用在扶梯和走道上的风载、自重和活荷载，登塔、警航设施作用的荷载等。
5）杆塔风振系数βz
大跨越直线塔杆塔全高大多超过60m，杆塔风振系数βz不能与常规杆塔一样对全高简化采用一个系数确定，须按现行国标《建筑结构荷载规范》采用由下到上逐段增大的数值（在本文后面的小节详述）。基础设计时，βz值取与杆塔设计时一致或依据地质情况适当降低。
3.山区线路工程大跨越杆塔设计的差异
山区跨越塔位一般均有岸边的高地或山头天然地形利用，杆塔本身高度相比跨距来说并不高；笔者在工程实践中，遇到以下有争议的两点：
1）杆塔自身风荷载所对应的计算风速
陆上平地，普通段杆塔承受的导地线风荷载与杆塔自身风荷载计算风速统一取离地面10m高为基准的基本风速。
大跨越段导地线风荷载的计算风速取跨越档水面平均最低水位以上10m高处，考虑“两个10%增大”的基本风速；而杆塔立在岸边陆地，甚至在高地或山头，杆塔自身风荷载计算风速对应的高度是取离基础地面以上10m高为基准。若塔位高程与水面高程差异较大，则需要对杆塔自身风荷载计算风速进行折算。
以某山区线路工程为例说明：
普通段基本风速统一采用水文专业推荐值23.5m/s。大跨越基本风速起算值采用沿线代表性好的气象站风速计算结果22.3m/s，然后加大10％，考虑水面影响，再加大10％，最终取为27.0m/s；
右岸跨越塔塔位位于丘顶上，高于长江水面约80m，距江边约200 m，塔位场地开阔。若与普通段一致，取用同一基本风速：
折算右岸杆塔自身风荷载计算风速：V=27.0(90/10)0.15=37.54 （m/s）
但严格说，杆塔塔位与江面有一定距离，杆塔自身风荷载的风速取值不存在水面影响；若不考虑水面影响，其结果是：
折算右岸杆塔自身风荷载计算风速：V=22.3*1.1*(90/10)0.15=34.1 （m/s）
可见，考虑杆塔自身风荷载所对应的计算风速是否取与导地线一致，其结果会出现较大差异。考虑到大跨越工程的重要性，目前工程中一般按偏保守的处理，普遍采用以上第一种方式，但笔者认为仍可进一步探讨杆塔自身风荷载的风速取值。
2） 对杆塔自身风荷载风压高度变化系数的修正
按照《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)8.2.2条要求，对于处于山区的建筑物，其自身的风压高度变化系数 除按平坦或稍有起伏地形的粗糙度类别确定外（一般为B类），还应考虑地形条件的修正。如处于山峰或山坡迎风面的建筑物，按公式：
3） 内力计算比较
根据上节得到的风振系数计算塔身风荷载，把爬梯及塔身风荷载换算为节点荷载加载到计算模型中，在风荷载和导地线荷载共同作用下，得到如图3的大风工况下的内力图。
分析图3中的内力变化规律，铁塔在45度大风工况下，钢管主材轴力最大值分布在45度风向的BD腿上，弯矩峰值出现于布置有横隔面的部位。对比ANSYS和道亨软件（纯杆单元建模）有限元计算结果，发现ANSYS计算结果中主管的轴力均较道亨软件计算轴力小，但ANSYS中钢管主材有弯矩作用。考虑轴力及弯矩共同作用下的钢管应力计算，ANSYS计算得到的应力均较道亨软件计算的应力大，差值最大的部位出现在塔身变坡处以及塔腿隔面位置，其最大差距达到应力的15%。因此采用道亨软件进行结构设计时，横隔面附近应留一定的余度。
图3 内力计算结果
5结论
1）除跨越位置和跨越方式须慎重考虑外，输电线路的大跨越杆塔设计的影响因素还包括气象条件、荷载取值及组合等。
2）就直线杆塔而言，在基本风速的确定、各工况下的导地线荷载取值及组合、附加荷载取值及风振系数等方面，大跨越杆塔与常规杆塔有较大区别。
3）鉴于大跨越工程的重要性，大跨越杆塔须进行动力特性分析；以某跨江塔为例，分析结果显示其前3阶振型先平动后转动，说明其结构体系布置合理。有限元分析得到的第一周期与经验公式相差较小，可以采用经验公式进行计算。
4）以钢管为主要受力杆件的大跨越杆塔，其弯矩最大值出现在布置有横隔面的部位；若采用杆单元进行计算时，应留有一定的余度。
参考文献
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作者简介：
王钢（1975—）男，汉族，籍贯四川仁寿。1997年毕业于重庆建筑工程学院工民建专业，大学本科学历，工学学士，高级工程师。从事输电线路结构设计20年。
包涛（1987—）男，汉族，籍贯重庆南川。2012年毕业于南京工业大学结构工程专业，研究生学历，硕士学位，工程师。从事输电线路结构设计5年。
论文作者:王钢,包涛
论文发表刊物:《电力设备》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/13
标签：杆塔论文; 荷载论文; 风速论文; 线路论文; 地线论文; 系数论文; 组合论文; 《电力设备》2017年第32期论文;