0220kv送电结构设计重点 1.docx

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0220kv送电结构设计重点1

110-220KV送电结构设计要点

概况

●电网建设的发展

●送电结构设计的任务

●设计规范

110KV-750KV架空输电线路设计规范GB50545-2010

架空送电线路杆塔结构设计技术规定DL/T5154-2002

架空送电线路钢管杆设计技术规定

架空送电线路基础设计技术规定DL/T5219-2005

极限状态设计

●表达式

11.2.1结构或构件的承载力极限状态，应采用下列表达式：

γo（γG⋅SGK+ψ∑γQi⋅SQiK）≤R（11.2.1）

式中γo——杆塔结构重要性系数，重要线路不应小于1.1，临时线路取0.9，其他线路取1.0；

γG——永久荷载分项系数，对结构受力有利时不大于1.0，不利时取1.2；

γQi——第i项可变荷载的分项系数，取1.4；

SGK——永久荷载标准值的效应；

SQiK——第i项可变荷载标准值的效应；

ψ——可变荷载组合系数，正常运行情况取1.0，断线情况、安装情况和不均匀覆冰情况取0.9，验算情况取0.75；

R——结构构件的抗力设计值。

11.2.2结构或构件的正常使用极限状态，应采用下列表达式：

SGK+ψ∑SQiK≤C（11.2.2）

●式中C——结构或构件的裂缝宽度或变形的规定限值，mm。

●安全度：

与安全系数法相当

新老规范有关结构设计的条文

●风荷载的重规期和基准高

4.0.1设计气象条件，应根据沿线气象资料的数理统计结果，参考《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）的风压图以及附近已有线路的运行经验确定，基本风速、设计冰厚按以下重现期确定：

750kV、500kV输电线路及其大跨越50年

110～330kV输电线路及其大跨越30年

如沿线的气象与附录A典型气象区接近，宜采用典型气象区所列数值。

4.0.2确定基本风速时，应按当地气象台、站10min时距平均的年最大风速为样本，并宜采用极值Ⅰ型分布作为概率模型。

统计风速应取以下高度：

110～750kV输电线路离地面10m

各级电压大跨越离历年大风季节平均最低水位10m

关于输电线路设计风、冰荷载的重现期

输电线路承受的荷载主要是风荷载。

我国输电线路设计规范中，风荷载的标准一向以国家建筑结构荷载规范（以下简称为荷载规范）为主要依据，同时结合我国输电线路设计经验确定。

在我国建筑结构统一要求采用概率极限状态方法设计时，国家建设部于1995年颁布了国家标准《建筑结构设计统一标准》，后改名为《建筑结构可靠度设计统一标准》（以下简称为统一标准）。

在《统一标准》2001年版本中，规定了建筑结构所采用的设计基准期为五十年（设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数）。

《统一标准》指出：

根据统计资料，荷载规范规定的风荷载标准值接近于设计基准期最大风荷载的平均值。

某些部门和地区曾反映，对于风荷载较敏感的高耸结构，规范规定的风荷载标准值偏低，有些输电塔还发生过风灾事故。

新修订的建筑结构荷载规范已将风、雪荷载标准值由原来规定的“三十年一遇”值，提高到“五十年一遇”值。

《荷载规范》指出：

资料表明，修改后的基本风压值与原规范的取值相比，总体上虽己提高了10%，但对风荷载比较敏感的高层建筑和高耸结构，其基本风压仍可由各结构设计规范，根据结构的自身特点，考虑适当提高其重现期。

从《统一标准》和《荷载规范》可以看出，在规定风荷载重现期时己考虑到输电线路设计。

500KV输电线路（含大跨越）是我国现阶段的基本网架，设计和运行均有较成熟的经验，拟以此电压等级为基准，风荷载重现期按<统一标准>由三十年一遇，提高到五十年一遇。

在此基础上，其它电压等级的重现期作适当调整：

750KV输电线路（含大跨越）的规模和重要性与500KV接近，拟采用500KV相同的重现期；

330KV~110KV输电线路（含大跨越）的规模和重要性按比500KV降低一级考虑，拟采用三十年一遇重现期；

800KV和1000KV输电线路（含大跨越）按比500KV提高一级考虑，拟采用一百年一遇重现期。

根据<荷载规范>的统计，五十年一遇的风压约为三十年一遇的1.1倍，一百年一遇的风压约为三十年一遇的1.2倍。

此外，我国输电线路设计规范还将根据<统一规定>，考虑结构重要性系数，按电压等级将杆塔结构的重要性分为三级：

一级：

重要的500KV和750KV线路及500KV和750KV大跨越，杆塔结构重要性系数不小于1.1；

二级：

500KV和750KV线路、110KV~330KV线路，重要的110KV~330KV线路及110KV~330KV大跨越，杆塔结构重要性系数为1.0；

三级：

临时性杆塔结构重要性系数为0.9。

对于冰荷载的重现期，参照<荷载规范>中对雪荷载的规定，取与风荷载相同的重现期。

冰荷载组合的工况，属于承载力极限状态，规范中明确规定，同风荷载一样要考虑杆塔结构重要性系数。

与现行设计规程相比，对500KV线路，风荷载重现期由三十年一遇提高到五十年一遇，杆塔结构重要性系数没有变动，仍为1.0，风荷载约增大10%；对110~330KV线路，风荷载重现期由十五年一遇提高到三十年一遇，杆塔结构重要性系数1.0不变，风荷载与原规程相比也提高10%。

各级电压的冰荷载，新规范因为导、地线断线张力（不平衡张力）的计算条件考虑有冰，不均匀覆冰考虑有风，同时增大了不平衡张力值。

因此，杆塔的纵向荷载增加了许多。

总体上看，新规范对110KV及以上线路抗风能力有所提高。

对各级电压线路的抗冰能力均有较大的提高。

以上根据线路的重要性，按不同的电压等级考虑不同的风、冰荷载重现期和杆塔结构重要性系数，符合我国<统一规定>和<荷载规范>的原则和我国输电线路设计

●复冰工况

4.0.6地线设计冰厚，除无冰区外，应较导线增加5mm。

10.1.18导线及地线风荷载的标准值，应按下式计算：

Wx＝α·Wo·μZ·μSC·βc·d·Lp·B·sin2θ（10.1.18-1）

Wo＝V2/1600（10.1.18-2）

式中Wx——垂直于导线及地线方向的水平风荷载标准值，kN；

α——风压不均匀系数，应根据设计基本风速，按照表10.1.18-1、10.1.18-2确定；

βc——500kV和750kV线路导线及地线风荷载调整系数，仅用于计算作用于杆塔上的导线及地线风荷载（不含导线及地线张力弧垂计算和风偏角计算），βc应按照表10.1.18-1确定；其它电压级的线路βc取1.0；

μZ——风压高度变化系数，基准高度为10m的风压高度变化系数按表10.1.21的规定确定；

μSC——导线或地线的体型系数：

线径小于17mm或覆冰时（不论线径大小）应取μSC=1.2；线径大于或等于17mm，μSC取1.1；

d——导线或地线的外径或覆冰时的计算外径；分裂导线取所有子导线外径的总和，m；

Lp——杆塔的水平档距，m；

B——覆冰时风荷载增大系数，5mm冰区取1.1，10mm冰区取1.2；

θ——风向与导线或地线方向之间的夹角，度；

Wo——基准风压标准值，kN/m2；

●V——基准高度为10m的风速，（m/s）。

●断线工况

10.1.5悬垂型杆塔（不含大跨越悬垂型杆塔）的断线情况，应按-5℃、有冰、无风的气象条件，计算下列荷载组合：

1单回路杆塔：

单导线断任意一相导线（分裂导线任意一相导线有纵向不平衡张力），地线未断；断任意一根地线，导线未断。

2双回路杆塔：

同一档内，单导线断任意两相导线（分裂导线任意两相导线有纵向不平衡张力）；断一根地线，单导线断任意一相导线（分裂导线任意一相导线有纵向不平衡张力）。

3多回路杆塔：

同一档内，单导线断任意三相导线（分裂导线或任意三相导线有纵向不平衡张力）；断一根地线，单导线断任意两相导线（分裂导线任意两相导线有纵向不平衡张力）。

10.1.6耐张型杆塔的断线情况应按-5℃、有冰、无风的气象条件，计算下列荷载组合：

1单回路和双回路杆塔：

同一档内，单导线断任意两相导线（分裂导线任意两相导线有纵向不平衡张力）、地线未断；断任意一根地线，单导线断任意一相导线（分裂导线任意一相导线有纵向不平衡张力）。

2多回路塔：

同一档内，单导线断任意三相导线（分裂导线或任意三相导线有纵向不平衡张力）、地线未断；断任意一根地线，单导线断任意两相导线（分裂导线任意两相导线有纵向不平衡张力）。

10.1.7对于10mm及以下的冰区导、地线的断线张力（或分裂导线的纵向不平衡张力）应不低于表10.1.7值，垂直冰荷载取100％设计覆冰荷载。

表10.1.710mm及以下冰区导、地线断线张力（或分裂导线的纵向不平衡张力）取值表

断线张力（或分裂导线的纵向不平衡张力）（最大使用张力的百分数）

地形

地线

悬垂塔导线

耐张塔导线

单导线

双分裂导线

双分裂以上导线

单导线

双分裂及以上导线

平丘

100％

50％

25%

20％

100%

70%

山地

100％

50％

30%

25％

100%

70%

●不均匀复冰工况

10.1.810mm冰区不均匀覆冰情况，按－5℃、有不均匀冰、10m/s风速的气象条件计算。

导、地线不平衡张力不应低于表10.1.8值。

垂直荷载按不小于75%设计覆冰荷载计算。

荷载组合系数为0.9。

老规0.75，无最低限。

表10.1.8不均匀覆冰情况的导、地线不平衡张力取值表

不均匀覆冰情况的导、地线不平衡张力（最大使用张力的百分数）

悬垂型杆塔

耐张型杆塔

导线

地线

导线

地线

10

20

30

40

10.1.9各类杆塔均应考虑所有导、地线同时同向有不均匀覆冰的不平衡张力，使杆塔承受最大的弯矩。

荷载组合分析

●最大风速的风向：

2直线型杆塔应计算与铁塔线路方向轴线成00、450（或600）及900的三种最大风速的风向；一般耐张型杆塔可只计算900一个风向；终端杆塔除计算900风向外，还需计算00风向；悬垂转角塔和小角度耐张转角塔还应考虑与导、地线张力的横向分力相反的风向；特殊杆塔应计算最不利风向。

各类杆塔均应能承受设计规定的设计最大风速时各个风向产生的风荷载。

但是在结构计算时应忽略次要风向，选择可能控制结构强度或变形的风向进行计算，以简化计算工作量。

对直线杆塔主要是承受导、地线和塔身的风压。

根据风洞试验，角钢正方形格构塔架本体（图2.1-1），45°风吹和60°风吹对塔架风荷载的效应是接近的：

45°风吹正面和侧面的分配率大约为nx＋ny＝0.8＋0.8＝1.6；

60°风吹为nx＋ny＝0.87＋0.73＝1.6。

钢管正方形格构塔架本体（图2.1-2），45°风吹和60°风吹对塔架的风荷载效应也接近：

45°风吹时，nx＋ny＝0.78＋0.75＝1.63；

60°风吹时nx＋ny＝0.9＋0.55＝1.45。

对导、地线，60°风吹略大于45°风吹（参见《02规定》表5.1.3），出入也不大。

因此，对直线杆塔，除了必须计算90°风向（垂直线路方向）和0°风向（顺线路方向）外，角度风向只要求45°风向或60°风向任选一种风向。

我国习惯和一些国家的招标书选用45°风向，因为这样正侧面荷载分配系数相同，分析比较方便。

有的国家（如日本）选用60°风向。

图2.1-1角钢正方形塔架

图2.1-2钢管正方形塔架

耐张杆塔一般带转角。

导、地线张力引起沿横担方向的角度力与导、地线风压、塔身风压叠加组成的横向荷载是耐张杆塔的主要荷载。

杆塔前后侧张力差相对很小，不起控制作用。

因此，对耐张杆塔一般可只要求计算90°一个风向。

但是，当带转角角度较小（包括直线转角塔），导、地线张力引起沿横担方向的角度力可能会小于导、地线风压和塔身风压的总和。

这样，对某些杆塔，风反向吹可能会控制某些杆件。

例如，小转角的酒杯塔,反向风可能会控制曲臂部分杆件的选材。

因此,耐张杆塔（包括直线转角杆塔）当转角角度小时,要计算风反向吹的情况。

终端杆塔的荷载特点是前后档的张力相差较大，甚至于要考虑变电档的张力为0。

同时，对终端杆塔要求的角度范围各项目差别也较大，布置方位也不尽相同，有的按横担布置在转角平分线上，有的按横担平行门型架布置（图2.1-3）。

横向荷载和纵向荷载都有可能控制杆塔的某些杆件。

因此，终端杆塔一般需计算0°风向和90°风向。

其他（45°）可根据实际塔位的转角和布置情况确定。

终端杆塔的0°风向计算,可以忽略导、地线与横担有夹角的影响,同直线杆塔的0°风向一样计算。

此时，导、地线的顺线路风压为横线路风压的25%，与线路侧的导、地线张力的垂直横担分力相叠加。

塔身风压也同直线杆塔一样，按0°风向的塔身迎风面计算。

图2.1-3终端塔的布置及风荷载

特殊杆塔一般遇到的是T型杆塔，这类杆塔横担布置以及导、地线布置无一定规律，需根据杆塔的实际情况考虑最不利的风向。

●角度风吹时风荷载分配：

2不同风向角的导、地线和杆塔风载在横向和纵向的分量应按表12.2.2计算。

表12.2.2不同风向角的风荷载分配表

风向角θ（0）

线条风荷载

塔身风荷载

横担风荷载

备注

X

Y

X

Y

X

Y

0

0

0.25Wx

0

Wsb

0

Wsc

45

0.5Wx

0.15Wx

K×0.424×（Wsa+Wsb）

K×0.424×（Wsa+Wsb）

0.4Wsc

0.7Wsc

60

0.75Wx

0

K×（0.747Wsa

+0.249Wsb）

K×（0.431Wsa

+0.144Wsb）

0.4Wsc

0.7Wsc

90

Wx

0

Wsa

0

0.4Wsc

0

注：

1X、Y分别为横向与纵向的风荷载分量；

2Wx为风垂直导、地线方向吹的导、地线风荷载标准值，按公式####计算；

3Wsa、Wsb分别为右上图所示a面及b面的塔身风荷载标准值，按公式####计算；

4Wsc为风向垂直于横担轴线时,横担风荷载的标准值,按公式####计算;

5K为塔身结构形状系数:

由单角钢或圆形截面构件组成的塔架取1.0,由组合角钢组成塔架取1.1。

1）角度风作用在导、地线上的风压分配

按IEC－826《架空线路杆塔荷载》标准，角度风吹时，在垂直线路方向的分力与风向角θ的sin2θ成比例地减小，风向角如图5.1.2-1所示。

沿线路方向的风压可以忽略不计。

这已经由风洞试验所证实。

我国《90规定》和《02规定》对垂直线路方向（垂直导、地线方向）的分配完全按IEC－826标准：

以90°风向为基准sin290°＝1.0

45°风向sin245°＝0.5

（即为90°风向导、地线风压的50%）

60°风向sin260°＝0.75

（即为90°风向导、地线风压的75%）

0°风向sin290°＝0

对顺线路方向《02规定》，考虑适当提高杆塔顺线路方向的承载力，纵向风压为：

0°风向取90°风吹导、地线风压的25%

45°风向取90°风吹导、地线风压的15%

2）角度风作用在杆塔本身的风压分配：

按IEC－826标准，矩形截面的格构铁塔作用于塔段高为h的重心上、与

风向同向的风荷载AT为（图2.2）：

AT＝qo（1＋0.2sin22θ）·（ST1·CXT1·cos2θ＋ST2·CXT2·sin2θ）GT

式中：

qo――基本风压；

θ――风对该段塔面水平面上入射角；

ST1――高h的塔面1的杆件投影面积；

ST2――同一段塔面2的杆件投影面积；

CXT1，CXT2――风分别垂直于面1和面2的阻力系数；

GT――阵风响应系数，是该段重心离地高度Z的函数。

图2.2矩形截面铁塔的风荷载

上式可以按塔面1和塔面2分开表达为：

AT＝（1＋0.2sin22θ）·（ST1·CXT1·cos2θ）GT·qo＋（1＋0.2sin22θ）·

（ST2·CXT2·sin2θ）GT·qo

当0°风向时（顺线风）：

塔面2可以不计（sin20°＝0）。

塔面1的风压为：

AT＝（1＋0.2sin20°）·（ST2·CXT2·cos20°）GT·qo

＝（1.0）·（ST1·CXT1）GT·qo

当90°风吹时（横向风）：

塔面1可以不计（cos290°＝0）。

塔面2的风压为：

AT＝（1＋0.2sin2180°）·（ST2·CXT2·sin290°）GT·qo

＝（1.0）·（ST2·CXT2）GT·qo

当45°风吹时：

AT＝（1＋0.2）·（ST1·CXT1·0.5）GT·qo＋（1＋0.2）·（ST2·CXT2·0.5）GT·qo

＝0.6（ST1·CXT1）GT·qo＋0.6（ST2·CXT2）GT·qo

将AT分解至面1和面2上：

AT1＝0.6（ST1·CXT1）GT·qo·cos45°＋0.6（ST2·CXT2）GT·qo·cos45°

＝0.424（ST1·CXT1）GT·qo＋0.424（ST2·CXT2）GT·qo

＝0.424（ST1·CXT1＋ST2·CXT2）GT·qo

同理，可以得到：

AT2＝AT1

当60°风吹时：

AT＝（1＋0.2sin2120°）·（ST1·CXT1·cos260°）GT·qo

＋（1＋0.2sin2120°）·（ST2·CXT2·sin260°）GT·qo

＝1.15（ST1·CXT1·0.25）GT·qo＋1.15（ST2·CXT2·0.75）GT·qo

＝0.2875（ST1·CXT1）GT·qo＋0.8625（ST2·CXT2）GT·qo

分配至面1和面2：

AT1＝0.2875（ST1·CXT1）GT·qo·cos60°＋0.8625（ST2·CXT2）GT·qo·cos60°

＝0.144（ST1·CXT1）GT·qo＋0.431（ST2·CXT2）GT·qo

AT2＝0.2875（ST1·CXT1）GT·qo·sin60°＋0.8625（ST2·CXT2）GT·qo·sin60°

＝0.249（ST1·CXT1）GT·qo＋0.747（ST2·CXT2）GT·qo

上述：

塔面1，即《02规定》表5.1.3“b”面；

塔面2，即《02规定》“a”面。

qo（ST1·CXT1）GT相当于《02规定》Wsb即风垂直于塔面1（即b面）时的塔身风荷载值。

参照我国荷载规范，考虑了双角钢的附加档风系数（断面形状系数k）后，即得到《02规定》表5.1.3塔身风荷载的分配系数。

3）角度风作用在横担的风压分配：

横担一般有尖型和方型，构造比较塔身复杂，风洞实验资料也较少。

《02规定》的风压分配系数，主题是依据西北电力设计院风洞试验结果的推荐值，横担风压计算以横担正面为基准。

45°，60°风吹时，横向分力为顺线面风力的40％，纵向分力为顺线面风力的70％；90°风吹时，横向分力也取顺线面风力40％，纵向分力为0。

●上述分配系数与日本JEC－127标准相比是偏于安全的。

该标准规定，60°风吹时，横向分配系数为0.19，纵向分配系数为0.31。

●最大水平荷载与最小垂直荷载的组合

1最大风速、无冰、未断线（包括最小垂直荷载和最大水平荷载组合）；

最大风速时，最大水平荷载和最小垂直荷载的组合

最大风速时，如果相应的垂直档距是最小值。

此时，最大水平荷载和最小垂直荷载组合，对某些格构式铁塔（如酒杯塔或猫头塔）的某些杆件可能起控制作用。

因此，《02规定》增加了这一工况。

实际上，在80年代中期，我国在线路项目国际招投标与国外咨询专家交流时，已接受了国外专家这一建议，并在某些项目中推广应用。

在美国《输电铁塔设计导则》第二版中也有相应的建议。

以下是500kV酒杯型直线塔的一个实例（见图3.2.,力的单位为kg，尺寸单位为m）：

图3.2酒杯型铁塔计算简图

由水平力：

M0＝2×885×11.7＋3×4883×6.6＋570×11.7＋2150×6.6

＝138251kg-m

Rv1=138251/12.4=11149kg

T14T’＝11149/2×1.808/1.4＝7199kg（压）

由垂直力：

Rv1=2×873＋3×4127/2＝7063kg

T14T”=（873＋4127×2－7063）/2×1.808/1.4

=2064/2×1.808/1.4=1332（拉）

T14T＝7199－1332＝5867（压）

从以上计算可以看出，因为水平力对T14T杆件产生较大的压力，而垂直力对T14T产生较小的拉力，垂直力越小，抵消杆件的压力越少，杆件压力越大。

应当指出，最小垂直荷载只要求在直线杆塔最大风速时考虑。

直线杆塔其他情况（如事故、安装）水平荷载很小，与最小垂直荷载组合不起控制作用。

●耐张杆塔不存在最小垂直档距问题，均不需要考虑这种工况。

但是，位于山区的耐张杆塔可能存在前后两档垂直荷载不等或倒拔问题，对横担、顶架的局部构件选材可能起控制作用，需要进行计算。

●安装荷载组合

5安装情况

施工和维护操作荷载的规定，一方面要保证施工过程的安全。

另一方面，应尽量避免不必要的荷载而增加项目投资，这是制订安装荷载的指导思想。

因此，《02规定》根据我国的项目实践列入了设计时必须要考虑的各种施工荷载。

设计时一般应遵守。

如有特殊情况应在设计文件中指明。

5.1直线杆塔（包括直线转角杆塔）应分别计算下列两种安装荷载：

1）提升导、地线及附件时发生的荷载：

这种荷载在施工和维护时均可能发生。

提升重量按2.0倍计算是考虑提升时，一般通过挂点滑轮对挂点产生2倍的重量。

如果采用转向滑轮起吊（图5.1）或其他有效措施，将起吊荷载控制在起吊重量的1.5倍以内是可行的。

直流线路施工已有项目经验。

但是，采用小于2倍起吊的荷载应在设计文件中说明。

图5.1转向滑轮起吊

2）锚线作业发生的荷载

锚线作业在220kV～500kV线路上普遍采用。

锚线对地夹角是影响锚线垂直分力的主要因素。

因此，要求锚线夹角尽量小，一般不大于20°。

如果达到这要求，导、地线锚线作业产生的垂直荷重与导、地线2倍起吊荷载接近。

根据项目实践，一般地形条件，锚线夹角20°是可以满足的。

直线杆塔锚线作业的荷载可综合如下：

正在锚：

G＝1.2×0.8Gk＋1.4ψ（1.1Lk·sin20°＋g0）

L＝1.1×1.4ψ·Lk（1-cos20°）

T＝1.0×1.4ψ·0.8Tk

已锚好：

G＝1.2×0.8Gk＋1.4ψ（Lk·sin20°）

L＝1.4ψ·Lk（1-cos20°）

T＝1.4ψ·0.8Tk

注：

①符号意义同耐张杆塔；

②公式内已包括荷载分项系数。

5.2耐张杆塔的安装荷载：

线路架线施工时，耐张杆塔可能作为锚塔（尽头塔），也可能作为紧线塔（操作塔）（图5.2-1）。

因此，杆塔强度和变形必须同时满足锚塔和紧线塔的各种荷载组合。

图5.2-1架线施工中的耐张杆塔

耐张杆塔的荷载由以下四部分组成：

1）导、地线荷载：

作为锚塔和作为紧线塔需要满足《02规定》第5.4.1条之2的假设条件。

这些假设条件主要是根据首先施工的那个耐张段作出的。

架设次序一般考虑自上而下左右平衡逐相（根）进行。

2）临时拉线产生的荷载：

作为锚塔和作为紧线塔均允许设置临时拉线，以平衡一部分导、地线张力，减轻结构的荷载。

按施工实践，临地拉线对地夹角不大于45°，设置方向与导、地方向一致时，临时拉线一般可按平衡导、地线张力的30％考虑。

但对500kV杆塔，因为导、地线张力较大，只能平衡导线张力的20kN或平衡地线张力的5kN。

这里指的是标准值，即不包括可变荷载分项系数1.4。

3）紧线牵引绳产生的荷载：

紧线牵引绳对地夹角要求一般不大于20°，以使紧线绳下压力尽量小。

4）安装时的附加荷载见《02规定》表5.4.1。

综上所述