CN102436548A - 一种微地形区输电杆塔线条风荷载计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微地形区输电杆塔线条风荷载计算方法。此计算方法可以为输电线路位于微地形区域，地面隆起或凹陷时线条风荷载的精确计算提供理论基础和参考方法。计算方法包括微地形地区线条风荷载的分段式计算模型，输电线路微地形地区的电线对地平均高度计算方法，以及该计算方法的流程。此方法计算精确、简便，为建设在微地形区的输电线路提供可靠的理论依据。

Description

一种微地形区输电杆塔线条风荷载计算方法

技术领域

本发明属于架空输电线路风荷载的计算领域，具体涉及一种微地形区输电杆塔线条风荷载计算方法。

背景技术

作用在架空输电线路杆塔结构上的风荷载主要由线条风荷载和塔身风荷载组成(此外还有绝缘子串风压等其他风荷载)。输电线路上的风荷载会受微地形和微气象的影响，在设计时许多国家输电线路设计规范都对相关地形下的设计方法进行了规定。

微地形分为高山分水岭(或山丘、山峰)、地形抬升形(或悬崖、山坡)和垭口(或峡谷风道、波动地形)。水平风速在微地形区域将会产生变化，输电线路在建设中无可避免要经过这些区域，当水平风速被增大，则输电线路实际风荷载也会增大，当设计值偏小时，将会产生断线、倒塔等严重事故。尽管各国规范对此作了相关规定，但实际地形千差万别，规定的设计值与实际值有时出入较大，这就造成倒塔断线情况时有发生。

我国《建筑结构荷载规范》对山区的建筑物的风压高度变化系数采用修正系数进行修正。对山峰(山丘)及山坡(悬崖)只给出山顶的修正，其它地方按线性插值而得。修正系数公式相关参数中只有不同地貌修正系数k，参数较少，相对简单。对于其他地形，我国荷载规范给出了修正系数的取值范围。《电力工程气象勘测技术规程》采用山区风速修正系数的方法，并且也给出了修正系数的取值范围。根据《110～750kV架空输电线路设计规范》的相关规定，山区送电线路的最大设计风速，如无可靠资料，应按附近平原地区的统计值提高10％，即风速调整系数均为11。

风吹向电线时仅产生与电线轴线相垂直的风荷载。一般输电线路杆塔两侧导地线水平风荷载G_h计算，采用电线平均高度下的单位水平风荷载P_h与每侧电线长度L之半的乘积(近似为斜档距或档距之半)，即杆塔每侧导地线水平风荷载为

$G_h=\frac{L}{2}{P}_h---\left(1\right)$

也就是说，可以将电线近似为一条平均高度下的水平线，采用每点相同的风压并考虑一定的修正。经过简单推导可以得知，这是一种简化方法，误差与电线的具体形状以及地面粗糙度有关。当输电线路位于微地形区域，地面隆起或凹陷，导致导地线的平均高度发生变化；同时，沿线风速也因为微地形作用而与平原地区不同。继续采用以往的方法计算则会产生较大的误差。

发明内容

本发明目的在于提供一种微地形区输电杆塔结构线条风荷载的计算方法，此方法计算简便，为微地形地区线条风荷载的精确计算提供理论基础和参考方法，依据此计算方法设计经过微地形区的输电线路，可为考虑微地形对输电线路的影响提供方法。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：

一种微地形区输电杆塔线条风荷载计算方法，其改进之处在所述方法包括如下步骤：

1)判断地形种类，测量输电线路路径地形参数：

地形参数包括山高H和地面倾斜角α，

地形分为山丘、悬崖或垭口

2)计算整档输电线路最大弧垂f_M：

$f_M=\frac{\mathrm{\γ}{l}^2}{8{\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}}---\left(1\right)$

其中：γ为电线的比截，l为整档档距，σ₀为电线上各点应力的水平分量，β为高差角；

3)根据不同微地形确定计算模型：

c)山丘或悬崖微地形

d)垭口微地形

其中：G_h为电线风荷载，P为对地距离h处对应水平风荷载，L为档距；

4)计算平地段和上山段电线对地平均高度h_p：

c)平地段：

情况1：当平地段的起始点位于悬挂点A时，即x＝0处：

将平地段视为档距为l₁的一档，平地段弧垂最大值f_M1位于

处，则上山段对地平均高度h_p1为：

$h_{p1}=n\frac{h}{2}-(2n-\frac{4}{3}{n}^2)f_M+h_A---\left(4\right)$

其中： $f_{M1}=\frac{\mathrm{\γ}{l_1}^2}{8{\mathrm{\σ}}_o\cos \mathrm{\β}},$

l₁即为平地段电线的水平长度，

$\frac{l_1}{l}=n,(0\≤n\≤1);$

情况2：当平地段的起始点位于x＝l₀时：

将平地段视为档距为l₁的一档，平地段弧垂最大值f_M1位于处，则上山段对地平均高度h_p1为：

$h_{p1}=\mathrm{nh}-[4(n-n^2)-\frac{4}{3}{(n-n_0)}^2]f_M+h_A---\left(5\right)$

其中： $f_{M1}=\frac{\mathrm{\γ}{l_1}^2}{8{\mathrm{\σ}}_o\cos \mathrm{\β}},$

l₁为平地段水平长度，h为高差，h_A为挂线点A的对地高度，

$n=(l_0+\frac{l_1}{2})/l,(0\≤n\≤1),$ $n_0=\frac{l_0}{l},(0\≤n_0\≤1);$

d)上山段：

将上山段视为档距为l₂的一档，上山段弧垂最大值f_M2位于

处，则上山段对地平均高度h_p2为：

$h_{p2}=(1-\frac{m}{2})h-(2m-\frac{4}{3}{m}^2)f_M-\frac{H}{2}+h_A---\left(6\right)$

其中： $f_{M2}=\frac{\mathrm{\γ}{l_2}^2}{8{\mathrm{\σ}}_o\cos \mathrm{\β}},$

l₂为上山段水平长度，h为高差，h_A为挂线点A的对地高度，H为山高，

$m=\frac{l_2}{l},(0\≤m\≤1);$

5)计算平地段和上山段电线的水平风荷载p_h：

b)平地段：

可按一般的方法计算，即平均对地高度h_p处风压作为设计值；

c)上山段：

上山段采用三分之二的山脚风压加上三分之一的山顶风压作为设计值；

6)计算输电线路的风荷载：

$G_h=\frac{1}{2}{\∫}_L{P}_h\mathrm{dl}=\frac{1}{2}({\∫}_{L_1}{P}_{h1}\mathrm{dl}+{\∫}_{L_2}{P}_{h2}\mathrm{dl}+\·\·\·+{\∫}_{L_n}{P}_{\mathrm{hn}}\mathrm{dl})---\left(6\right)$

当L段内风速为定值时，则公式(6)可简化为：

$G_h=\frac{1}{2}(P_{h1}{L}_1+P_{h2}{L}_2+\·\·\·+P_{\mathrm{hn}}{L}_n)---\left(7\right)$

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1)本方法对现有输电线路杆塔两侧导地线风荷载的计算进行了修正，对高山分水岭(或山丘、山峰)、地形抬升形(或悬崖、山坡)和垭口(或峡谷风道、波动地形)等微地形区输电导线风荷载的计算进行修正，计算值与实际值较接近，为微地形区输电导线建设提供可靠的依据；

2)本方法提供了一种输电线路微地形地区的线条风荷载分段式计算模型，输电线路微地形地区的电线对地平均高度计算方法，以及该计算方法的流程，为不同微地形区输电线路风荷载的计算创建了一套模型；

3)本方法计算简便，降低了对工作人员的要求，且可以快速准确的得到计算值，加快输电导线建设的进行。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是山丘/悬崖线条风荷载计算简图；

图2是垭口线条风荷载计算简图；

图3是微地形输电线路计算简图(起始点位于悬挂点A)；

图4是微地形输电线路计算简图(起始点位于x＝l₀)；

图5微地形输电线路布置示意图。

附图标记：

h_p1、h_p2、h_p3：电线对地平均高度；

P_h1、P_h2、P_h3：电线平均高度下的单位水平风荷载；

A、B：导线悬挂点；

l₀、l₁、l₂：档距；

H：山高：

h_A：挂线点A的对地高度；

h₀、h、h₁：高差；

α：上山段地面与水平地面的夹角；

β、β₁、β₂：高差角；

f_M、f_M1、f_M2：档距最大弧垂；

γ：电线的比载；

σ₀：导线上各点应力的水平分量；

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行详细的说明。

本发明提供了一种适用于微地形地区的输电线路杆塔结构线条风荷载的计算方法。

(1)微地形区域的线条风荷载计算模型

精确计算时应采用导地线的几何方程，根据沿线地形计算出每一点的对地距离及对应水平风荷载，再沿线积分从而求得线条风荷载。

当沿线风速变化时，

$G_h=\frac{1}{2}{\∫}_L{P}_h\mathrm{dl}$

$=\frac{1}{2}({\∫}_{L_1}{P}_{h1}\mathrm{dl}+{\∫}_{L_2}{P}_{h2}\mathrm{dl}+\·\·\·+{\∫}_{L_n}{P}_{\mathrm{hn}}\mathrm{dl})---\left(2\right)$

由式(2)可知，当沿线风速变化时可以将电线根据风速的变化划分为若干小段，并求和。当每段风速为定值时，式(2)则变为式(3)。

$G_h=\frac{1}{2}(P_{h1}{L}_1+P_{h2}{L}_2+\·\·\·+P_{\mathrm{hn}}{L}_n)---\left(3\right)$

根据式(2)和式(3)，对于山丘、悬崖和垭口地形可继续分段采用导地线的对地平均高度处的水平风速作为设计值，则风压高度变化系数也要根据高度的变化作相应调整，其它参数不变。每段对地平均高度可根据下文所述的方法得到。

(a)山丘或悬崖

如附图1所示，导地线可分为两部分：平地段和上山段。平地段可按一般的方法计算，即平均对地高度h_p处风压作为设计值，平均对地高度则需重新计算。根据已有的研究，上山段按相同对地高度时风速呈线性变化，风压则呈抛物线形式，可以采用三分之二的山脚风压加上三分之一的山顶风压作为设计值。

(b)垭口

对于垭口地形结构，如附图2所示，可将导地线分为三段：平地段和两侧上山段。假设平地段按风速沿线不变化考虑，上山段为风速线性增大区域，与山丘和悬崖类似。

(2)电线对地平均高度计算：

电线高于最低点的平均高度位于档距中央电线以上f_M/3处(f_M为档距最大弧垂)，当微地形区域如附图3所示，可以简化为平地段(l₁)和上山段(l₂)时，分别计算每段的电线平均高度。电线曲线以斜抛物线进行模拟。

I.平地段

(a)整档(l)最大弧垂

$f_M=\frac{\mathrm{\γ}{l}^2}{8{\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}}---\left(4\right)$

式中γ为电线的比载，σ₀为线上各点应力的水平分量，β为高差角，l为档距。

(b)当该段仅有一部分(l₁)位于平地时，起始点位于悬挂点A

将平地段(l₁)看作一档，该档最大弧垂f_M1在x＝l₁/2处；

假设l₁/l＝n(0≤n≤1)，平地段(l₁)的电线对地平均高度h_p1为

$h_{p1}=n\frac{h}{2}-(2n-\frac{4}{3}{n}^2)f_M+h_A---\left(5\right)$

电线高出最低点O点的平均高度h_av1位于该段(l₁)中央电线以上f_M1/3处；当已知n和以上求出的最大弧垂f_M即可求出平地段(l₁)的电线对地平均高度h_p1。h_A为挂线点A的对地高度。

(c)当该段仅有一部分(l₁)位于平地时，起始点位于x＝l₀时

若将平地段(l₁)看作一档，该档最大弧垂f_M1位于在x＝l₁/2+l₀处；

假设

l₀/l＝n₀(0≤n₀≤1)，平地段(l₁)的电线对地平均高度h_p1为

$h_{p1}=\mathrm{nh}-[4(n-n^2)-\frac{4}{3}{(n-n_0)}^2]f_M+h_A---\left(6\right)$

电线高出最低点的平均高度h_avl位于该段(l₁)中央电线以上f_M1/3处；当已知n、n₀和以上求出的最大弧垂f_M即可求出平地段(l₁)的电线对地平均高度h_pl。h_A为挂线点A的对地高度，h为高差。

II.上山段

将上山段(l₂)地面简化为角度为α的一个倾斜面，水平长度为l₂，高度为H，对该段电线的曲线方程进行修正后仍为抛物线形式，见附图3。

将上山段(l₂)看作一档，该档弧垂最大值f_M2位于

(或

)处；假设l₂/l＝m(0≤m≤1)，上山段(l₂)的电线对地平均高度h_p2为

$h_{p2}=(1-\frac{m}{2})h-(2m-\frac{4}{3}{m}^2)f_M-\frac{H}{2}+h_A---\left(7\right)$

电线高出最低点的平均高度h_av2位于该段(l₂)中央电线以上f_M2/3处；当已知m和以上求出的最大弧垂f_M即可求出上山段(l₂)的电线对地平均高度h_p2。h_A为挂线点A的对地高度，h为高差，H为山高。

(3)计算流程

步骤一：从输电线路路径地形参数中得到微地形的参数，山高H，地面倾角α，对微地形种类进行判断；

一般分为山丘、悬崖和垭口。

步骤二：计算整档输电线路的最大弧垂f_M；

根据公式(4)；

步骤三：根据不同种类微地形相应的计算模型进行分段简化；

1)山丘/悬崖：分为平地段和上山段(根据图1)；

2)垭口：分为平地段以及两侧上山段(根据图2)；

步骤四：将每段电线都看作一档，分别计算每段电线的对地平均高度h_pn；

1)山丘/悬崖：(根据附图3)；

起始点位于悬挂点A的平地段(l₁)根据公式(5)；上山段(l₂)根据公式(7)；

2)垭口：(根据附图3、4)；

起始点位于x＝l₀的平地段(l₁)根据公式(6)；上山段(l₂)根据公式(7)

步骤五：根据每段电线的对地平均高度，分别计算每段电线的水平风荷载P_hn；

平地段可按一般的方法计算，即平均对地高度h_p处风压作为设计值；上山段采用三分之二的山脚风压加上三分之一的山顶风压作为设计值。

其它参数根据我国现行规范的相关规定。

步骤六：计算输电线路杆塔线条风荷载。

根据公式(2)(3)。

以附图5所示的一个档距的输电线路为例对本方法进行进一步说明。

档距L＝480m，杆塔位于山顶，电线

四分裂，挂线点对地高度39m，对地高度10m处风速为32m/s，应用我国现行荷载规范计算风速影响系数。

(1)提取地形参数：山高50m，坡度0.3，判断后该杆塔位于垭口微地形上；

(2)根据公式(4)计算整档最大弧垂：65.64m；

(3)根据微地形线条风荷载计算模型将该档距分为三段：平地段146.7m和两侧上山段166.7m(均指水平距离)；

(4)根据公式(5)(6)(7)分别计算每段平均对地高度；

平地段：n＝0.5001，n₀＝0.3473，对地平均高度25.40m

上山段：m＝0.3473，对地平均高度28.96m

(5)分别计算每段对地平均高度下的风荷载；

根据我国现行荷载规范，取风压影响系数为1.35，则根据我国现行输电线路设计规范计算每段风荷载：

平地段：风荷载35.3473kN

上山段之和：风荷载83.7781kN

(6)根据公式(2)(3)计算输电线路杆塔线条风荷载：59.5627kN。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (1)

1.一种微地形区输电杆塔线条风荷载计算方法，其特征在所述方法包括如下步骤：

1)判断地形种类，测量输电线路路径地形参数：

地形参数包括山高H和地面倾斜角α，

地形分为山丘、悬崖或垭口

2)计算整档输电线路最大弧垂f_M：

$f_M=\frac{\mathrm{\γ}{l}^2}{8{\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}}---\left(1\right)$

其中：γ为电线的比截，l为整档档距，σ₀为电线上各点应力的水平分量，β为高差角；

3)根据不同微地形确定计算模型：

a)山丘或悬崖微地形

b)垭口微地形

其中：G_h为电线风荷载，P为对地距离h处对应水平风荷载，L为档距；

4)计算平地段和上山段电线对地平均高度h_p：

a)平地段：

情况1：当平地段的起始点位于悬挂点A时，即x＝0处：

将平地段视为档距为l₁的一档，平地段弧垂最大值f_M1位于

处，则上山段对地平均高度h_p1为：

$h_{p1}=n\frac{h}{2}-(2n-\frac{4}{3}{n}^2)f_M+h_A---\left(4\right)$

其中： $f_{M1}=\frac{\mathrm{\γ}{l_1}^2}{8{\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}},$

l₁即为平地段电线的水平长度，

$\frac{l_1}{l}=n,(0\≤n\≤1);$

情况2：当平地段的起始点位于x＝l₀时：

将平地段视为档距为l₁的一档，平地段弧垂最大值f_M1位于

处，则上山段对地平均高度h_p1为：

$h_{p1}=\mathrm{nh}-[4(n-n^2)-\frac{4}{3}{(n-n_0)}^2]f_M+h_A---\left(5\right)$

其中： $f_{M1}=\frac{\mathrm{\γ}{l_1}^2}{8{\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}},$

l₁为平地段水平长度，h为高差，h_A为挂线点A的对地高度，

$n=(l_0+\frac{l_1}{2})/l,(0\≤n\≤1),$ $n_0=\frac{l_0}{l},(0\≤n_0\≤1);$

b)上山段：

将上山段视为档距为l₂的一档，上山段弧垂最大值f_M2位于

处，则上山段对地平均高度h_p2为：

$h_{p2}=(1-\frac{m}{2})h-(2m-\frac{4}{3}{m}^2)f_M-\frac{H}{2}+h_A---\left(6\right)$

其中： $f_{M2}=\frac{\mathrm{\γ}{l}_2^2}{8{\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}},$

l₂为上山段水平长度，h为高差，h_A为挂线点A的对地高度，H为山高，

$m=\frac{l_2}{l},(0\≤m\≤1);$

5)计算平地段和上山段电线的水平风荷载p_h：

a)平地段：

可按一般的方法计算，即平均对地高度h_p处风压作为设计值；

b)上山段：

上山段采用三分之二的山脚风压加上三分之一的山顶风压作为设计值；

6)计算输电线路的风荷载：

$G_h=\frac{1}{2}{\∫}_L{P}_h\mathrm{dl}=\frac{1}{2}({\∫}_{L_1}{P}_{h1}\mathrm{dl}+{\∫}_{L_2}{P}_{h2}\mathrm{dl}+\·\·\·+{\∫}_{L_n}{P}_{\mathrm{hn}}\mathrm{dl})---\left(6\right)$

当L段内风速为定值时，则公式(6)可简化为：

$G_h=\frac{1}{2}(P_{h1}{L}_1+P_{h2}{L}_2+\·\·\·+P_{\mathrm{hn}}{L}_n)---\left(7\right)$

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