CN104933628A - 一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法，所述方法包括以下步骤：（1）确定下击暴流作用下输电铁塔风荷载组成成分；（2）确定输电铁塔不同高度处的竖直剖面风速；（3）确定雷暴移动过程中输电铁塔塔位处的平均水平风速；（4）确定下击暴流作用下输电铁塔风荷载。该方法兼顾输电线路安全性和经济性原则，解决了现有输电铁塔设计规范无法确定下击暴流风荷载的问题。

Description

一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法

技术领域：

本发明涉及一种输电铁塔风荷载确定方法，更具体涉及一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法。 

背景技术：

输电铁塔属于高柔的风敏感性结构，其风振响应和风灾防治方面的研究一直广受重视。下击暴流为雷暴天气中强下沉气流冲击地面后向四周扩散引起的冲击性近地面强风。下击暴流瞬时风速往往能够达到50m/s（F₂级）以上，对位于空旷原野中的输电铁塔容易造成较大的破坏。 

美国、澳大利亚和南非等国的调查结果表明，80%以上与气候有关的倒塔事故是由龙卷风和下击暴流等高强度风引起的。近年来，强雷暴风对我国输电线路的危害也呈现出频次增加、程度增大的趋势。其中，2005年6月14日，500kV任上线发生雷暴强风致倒塔事故，共10基铁塔倒塌；2007年7月27日，500kV郑祥线遭遇强雷暴袭击，直线塔倒塔6基；2009年7月24日，河北南部遭遇强风雷雨恶劣天气，造成500kV辛彭线倒塔8基。 

尽管下击暴流是一种极具破坏性的强风类型，风工程学者阐述了雷暴强风在新一代风荷载规范与标准中的重要性，但各国输电线路设计规范中大都未涉及这种强风类型，只有美国土木工程师协会（ASCE）和澳大利亚/新西兰（AS/NZS）等规范中对高强度风作用下输电线路设计做出了相关规定。由于输电铁塔结构设计时大都只考虑常规大气边界层风，而它与下击暴流在风速剖面、尺度特征等方面有较大差别，需要考虑雷暴移动路径、下击暴流风剖面等多个因素的影响，提出下击暴流作用下输电铁塔风荷载的确定方法，这对于指导下击暴流多发区输电线路设计、提高输电线路安全可靠性具有重要意义。 

发明内容：

本发明的目的是提供一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法，该方 法兼顾输电线路安全性和经济性原则，解决了现有输电铁塔设计规范无法确定下击暴流风荷载的问题。 

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法，所述方法包括以下步骤： 

（1）确定下击暴流作用下输电铁塔风荷载组成成分； 

（2）确定输电铁塔不同高度处的竖直剖面风速； 

（3）确定雷暴移动过程中输电铁塔塔位处的平均水平风速； 

（4）确定下击暴流作用下输电铁塔风荷载。 

本发明提供的一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法，所述步骤（1）中的输电铁塔风荷载只包括铁塔本体风荷载。 

本发明提供的一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法，所述步骤（2）中不同高度处的竖直剖面风速通过下式（1）确定： 

$V\left(z\right)=1.22\×[e^{(-0.15\frac{z}{z_{\max }})}-e^{(-3.2175\frac{z}{z_{\max }})}\×V_{\max }---\left(1\right)$

其中，V(z)为沿径向水平风速最大时，随高度变化的竖直剖面风速；下击暴流的最大水平风速V_max取80m/s；z为输电铁塔各个风压分段的形心高度；z_max为最大水平风速的所在高度，取70m。 

本发明提供的另一优选的一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法，所述风压分段为对输电铁塔沿高度方向进行的分段；所述风压分段包括横担分压分段和塔身风压分段。 

本发明提供的再一优选的一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法，所述下击暴流最大水平风速V_max对应的时距为3s，通过下式（2）将所述下击暴流风速转换为时距为10min的风速： 

V_max,10min＝1.423V_max,3s  （2）。 

本发明提供的又一优选的一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法， 所述步骤（3）中的平均水平风速通过下式（3）确定： 

U(z,t)＝V(z)×f(t)  （3） 

其中，V(z)为竖直剖面风速；f(t)为时间因子，取1.0，用于描述竖直剖面风速随时间的变化，受雷暴移动速度、轨迹和径向剖面风速因素的影响。 

本发明提供的又一优选的一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法，所述步骤（4）中下击暴流作用下输电铁塔风荷载通过下式（4）确定： 

$W_s=\frac{U{\left(z\right)}^2}{1600}\×{\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{\β}}_{\mathrm{zd}}{A}_s---\left(4\right)$

其中，U（z）为所述平均水平风速；μ_s为构件体型系数；β_zd为下击暴流风振系数；A_s为迎风面构件的投影面积。 

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果 

1、本发明的方法对于指导下击暴流多发区输电线路设计、提高输电线路安全可靠性具有重要意义； 

2、本发明的方法兼顾输电线路安全性和经济性原则，解决了现有输电铁塔设计规范无法计算下击暴流风荷载的问题； 

3、本发明的方法为下击暴流作用下输电铁塔设计提供技术依据，有效提高下击暴流多发区域输电铁塔的抗风能力； 

4、本发明的方法采用竖直风速剖面反映下击暴流与常规风的差异，这样便于与常规风风荷载计算方法衔接，并可直接采用现有的输电铁塔设计软件进行承载力校核，方便设计人员使用。 

附图说明

图1为本发明方法流程图； 

图2为本发明的输电铁塔风压分段示意图； 

其中，1-风压分段一，2-风压分段二，3-风压分段三，4-风压分段四，5-风压分段五，6-风压分段六，7-风压分段七，8-风压分段八，9-风压分段九。 

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。 

实施例1： 

如图1-图2所示，本例的发明的方法包括以下步骤： 

1.确定下击暴流作用下输电铁塔风荷载组成 

下击暴流作用下10m高度处的风速在50m/s以上，输电铁塔和导、地线风荷载如果均按此风速设计，输电线路造价会大大提高。加之下击暴流发生位置具有很强的随机性和不可重复性，整条线路均能抵御下击暴流也是不合理的。 

在下击暴流多发区域，尤其是发生过下击暴流造成倒塔事故的输电线路周围区域，只施加铁塔本体风荷载进行铁塔承载性能校验，既可以适当增加铁塔抗强风能力，还兼顾了经济性要求。 

2.确定输电铁塔不同高度处的竖直剖面风速 

（1）对输电铁塔沿高度方向进行风压分段，风压分段分为横担风压分段和塔身风压分段两类。输电铁塔各个风压分段的形心高度用z表示。 

（2）采用Vicroy模型计算输电铁塔不同高度处的竖直剖面风速，该模型的计算表达式为： 

$V\left(z\right)=1.22\×[e^{(-0.15\frac{z}{z_{\max }})}-e^{(-3.2175\frac{z}{z_{\max }})}\×V_{\max }---\left(1\right)$

式中：V(z)为沿径向水平风速最大时，随高度变化的竖直剖面风速；下击暴流的最大水平风速V_max取80m/s；z_max为最大水平风速的所在高度，取70m。 

（3）下击暴流最大水平风速V_max对应的时距为3s，为方便与中国输电线路设计中关于常规风风速取值的规定一致，将下击暴流风速转换为时距为10min的风速。3s与10min风速的时距换算关系为： 

V_max,10min＝1.423V_max,3s  （2） 

3.计算雷暴移动过程中输电铁塔塔位处的平均水平风速 

采用Chen&Letchford提出的混合随机模型，下击暴流平均水平风速可视为竖直剖面风速和时间因子的乘积： 

U(z,t)＝V(z)×f(t)  （3） 

式中：f(t)为时间因子，描述竖直风速剖面随时间的变化，受雷暴移动速度、轨迹和径向风速剖面等因素的影响。 

雷暴发生位置具有很强的不确定性，雷暴中心与某一基输电铁塔的相对位置也不确定。在进行输电线路设计时，对于雷暴风多发区域，应考虑下击暴流最大风速会历经各基铁塔，即式（3）中的时间因子f(t)取1.0。 

4.计算下击暴流作用下输电铁塔风荷载 

下击暴流作用下输电铁塔风荷载标准值的计算式为： 

$W_s=\frac{U{\left(z\right)}^2}{1600}\×{\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{\β}}_{\mathrm{zd}}{A}_s---\left(4\right)$

式中：由步骤3可知U(z)＝V(z)，V(z)采用步骤2所列的Victory模型计算；μ_s为构件体型系数；β_zd为下击暴流风振系数，按照常规风取值（参照《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》DL/T5154-2012）；A_s为迎风面构件的投影面积。 

以110kV单回路输电铁塔为例，该塔设计条件为：导线型号LGJ-240，地线型号GJ-50，设计水平档距350m，垂直档距600m，15m基准高设计风速25m/s；铁塔呼高24m，塔高30.3m。 

首先按照步骤1，确定下击暴流作用下铁塔风荷载只包括铁塔本体风荷载，忽略导线、地线风荷载的影响。 

按照步骤2方法，对输电铁塔进行风压分段，铁塔风压分段情况如附图1所示，共分为9个风压分段，其中包含2个横担风压分段和7个塔身风压分段。图中：风压分段一1和风压分段二2是横担风压分段；风压分段三3至风压分段九9均是塔身风压分段； 

采用Vicroy模型计算输电铁塔不同风压分段形心高度处的竖直剖面风速V(z)，结果见下表。 

风压分段形心高度z(m)	27.9	24.5	28.9	25.8	20.6	14.3	8.3	3.8	1.1
										V(z)3s	64.9	61.0	65.9	62.5	55.6	44.0	29.1	14.7	4.7
V(z)10min	45.6	42.9	46.3	43.9	39.1	30.9	20.5	10.3	3.3

按照步骤3方法，计算雷暴移动过程中输电铁塔塔位处的平均水平风速U(z,t)。 

按照步骤4方法，计算输电铁塔不同风压分段在下击暴流作用下的风荷载，结果见下表。 

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。 

Claims (7)

1.一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤： 

（1）确定下击暴流作用下输电铁塔风荷载组成成分； 

（2）确定输电铁塔不同高度处的竖直剖面风速； 

（3）确定雷暴移动过程中输电铁塔塔位处的平均水平风速； 

（4）确定下击暴流作用下输电铁塔风荷载。 

2.如权利要求1所述的一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法，其特征在于：所述步骤（1）中的输电铁塔风荷载只包括铁塔本体风荷载。 

3.如权利要求1所述的一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法，其特征在于：所述步骤（2）中不同高度处的竖直剖面风速通过下式（1）确定： 

其中，V(z)为沿径向水平风速最大时，随高度变化的竖直剖面风速；下击暴流的最大水平风速V_max取80m/s；z为输电铁塔各个风压分段的形心高度；z_max为最大水平风速的所在高度，取70m。 

4.如权利要求3所述的一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法，其特征在于：所述风压分段为对输电铁塔沿高度方向进行的分段；所述风压分段包括横担分压分段和塔身风压分段。 

5.如权利要求3所述的一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法，其特征在于：所述下击暴流最大水平风速V_max对应的时距为3s，通过下式（2）将所述下击暴流风速转换为时距为10min的风速： 

V_max,10min＝1.423V_max,3s  （2）。 

6.如权利要求1所述的一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法，其特征在于：所述步骤（3）中的平均水平风速通过下式（3）确定： 

U(z,t)＝V(z)×f(t)  （3） 

其中，V(z)为竖直剖面风速；f(t)为时间因子，取1.0，用于描述竖直剖面风速随时间的变化，受雷暴移动速度、轨迹和径向剖面风速因素的影响。 

7.如权利要求1所述的一种下击暴流作用下输电铁塔风荷载确定方法，其特征在于：所述步骤（4）中下击暴流作用下输电铁塔风荷载通过下式（4）确定： 

其中，U（z）为所述平均水平风速；μ_s为构件体型系数；β_zd为下击暴流风振系数；A_s为迎风面构件的投影面积。