風(fēng)荷載的全方位計(jì)算

風(fēng)荷載的全方位計(jì)算摘要：在高壓架空送電線路設(shè)計(jì)中，最不利風(fēng)向時(shí)的風(fēng)荷載常決定著桿塔內(nèi)力或基礎(chǔ)作用力的大小。然而如何確定最不利風(fēng)向以及最不利風(fēng)向確定后計(jì)算結(jié)果是否嚴(yán)謹(jǐn)，本文將通過(guò)幾個(gè)工程實(shí)例來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。Abstract：Intheprojectdesignofoverheadtransmissionlines,thewindloadusuallydecidesthesizeoftheforceinthetowerorthebasicforceattheconditionoftheworstwinddirection.Buthowtodecidetheworstwinddirectionandhow

toknowiftheresultisaccurateafterdecidingtheworstwinddirection.thispaperwillexplainthisqueastionthroughusingsomeexamplesofproject.Keywords：CompleteAzimuth；Forceonfoundation;Runningconditions;imbalancetension;windload1引言在高壓架空送電線路設(shè)計(jì)中，桿塔荷載的計(jì)算應(yīng)執(zhí)行《110~500kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》）中第12條“桿塔荷載及材料”。其中正常運(yùn)行情況下，應(yīng)計(jì)算的荷載組合是：1最大風(fēng)速、無(wú)冰、未斷線；2最大覆冰、相應(yīng)風(fēng)速及氣溫、未斷線3最低氣溫、無(wú)冰、無(wú)風(fēng)、未斷線（適用于終端和轉(zhuǎn)角桿塔，不含大跨越直線踏）本文主要針對(duì)上述第一種情況，在正常運(yùn)行大風(fēng)情況下計(jì)算鐵塔內(nèi)力或基礎(chǔ)作用力時(shí)可能出現(xiàn)的漏洞。《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）第六章第二節(jié)也對(duì)這種組合也提出了更詳細(xì)的規(guī)定，提出“在桿塔設(shè)計(jì)中，應(yīng)取最不利的風(fēng)向來(lái)計(jì)算桿塔的內(nèi)力”。在一般情況下，按照這些規(guī)定計(jì)算桿塔荷載，都能滿足線路工程施工投產(chǎn)后的安全運(yùn)行要求。但在某些情況下，主觀上認(rèn)為已經(jīng)是最不利的風(fēng)向，實(shí)際的計(jì)算結(jié)果還是錯(cuò)誤的。因此我們有必要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，模擬自然風(fēng)對(duì)桿塔所有方向的沖擊，全方位計(jì)算桿塔風(fēng)荷載，才使計(jì)算結(jié)果正確可靠。下面就列舉幾個(gè)設(shè)計(jì)工程中常碰到的案例。2不平衡張力作用下基礎(chǔ)受力計(jì)算在線路工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)碰到這樣的轉(zhuǎn)角塔，一邊是導(dǎo)線張力較大的連續(xù)檔，一邊是放松了應(yīng)力的孤立檔，而且橫擔(dān)中軸不在角平分線上。這就是典型的不平衡張力作用下的非對(duì)稱受力（圖一）。圖一電線不平衡張力計(jì)算示意圖在通常情況下，上圖桿塔風(fēng)荷載計(jì)算會(huì)誤認(rèn)為“零度大風(fēng)”或者“90度大風(fēng)”是最不利的風(fēng)向，其實(shí)不然。請(qǐng)看下面的一個(gè)工程實(shí)例。110Kv潮雙線N1號(hào)塔JGU4-15，右轉(zhuǎn)44°09′，導(dǎo)線LGJ-400/35,地線GJ-70，風(fēng)速35m/s,前檔是繼續(xù)已建雙回鐵塔的孤立檔，檔距299m。此檔考慮原塔受力限制，導(dǎo)地線采用放松應(yīng)力措施，安全系數(shù)分別為3.5和4.8；新建線路的這一邊是連續(xù)檔，檔距326m,代表檔距296m.導(dǎo)地線安全系數(shù)分別為3.0和4.1?；A(chǔ)作用力計(jì)算結(jié)果如下表2-1。從風(fēng)荷載的全方位計(jì)算結(jié)果可以看出，下壓腿I在45度大風(fēng)時(shí)下壓力最大333.0kN,下壓腿II在135度大風(fēng)時(shí)下壓力最大389.8kN,上拔腿IV在135度大風(fēng)時(shí)的上拔力最大304.5kN，因此如果只按0度大風(fēng)或者90度大風(fēng)計(jì)算基礎(chǔ)作用力，結(jié)果顯然是錯(cuò)誤的。同時(shí)也得出結(jié)論，最不利的風(fēng)向不是單一的。表2-1JGU4-15大風(fēng)情況下基礎(chǔ)作用力（kN）風(fēng)向（度）IIIIIIIV水平力垂直荷載（KN）上拔下壓上拔下壓上拔下壓上拔下壓HxHy00289.10198.9-233.90-143.6032.312.9110.4450333.00270.8-277.70-215.5044.99.2110.4900314.90342.2-259.70-287.0050.6-1.5110.41350241.30359.8-186.10-304.5044.7-12.3110.41800169.80317.5-114.60-262.3032.3-16.1110.42250126.00245.6-70.80-190.4019.6-12.4110.42700144.00174.1-88.20118.9014.0-1.7110.43150217.60156.5-162.40101.3019.89.1110.43直線塔基礎(chǔ)作用力計(jì)算正常運(yùn)行情況下，直線塔既無(wú)角度力，也不受不平衡張力作用，是導(dǎo)線、金具和塔身風(fēng)荷載使鐵塔產(chǎn)生力矩。在窄基鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，這個(gè)力矩使聯(lián)合基礎(chǔ)承受傾覆力；在寬基鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，這個(gè)力矩產(chǎn)生上拔力和增大下壓力。在直線塔基礎(chǔ)配置中，不能用單一“45度大風(fēng)”或者“60度大風(fēng)”來(lái)確定上拔基礎(chǔ)和下壓基礎(chǔ)，因?yàn)樗膫€(gè)基礎(chǔ)是對(duì)稱的，都同時(shí)承擔(dān)上拔力和下壓力。請(qǐng)看下面實(shí)例，用風(fēng)荷載全方位計(jì)算，各基礎(chǔ)受力情況一目了然。圖二–SZ402-15直線塔單線圖表3-1SZ402-15大風(fēng)情況下基礎(chǔ)作用力（kN）風(fēng)向（度）IIIIIIIV水平力垂直荷載（KN）上拔下壓上拔下壓上拔下壓上拔下壓HxHy00209.4-610-61.400209.4021.5294.1450309.70166.3-161.60-18.2023.212.4294.1900367.60367.6-219.60-219.60400294.11350166.30309.7-18.20-161.6023.2-12.4294.1180-61.400209.40209.4-61.400-21.5294.1225-161.60-18.200309.70166.3-23.2-12.4294.1270-219.60-219.600367.60367.6-400294.1315-18.20-161.600166.30309.7-23.212.4294.1220kV送電線路N7號(hào)塔SZ402-15（圖二）水平檔距337m，垂直檔距772.4m，代表檔距365m，采用雙分裂導(dǎo)線LGJX-630/55，雙避雷線LGJX-95/55。線路所在氣象區(qū)為第五氣象區(qū)，最大風(fēng)速35m/s。導(dǎo)地線安全系數(shù)分別為2.5和3.43。基礎(chǔ)作用力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3-1。從表3-1可以看出，任何單一的大風(fēng)情況計(jì)算結(jié)果都是片面的。全方位的計(jì)算結(jié)果顯示，SZ402-15的四只腿都有相同的下壓力和上拔力，但不是出現(xiàn)在某一大風(fēng)情況。本例最大受力出現(xiàn)在90度（270度）大風(fēng)中。有些直線塔，如貓型鐵塔，由于正側(cè)面根開(kāi)不一樣，最大的下壓力和上拔力常出現(xiàn)在45或60度大風(fēng)情況中。4小轉(zhuǎn)角的反向風(fēng)荷載在計(jì)算轉(zhuǎn)角塔的基礎(chǔ)受力時(shí)，往往只計(jì)算90度（270度）大風(fēng)情況，因?yàn)樵谶@種情況下，風(fēng)荷載與角度荷載同向疊加（如圖三），計(jì)算出來(lái)的下壓力和上拔力顯然是最大的，這個(gè)風(fēng)向是最不利的風(fēng)向也無(wú)可厚非。但利用這個(gè)計(jì)算結(jié)果配置基礎(chǔ)就錯(cuò)誤了，因?yàn)榉聪蝻L(fēng)荷載將產(chǎn)生另一性質(zhì)的力，在大轉(zhuǎn)角中這個(gè)力不存在影響，但在小轉(zhuǎn)角中這個(gè)力影響著基礎(chǔ)配置。請(qǐng)看一個(gè)工程實(shí)例。圖三風(fēng)荷載與角度荷載同向疊加220kV送電線路N14號(hào)塔SJ6301-18是轉(zhuǎn)角塔，如圖四。轉(zhuǎn)角度右轉(zhuǎn)β=4°26′,水平檔距524m，垂直檔距190.4m，前后代表檔距分別為445m和602m，采用雙分裂導(dǎo)線LGJX-630/55，雙避雷線LGJX-95/55。線路所在氣象區(qū)為第五氣象區(qū)，最大風(fēng)速35m/s。導(dǎo)地線安全系數(shù)分別為2.5和3.43。計(jì)算90度大風(fēng)時(shí)，下壓腿Ⅰ、Ⅱ的下壓力為521kN,上拔腿Ⅲ、Ⅳ的上拔力-347.9kN。如果我們據(jù)此配置基礎(chǔ)就錯(cuò)了，因?yàn)樵?70度大風(fēng)情況下，下壓腿Ⅰ、Ⅱ還承受-198.5kN上拔力，而上拔腿Ⅲ、Ⅳ也承受372.3kN下壓力。圖四SJ6301鐵塔單線圖分支塔的計(jì)算在工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到分支塔，在受力計(jì)算中“最不利的風(fēng)向”更是難以捉摸。圖五是甲乙二條單回110kV線路都必須經(jīng)過(guò)只有25m寬的瓶口，因此二條線路共用一雙回塔JGU2-12，然后又各自分開(kāi)。線路所在氣象區(qū)5，最大風(fēng)速35m/s,導(dǎo)地線安全系數(shù)都是2.5和3.43，甲線導(dǎo)線LGJ-240/40，地線GJ-50；乙線導(dǎo)線LGJ-185，地線GJ-50。采用風(fēng)荷載全方位計(jì)算，各基礎(chǔ)受力情況見(jiàn)表5-1。從表中同樣可以看出，最大基礎(chǔ)作用力不是在某一方向中。表5-1JGU2-12分支塔大風(fēng)情況下基礎(chǔ)作用力（kN）風(fēng)向（度）IIIIIIIV水平力垂直荷載（KN）上拔下壓上拔下壓上拔下壓上拔下壓HxHy00103.1081.1-61.00-39.009.85.284.2450140.30146.3-98.10-104.1019.42.284.2900212.90204.1-79.80-162.0023.2-5.684.2135058.00225.0-15.80-182.9019.2-13.984.218001.80191.6040.3-149.5010.4-16.684.2225-35.400126.4077.5-84.300.8-13.684.2270-170068.5059.1-26.40-3.0-5.884.2315046.9047.7-4.820-5.601.12.584.2圖五JGU2-12分支塔受力圖6萬(wàn)無(wú)一失的全方位計(jì)算從上面不同的例子可以得出相同的結(jié)論，那就是在風(fēng)荷載的計(jì)算中，不能僅考慮單一的最不利風(fēng)向，這樣的計(jì)算結(jié)果經(jīng)常是錯(cuò)誤的。而應(yīng)該采用全方位的風(fēng)荷載計(jì)算，各個(gè)塔腿的最大下壓力和上拔力