大跨越杆塔埃菲尔效应分析

大跨越杆塔埃菲尔效应分析

王文明1 孙宗德1 王子龙1 徐 震1 雷 强1 田 利2

(1.山东电力工程咨询院有限公司， 济南 250013； 2.山东大学土建与水利学院， 济南 250002)

摘 要：风荷载在空间中包含3个分量，在不同的高度处，风速存在不确定性。分别采用内力比法、折减系数法和剪力比方法对某大跨越杆塔进行埃菲尔效应分析，研究风荷载的不均性对杆塔斜材内力的影响。研究结果表明：大跨越杆塔下部塔身斜材存在埃菲尔效应，采用剪力比法时，埃菲尔效应更为明显。进行大跨越杆塔设计时，建议采用剪力比法进行设计。

关键词：大跨越杆塔； 埃菲尔效应； 斜材； 剪力比法

ABSTRACT：The wind load contains three components in space. In the vertical direction, the wind speed is uncertain at the different height. In order to study the effect of the long-span transmission tower under wind load, the Eiffel effect of long-span tower was studied by using the method of internal force method, load reduction factor method and shear ratio method. The results showed that the Eiffel effect was obvious for the diagonal web member in the bottom of the tower; the Eiffel effect was more obvious when the shear ratio method was selected. It was suggested that the shear ratio method could be used for the design of long-span transmission tower.

KEY WORDS：long-span transmission tower; Eiffel effect; diagonal web member; shear ratio method

高压输电线路是电能输送的载体，是重要的生命线工程。随着国民经济的快速增长，发达地区的电力需求与日俱增。因此，国家提出了“西电东输”、“北电南送”的能源发展战略，目前国家正处于特高压输电线路的建设进程中。采用特高压输电时，输电线路的工程规模趋于大型化，输电塔结构形式复杂多变，塔高大幅增加，工程造价指标大大提高。特高压输电线路有时需要跨过大江、大河，此时需要架设大跨越输电塔。大跨越输电塔的档距很大，一般超过1 000 m，甚至超过2 000 m。大跨越塔高度很大，一般超过100 m，甚至超过200 m。大跨越塔是特高压输电线路的关键部分，一旦发生事故，不但会造成巨大的经济损失，还会产生一定的社会影响[1-3]。

目前为止，输电塔-线体系的研究主要集中于静力分析、动力特性分析和仅考虑几何非线性的非线性时程分析[4-7]。李宏男等研究了大跨越输电塔的动力特性[4]，岳茂光等研究了输电塔在地震作用下的响应[5-7]。国外内也有一些学者研究了大跨越输电塔在大风或者地震作用下的非线性响应[8-9]。任超对大跨越输电塔进行了龙卷风作用下的静力分析和动力分析，分析中考虑材料非线性，得到了输电塔的变形及应力状况[8]。Albermani提倡对输电塔进行弹塑性分析，通过弹塑性分析可以对输电塔的设计进行改进，从而提高输电塔的性能，通过对某输电塔进行昂贵的全尺度倒塌试验和弹塑性分析，验证了弹塑性分析的可靠性[9]。

对于输电线路而言，风灾是最为严重的一种自然灾害[10]。在飓风中，一些输电线路发生不同程度的破坏，输电塔倾斜或倒塌、断线和绝缘子破坏是主要的破坏形式。1999年，日本九州地区的7条输电线路在飓风中发生故障，15基输电塔发生了倒塌。2011年，日本茨城县在台风中发生了输电塔连续性倒塌的事故。近年来，我国也发生了很多输电塔倒塌的事故。2005年，江苏盱胎500 kV双回路双江线8基输电塔发生风致倒塌事故。可见，大风导致输电线路发生破坏是比较常见的。因此，进行杆塔设计时，确保大跨越杆塔在基本风速下的安全性尤为重要。

为了确保杆塔的安全性，进行杆塔设计时应考虑风速沿高度变化的随机性。本文以国内某特高压交流工程为例，采用不同计算方法研究了大跨越杆塔的埃菲尔效应[11]，为大跨越杆塔的设计提供参考。

1 斜材埃菲尔效应原理

由于受到地面建筑物、河流、山脉以及空气热力作用的影响，近地气流的层间互相掺混，空气质点除了沿气流运动方向外，还存在与该方向垂直且不断变化的速度分量，使近地风的风速呈现脉动特性。因此，风荷载在空间中存在3个分量，而且，3个分量的大小不断发生变化。为了便于简化分析，可以认为近地风是由一个平均分量和脉动分量组成，表达式如下：

V(x,y,z,t)=Vm(x,y,z)+Vf(x,y,z,t)

(1)

式中:Vm(x,y,z)为规定时段内风速的平均值;Vf(x,y,z,t)为脉动风速，是均值为零的随机过程， 通常用均方值来表示其强度，计算式如下：

(2)

Vm(x,y,z)的计算式为：

Vm(x,y,z)=Vf(x,y,z,t)dt

(3)

式中：T为风速统计时距。

进行杆塔设计时，一般假定风速和风向是固定的，风压随着高度的增加而增大，GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[12]假定风压与高度呈指数关系。实际上，由于杆塔结构具有很大的空间尺度，因此不可能同时在不同的高度上达到最大风速。当杆塔某个高度的风速达到最大值时，离该点越远的高度处，风速一般不会达到最大值。因此，高度越高处，风压不一定越大。风速变化的这种特性，对曲线形杆塔斜材的受力影响很大。鉴于曲线形杆塔的外形与埃菲尔铁塔外形相似，因此把这种影响称之为斜材的埃菲尔效应。

如果根据“高度越高，风压越大”的假定进行杆塔设计，对于大部分杆件而言，这种方法是偏于安全的。然而对于塔身斜材而言，按照这种计算方法得到的杆件内力不一定最大。因此，对于塔身斜材应进行埃菲尔效应验算。特别是对于大跨越杆塔，为了确保大跨越杆塔的安全性，需要考虑风速在不同高度处的不确定性。

2 埃菲尔效应计算方法

进行埃菲尔效应计算时，一般采用：内力比法、折减系数法和剪力比法3种方法，下面对这3种方法进行简单介绍。

2.1 内力比法

所谓内力比法，即斜材内力取主材内力的一定百分比。DL/T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》[13]规定，当曲线形杆塔斜材没有按照折减系数法和剪力比方法计算埃菲尔效应时，为了保证斜材具有足够的承载能力，其设计内力不宜小于主材能力的3%。实际进行杆塔设计时，斜材的设计内力可取主材内力的3%～5%。在一些情况下，这种设计方法是可靠的。但是，对于一些特殊的杆塔，这种设计方法可能不足以保证杆塔安全。

2.2 折减系数法

折减系数法是以杆塔变坡段主材的交点为分界点，将杆塔分成上、下两大部分(这里以一次变坡的杆塔为例)，其中一段作用设计风荷载，设计风荷载是根据设计风速和相关参数进行计算确定的水平风荷载，另外一段考虑一定的折减，作用折减风荷载，如图1所示。

图1 折减系数法荷载工况示意

对于悬垂型杆塔，折减系数一般取0.3。折减系数法主要适用于风向角为90°和0°的大风情况，采用这种方法的步骤如下：1)确定杆塔变坡段主材的交点，将杆塔分成上、下两部分；2)在上、下两部分分别作用设计风荷载和折减风荷载，进行杆塔内力计算，即可求得杆塔斜材的最大内力。

2.3 剪力比法

剪力比法是根据杆塔斜材和主材承担的剪力比，求得风速最不利分布时斜材内力的一种方法。GB 50135—2006《高耸结构设计规范》[14]给出了斜材埃菲尔效应的计算方法，计算简图如图2所示。

图2 剪力比法埃菲尔效应计算简图

GB 50135—2006规定：当计算所得四边形钢管斜杆的剪力与同层塔柱承担的剪力比Δ满足式(4)时，斜材杆件内力取塔柱内力乘以系数α，α的计算式见式(5)。

(4)

式中：M、V为层顶弯矩和剪力；b为层顶宽度；θ为塔柱与铅直线夹角。

α=μ(0.228+0.649Δ)

(5)

式中：μ为系数，对于刚性斜杆取1.0，柔性斜杆取2.0；h为所计算截面以上塔体高度。

3 分析模型

采用的分析模型来源于榆横—潍坊1 000 kV高压交流输变电工程线路工程，如图3所示。该工程包含一个黄河大跨越段，长度为3.4 km，跨河方式采用耐-直-直-直-耐，共有3基双回路直线塔(1基为SKT1，2基为SKT2)和4基单回路锚塔MT1。SKT1和SKT2均为钢管塔，呼高分别为70，134 m，总高分别为139，203 m，变坡下部坡度均为12°。MT1为角钢和钢管混合塔，呼高为48 m，总高为81 m，锚塔采用矩形塔身断面，侧面坡度大于正面坡度。

a—SKT1;b—SKT2;c—MT1。
图3 分析模型

大跨越杆塔焊接工作量较大，考虑到钢材的焊接性能并参考国内以往大跨越工程，本工程采用Q235B和Q345B两种钢材，钢材的性能满足GB 50017—2003《钢结构设计规范》[15]的要求。

采用的导线为6×JLHA1/G4A-640/170，地线为OPGW-300。基本风速为32 m/s，导线覆冰为15 mm，地线覆冰为20 mm。进行杆塔设计时，考虑正常运行、覆冰、断线、安装、不均匀冰、舞动等工况，采用国内通用杆塔设计软件进行设计。

4 埃菲尔效应计算

分别采用内力比法、折减系数法和剪力比法，对大跨越塔SKT1、SKT2和MT1变坡以下塔身斜材(图3)进行埃菲尔效应测算，计算中只计算90°大风工况。采用内力比法时，斜材内力取主材内力的5%。采用折减系数法计算时，折减系数取0.3。SKT1和SKT2下段斜材埃菲尔效应计算结果分别见表1和表2，MT1下段斜材埃菲尔效应计算结果见表3。

由表1～3可以看出：变坡以下塔身斜材存在埃菲尔效应。采用不同计算方法得到的斜材内力明显不同，采用剪力比法计算得到的内力最大，采用内力比法得到的结果最小。采用内力比法时，斜材的计算内力远小于不考虑埃菲尔效应时的计算内力，设计中不应采用。采用折减系数法时，斜材的计算内力略大于不考虑埃菲尔效应时的内力，轴力提高率未超过2%，这说明DL/T 5154—2012给出的折减系数取值不能保证杆塔安全。采用剪力比法时，斜材的计算内力明显大于不考虑埃菲尔效应时的内力，轴力提高率可超过100%。SKT1埃菲尔效应的影响最大为40.2%，SKT2埃菲尔效应的影响最大为150.4%，这两基杆塔塔头相同。可以看出：埃菲尔效应与变坡下部塔身高度有关，变坡下部高度越大，埃菲尔效应越明显。对于分析的3基杆塔而言，埃菲尔效应最为明显的节间位于塔腿上部的第一个节间。

表1 SKT1埃菲尔效应计算

序号斜材编号主材轴力/kN斜材轴力/kN不考虑埃菲尔效应考虑埃菲尔效应折减系数法剪力比法内力比法轴力提高率/%折减系数法剪力比法内力比法考虑埃菲尔效应/%斜材内力/主材内力折减系数法剪力比法内力比法1A1138531728173419706930.313.6-64.812.514.252A2154271364136918717710.436.7-58.88.912.153A3155731318132316927790.427.9-54.08.510.954A4157631202120616917880.340.2-53.47.710.755A5160291461146615928010.38.6-49.79.19.95

注：轴力提高率=[(考虑埃菲尔效应轴力-不考虑轴力)/不考虑轴力]×100%。下同。

表2 SKT2埃菲尔效应计算

序号斜材编号主材轴力/kN斜材轴力/kN不考虑埃菲尔效应考虑埃菲尔效应折减系数法剪力比法内力比法轴力提高率/%折减系数法剪力比法内力比法考虑埃菲尔效应/%斜材内力/主材内力折减系数法剪力比法内力比法1B1191411655166221009570.426.4-54.48.711.052B22072715281534206310360.434.5-49.87.410.053B32101015001507193210510.528.2-45.67.29.254B42157912481251192210790.253.6-43.95.88.955B52209711711175187211050.359.3-41.05.38.556B623979982986191411990.494.1-37.44.18.057B724747938943192312370.5103.9-35.73.87.858B825801762768192312900.8150.4-32.93.07.559B92662911671172209613310.478.8-36.54.47.95

表3 MT1埃菲尔效应计算

序号斜材编号主材轴力/kN斜材轴力/kN不考虑埃菲尔效应考虑埃菲尔效应折减系数法剪力比法内力比法轴力提高率/%折减系数法剪力比法内力比法考虑埃菲尔效应/%斜材内力/主材内力折减系数法剪力比法内力比法1C1381185285512491910.446.1-84.722.432.852C2451062863211672260.684.7-80.714.025.953C3478655856410852391.192.4-77.911.822.754C4490263463910232450.860.1-76.013.020.95

5 结 论

1)大跨越杆塔变坡以下的塔身斜材存在埃菲尔效应，采用剪力比方法计算时，埃菲尔效应最为明显，埃菲尔效应的影响最大为150.4%；内力比方法不能用于大跨越杆塔的埃菲尔效应计算；采用折减系数法时，斜材的计算内力略大于不考虑埃菲尔效应时的内力，轴力提高率未超过2%。

2)变坡下部塔身越高，埃菲尔效应越明显。

3)对于本文分析的3种类型的杆塔而言，塔腿上部的第一个节间埃菲尔效应最为明显。

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EIFFEL EFFECT ANALYSIS OF LONG-SPAN TRANSMISSION TOWER

WANG Wenming1 SUN Zongde1 WANG Zilong1 XU Zhen1 LEI Qiang1 TIAN Li2

(1.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corporation Limited, Jinan 250013, China； 2.School of Civil and Hydraulic Engineering, Shandong University, Jinan 250002, China)

DOI:10.13206/j.gjg201709013

第一作者： 王文明,男，1987年生，博士，工程师。

通信作者：田利，[e-mail]。

收稿日期：2017-01-25