臺風(fēng)風(fēng)場善數(shù)對輸電桿塔力學(xué)特性的影響
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張宏杰，楊靖波，楊風(fēng)利，張志軍，朱樂東
（1．電力科學(xué)研究院，北京 100192;
2．溫州電力設(shè)計有限公司，浙江溫州 325000;
3．同濟大學(xué)橋梁系，上海200092）
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摘要：分析輸電桿塔風(fēng)荷載計算公式可知，臺風(fēng)風(fēng)場的平均風(fēng)速、風(fēng)剖面指數(shù)與湍流強度是影響桿塔風(fēng)荷載的主要參數(shù)，而臺風(fēng)在整個行進過程中，這些風(fēng)場參數(shù)不斷變化并共同影響輸電桿塔的風(fēng)荷載。為探索臺風(fēng)行進過程中桿塔受力變化規(guī)律，首先選取了臺風(fēng)卡努行進過程中5個不同時刻的風(fēng)場，開展了對應(yīng)的桿塔受力分析。分析結(jié)果顯示，桿塔應(yīng)力比與平均風(fēng)速的變化規(guī)律趨于一致。而后在設(shè)計風(fēng)速一致的前提下，以某大跨越桿塔為工程背景，開展了臺風(fēng)與常規(guī)風(fēng)兩類風(fēng)場作用下桿塔風(fēng)荷載和受力對比計算。參數(shù)分析顯示，臺風(fēng)與常規(guī)風(fēng)風(fēng)剖面指數(shù)的差異對桿塔風(fēng)荷載和受力影響較為顯著，最有可能引發(fā)倒塔事故。最后通過分析塔材應(yīng)力比沿塔身分布規(guī)律，找到了臺風(fēng)荷載作用下桿塔的薄弱部位，提出了補強措施，還選取了其他類型常用桿塔進行試算，對這一補強措施的適用性加以驗證。
關(guān)鍵詞：輸電桿塔：臺風(fēng)；風(fēng)場參數(shù)：力學(xué)特性；補強措施
0引言
根據(jù)我國電力行業(yè)桿塔設(shè)計規(guī)范提供的輸電桿塔風(fēng)荷載計算方法，可知風(fēng)場參數(shù)中的平均風(fēng)速、風(fēng)剖面指數(shù)及湍流強度是影響桿塔風(fēng)荷載的3個主要風(fēng)場參數(shù)。由于在臺風(fēng)行進過程中，3個參數(shù)自身及其組合效應(yīng)不斷變化，桿塔受力隨臺風(fēng)遷移的變化規(guī)律尚不明確，國內(nèi)外規(guī)范均未單獨予以考慮。且在設(shè)計偏于保守的情況下，臺風(fēng)作用下輸電桿塔倒塔事故仍有發(fā)生，這可能歸咎于臺風(fēng)與常規(guī)風(fēng)作用下的桿塔受力差異。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對臺風(fēng)風(fēng)場的研究取得了一些研究成果．為進一步確定臺風(fēng)最不利風(fēng)荷載工況及明確臺風(fēng)下的桿塔受力特性提供了研究所需的風(fēng)場參數(shù)。
在200—300 m的近地邊界層內(nèi)，平均風(fēng)速隨高度的變化一般能較好地滿足冪指數(shù)關(guān)系，平均風(fēng)剖面指數(shù)a的變化范圍在0.1～0.3之間；文獻[11]基于風(fēng)觀測塔和風(fēng)廓線雷達觀測到的臺風(fēng)黑格比風(fēng)速數(shù)據(jù)，對臺風(fēng)風(fēng)剖面指數(shù)與梯度風(fēng)高度開展了研究．明確指出風(fēng)剖面指數(shù)不再僅與地貌類型相關(guān)，規(guī)范推薦值不再適用。文獻[12]對臺風(fēng)湍流強度的研究表明，與良態(tài)氣候相比，臺風(fēng)湍流強度高出了30%。文獻[13 -14]各自給出了臺風(fēng)湍流強度與良態(tài)風(fēng)的換算公式，可在常規(guī)風(fēng)湍流強度剖面的基礎(chǔ)上推算臺風(fēng)湍流強度剖面。
為了明確臺風(fēng)行進過程中輸電桿塔受力變化規(guī)律，以及臺風(fēng)與常規(guī)風(fēng)作用下桿塔受力差異，本文基于收集到的實測臺風(fēng)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬臺風(fēng)數(shù)據(jù)，首先給出了實測臺風(fēng)風(fēng)場、統(tǒng)計回歸臺風(fēng)風(fēng)場和常規(guī)風(fēng)風(fēng)場這3類風(fēng)場的平均風(fēng)速、風(fēng)剖面指數(shù)及湍流強度取值。隨后選取實測臺風(fēng)卡努行進過程中5個典型時刻的臺風(fēng)風(fēng)場，分析了桿塔受力隨臺風(fēng)遷移的變化規(guī)律。開展了常規(guī)風(fēng)風(fēng)場與統(tǒng)計同歸臺風(fēng)風(fēng)場作用下某大跨越輸電桿塔的桿材受力計算．分析了臺風(fēng)與常規(guī)風(fēng)作用下塔身主材應(yīng)力分布差異，提出了針對薄弱環(huán)節(jié)的補強措施。最后，還選用其他常用塔型對所提出的補強措施的適用性進行了驗證。
1 風(fēng)場類型與參數(shù)取值
本文研究選取的風(fēng)場均設(shè)定處于A類地貌下，分別是常規(guī)風(fēng)風(fēng)場、實測臺風(fēng)風(fēng)場及統(tǒng)計回歸臺風(fēng)風(fēng)場。新版建筑規(guī)范更好地體現(xiàn)了湍流強度，m對風(fēng)荷載的影響，故常規(guī)風(fēng)風(fēng)場參照2012版荷載規(guī)范進行取值：實測臺風(fēng)風(fēng)場以同濟大學(xué)研究報告提供的臺風(fēng)忙努(Khanun 0515)實測數(shù)據(jù)進行取值：統(tǒng)計回歸臺風(fēng)風(fēng)場以同濟大學(xué)研究報告提供的，采用Monto Carlo隨機模擬和閾值法得到的100年重現(xiàn)期臺風(fēng)風(fēng)場模型進行取值。為闡明臺風(fēng)風(fēng)場參數(shù)取值依據(jù)．首先對實測臺風(fēng)風(fēng)場和統(tǒng)計同歸臺風(fēng)風(fēng)場做簡要介紹。
1.1 實測臺風(fēng)風(fēng)場參數(shù)取值
臺風(fēng)卡努( Khanun 0515)，2005年9月5日上午在雅浦島東南偏東約500 km的西北太平洋海面上形成的熱帶低壓，向西北方向移動。2005 -09 -11T14:50在浙江臺州市登陸，登陸時臺風(fēng)中心附近最大風(fēng)速50 m/s。登陸后臺風(fēng)中心繼續(xù)向西北方向移動．2005年9月13日在黃海中部變性為溫帶氣旋。圖1給出了2005年9月11日在A類地貌區(qū)域內(nèi)的觀測塔所觀測到的不同高度處平均風(fēng)速和湍流強度．以及對應(yīng)的風(fēng)剖面指數(shù)等近地風(fēng)特性。
考慮到臺風(fēng)行進過程中，輸電桿塔與臺風(fēng)中心的相對位置在不斷變化，臺風(fēng)自身風(fēng)場隨時間也在不斷發(fā)生變化．而桿塔內(nèi)力同時受到平均風(fēng)速、風(fēng)剖面指數(shù)及湍流強度的共同影響。為對上述3個參數(shù)的影響差異加以區(qū)分，選取了5個不同時段的風(fēng)場進行研究。這5個時段分別包含了平均風(fēng)速和湍流強度各自出現(xiàn)最大值的時刻，以及風(fēng)剖面指數(shù)出現(xiàn)最小值的時刻，從而盡可能地保證3種參數(shù)共同作用下的最不利荷載工況不會遺漏。表1為特定時段內(nèi)風(fēng)場特性參數(shù)取值。
1.2統(tǒng)計回歸臺風(fēng)風(fēng)場參數(shù)取值
由于臺風(fēng)觀測數(shù)據(jù)較少且分布極不均勻，需大量樣本統(tǒng)計同歸不同重現(xiàn)期極值的階段極值法不再適用，一種可行的用于統(tǒng)計回歸臺風(fēng)不同重現(xiàn)期極值風(fēng)速的方法是：采用Monto Carlo隨機數(shù)值模擬擴充臺風(fēng)風(fēng)速樣本，并借助閾值法得到具有一定保證率的不同重現(xiàn)期極值風(fēng)速。這種方法的主要模擬過程包括：利用Yan Meng數(shù)值臺風(fēng)模型，考慮臺風(fēng)中心氣壓差A(yù)P.最大風(fēng)速半徑R一、風(fēng)壓分布系數(shù)B、地表粗糙度ZO等參數(shù)變異的影響．進行不少于3 000次的Monto Carlo隨機模擬試驗．評估極值風(fēng)速隨閾值取值穩(wěn)定性變化曲線，確定合理閾值，并在此基礎(chǔ)上獲取合理的臺風(fēng)極值風(fēng)速。根據(jù)文獻[16]對1949 2010年間90次在上海地區(qū)影響較為顯著的臺風(fēng)風(fēng)速觀測資料．統(tǒng)計得到上海崇明地區(qū)100年重現(xiàn)期10 m高度處10 min平均風(fēng)速極值風(fēng)速為34.3 m/s．風(fēng)剖面指數(shù)a僅為0.072（見圖2）。圖2中。為計算點高度，He為梯度風(fēng)高度．V。為計算點高度處的風(fēng)速，ve為梯度風(fēng)高度處的風(fēng)速。
臺風(fēng)湍流強度取值為
式中：z為計算點對應(yīng)高度；l，。為10 m高度處湍流強度。
2工程背景
2.1 基本設(shè)計參數(shù)
本文研究所選取的大跨越桿塔呼高66 m,塔高89.6 m，全塔風(fēng)壓分段數(shù)為28段（見圖3）。該塔處于A類地貌，風(fēng)剖面指數(shù)a取為0.12, 90。大風(fēng)工況下10 m高度處的基本風(fēng)速取為47.3 m/s．導(dǎo)線平均高度80 m,導(dǎo)線沒計風(fēng)速71.3 m/s,導(dǎo)線設(shè)計水平檔距800 m，垂直檔距1200 m。
2.2 塔線風(fēng)荷載設(shè)計參數(shù)
桿塔風(fēng)荷載可表示為
式中：W。為桿塔風(fēng)荷載標準值；u為構(gòu)件體型系數(shù)；B2為桿件覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)；A，為構(gòu)件迎風(fēng)面面積。
風(fēng)壓高度變化系數(shù)u為
風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)B，可表示為
式中：R為脈動風(fēng)與結(jié)構(gòu)的共振響應(yīng)影響系數(shù)；B，為脈動風(fēng)背景分量影響系數(shù)。
其中R和B，可表示為
式中：f為結(jié)構(gòu)第一階自振頻率，Hz，大跨越桿塔一階頻率1.864 Hz;k。，為地貌粗糙度修正系數(shù)，對A類地貌取為1.28;f，為結(jié)構(gòu)阻尼比，對鋼結(jié)構(gòu)取為0.01; cpi(z)為高度z處結(jié)構(gòu)振型系數(shù)值；H為結(jié)構(gòu)總高度，89.8 m;p。為脈動風(fēng)荷載水平相關(guān)系數(shù)；p；為脈動風(fēng)荷載豎向相關(guān)系數(shù)；在A類地貌下，k取為1.276，al取為0.186。
導(dǎo)地線風(fēng)荷載參照文獻[1]，采用專業(yè)電氣荷載計算表格計算，并手動輸入風(fēng)壓高度變化系數(shù)，以考慮臺風(fēng)風(fēng)剖面指數(shù)的變化。
3臺風(fēng)遷移過程中桿塔受力變化
由于臺風(fēng)具有明顯的非定常特性．主要風(fēng)場參數(shù)隨時間變化幅度較常規(guī)風(fēng)更為劇烈，而平均風(fēng)速、風(fēng)剖面指數(shù)及湍流強度都會對桿塔風(fēng)荷載產(chǎn)生影響。為此，按照表1中描述的5個時段臺風(fēng)風(fēng)場．對圖3的大跨越輸電桿塔進行受力分析。隨臺風(fēng)遷移風(fēng)場的改變，塔身主材應(yīng)力比變化如圖4所示。應(yīng)力比為桿件的計算應(yīng)力與所采用材料的屈服應(yīng)力的比值。
由圖4可以看出．5個時段內(nèi)的最大應(yīng)力比基本上都出現(xiàn)在桿件510 -790上，故應(yīng)該對該桿件在臺風(fēng)卡努5個不同時段風(fēng)場作用下的應(yīng)力比與平均風(fēng)速、a及I10的對應(yīng)關(guān)系進行描述。由于上述4個指標具有不同的物理單位，需要進行正規(guī)化處理，再對無量綱系數(shù)進行對比。白重會在桿件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，而需要對比的是由風(fēng)荷載在桿件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力比，故應(yīng)該對臺風(fēng)作用下的桿件應(yīng)力比減去白重作用下的桿件應(yīng)力比。圖5給出了桿件510-790桿件應(yīng)力比與平均風(fēng)速、a及I10的對應(yīng)關(guān)系。由圖5可知，在臺風(fēng)的行進過程中，桿件的最大應(yīng)力比與平均風(fēng)速的變化規(guī)律趨于一致。
4臺風(fēng)風(fēng)場參數(shù)影響分析
臺風(fēng)與常規(guī)風(fēng)在風(fēng)剖面指數(shù)與湍流強度方面的差異都十分顯著。為明確這2個參數(shù)對桿塔受力造成的影響和差異．在平均風(fēng)速統(tǒng)一取為大跨越桿塔的設(shè)計風(fēng)速47.3 m/s的前提下，對常規(guī)風(fēng)與統(tǒng)計回歸臺風(fēng)風(fēng)場作用下的桿材受力進行了對比分析。2類風(fēng)場的參數(shù)設(shè)置如表2所示。
圖6給出了2類風(fēng)場作用下桿塔主材應(yīng)力比差異對比。由圖6可知，臺風(fēng)作用下的主材應(yīng)力比沿塔身分布規(guī)律基本與常規(guī)風(fēng)一致，但臺風(fēng)作用下的桿材應(yīng)力比顯著增加，最大增加幅度達到了12.7%。
由于圖6計算時采用的a與Iz（z）均不相同，不能區(qū)分風(fēng)剖面指數(shù)與湍流強度對臺風(fēng)作用下桿塔應(yīng)力比的影響程度．為此，進一步分析了與兩者直接相關(guān)的風(fēng)荷載計算系數(shù)——風(fēng)壓高度變化系數(shù)u和風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)B（見圖7）。圖7中，湍流強度的變化并未引起風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)B的太大變化，最大變化幅度僅為4%。然而，風(fēng)剖面指數(shù)的變化引起了風(fēng)壓高度變化系數(shù)u的顯著變化，最大變化幅度達到了14%,即風(fēng)剖面指數(shù)對桿塔風(fēng)荷載的影響更為顯著。據(jù)此推斷，與湍流強度相比．風(fēng)剖面指數(shù)的差異對桿塔受力特性的影響更為顯著。鑒于風(fēng)剖面指數(shù)對風(fēng)荷載影響顯著，且臺風(fēng)風(fēng)剖面受地表粗糙度影響較小，在臺風(fēng)多發(fā)
區(qū)且缺少臺風(fēng)實測數(shù)據(jù)的情況下，至少應(yīng)按A類地貌風(fēng)剖面指數(shù)進行設(shè)計。
5桿塔抗臺風(fēng)設(shè)計原則及其驗證
5.1 桿塔抗臺風(fēng)設(shè)計原則
由圖6可知，主材510-790、870-890應(yīng)力超限．為提高臺風(fēng)作用下的桿塔安全性能，需要對430-890區(qū)段的桿材進行補強。采取的措施為：提高430-790區(qū)段的桿材規(guī)格至2xL125 xIO.OH，提高790-890區(qū)段的桿材規(guī)格至2xL125 xlO.OH。臺風(fēng)風(fēng)場作用下，補強前后主材應(yīng)力比的變化情況如圖8所示。由圖8可以看出，采取補強措施后．原來可能出現(xiàn)應(yīng)力超限的桿件510 -790和870-890的應(yīng)力比不超過90%，達到了桿塔抗百年一遇臺風(fēng)的曰的。但修改風(fēng)場參數(shù)不便于設(shè)計人員使用，應(yīng)當仍然按照常規(guī)風(fēng)進行設(shè)計，通過預(yù)留一定的安全裕度以滿足抗臺風(fēng)要求。為此，在常規(guī)風(fēng)風(fēng)場下，對補強后桿塔的應(yīng)力比進行了計算。圖8還給出了補強后常規(guī)風(fēng)作用下桿塔應(yīng)力比。由圖8可知，按照預(yù)留20%的安全裕度原則．以常規(guī)風(fēng)風(fēng)場進行設(shè)計，只需確保桿塔最大應(yīng)力不超過80%，則即使是在100年重現(xiàn)期臺風(fēng)作用下，桿塔應(yīng)力也不會超過許用應(yīng)力，也就保障了桿塔的安全。
5.2抗臺風(fēng)設(shè)計原則應(yīng)用實例
為探討其他類型按照常規(guī)風(fēng)設(shè)計的桿塔在臺風(fēng)風(fēng)場作用下是否也會出現(xiàn)某些桿件應(yīng)力超限的問題，同時驗證上文提出的抗臺風(fēng)設(shè)計原則在其他類型桿塔上是否同樣適用，選取常用鐵塔型錄中提供的7813型桿塔，在設(shè)計風(fēng)速一致的前提下，開展了常規(guī)風(fēng)與統(tǒng)計回歸臺風(fēng)風(fēng)場下的對比計算。7813型桿塔呼高17.7 m，總體布置如圖9所示，設(shè)計風(fēng)速28 m/s，風(fēng)剖面指數(shù)0.12，10 m高度處湍流度I取為0.12。在臺風(fēng)風(fēng)場下，設(shè)計風(fēng)速也取為28 m/s,風(fēng)剖面指數(shù)取為0.072，10 m高度處湍流度I，取為0.148 8。
首先對7813型桿塔在常規(guī)風(fēng)和臺風(fēng)作用下的塔材應(yīng)力開展計算，如圖10所示，在常規(guī)風(fēng)作用下．主材710 -750、910 -1050區(qū)段應(yīng)力比均在90%以上，直接導(dǎo)致在臺風(fēng)風(fēng)場作用下，主材710-750. 910-1500區(qū)段應(yīng)力超限。按上文提出的抗臺風(fēng)設(shè)計原則，對應(yīng)力比在90%以上進行了補強，即提高190-490區(qū)段的桿材規(guī)格至L75×7H,適當提高630-750區(qū)段的桿材規(guī)格至L100x7H,適當提高850-910區(qū)段的桿材規(guī)格至L100x10H,適當提高910 -1500區(qū)段的桿材規(guī)格至L110x10H。補強后，仍然按照常規(guī)風(fēng)進行計算，則塔材最大應(yīng)力比基本都在80%許用應(yīng)力以下（見圖10），進一步開展臺風(fēng)作用下的塔材應(yīng)力計算表明，抗臺風(fēng)設(shè)計后，最終所有塔材的最大應(yīng)力均未超過許用應(yīng)力（見圖10），大大提高了桿塔的抗臺風(fēng)性能。
6結(jié)論
通過匯總臺風(fēng)風(fēng)場與常規(guī)風(fēng)風(fēng)場參數(shù)．開展臺風(fēng)風(fēng)場遷移過程中．以及常規(guī)風(fēng)與臺風(fēng)下的桿塔受力分析，明確了臺風(fēng)平均風(fēng)速、風(fēng)剖面指數(shù)及湍流強度這3個參數(shù)對桿塔力學(xué)特性的影響差異，得到的主要研究結(jié)論與建議如下：
(1)在臺風(fēng)遷移過程中，桿塔受力變化規(guī)律與臺風(fēng)平均風(fēng)速的變化規(guī)律趨于一致。
(2)在平均風(fēng)速一致的前提下，與湍流強度相比．臺風(fēng)風(fēng)剖面指數(shù)的變化對桿塔風(fēng)荷載影響更為顯著．也是最有可能導(dǎo)致按照常規(guī)風(fēng)設(shè)計的桿塔出現(xiàn)倒塔事故的原因。
(3)在臺風(fēng)多發(fā)區(qū)且缺少臺風(fēng)實測數(shù)據(jù)的情況下，建議忽略地貌類型，統(tǒng)一采用A類地貌風(fēng)剖面指數(shù)進行設(shè)計。
(4)算例分析表明，與常規(guī)風(fēng)相比，100年重現(xiàn)期臺風(fēng)作用下桿件應(yīng)力增加幅度為0.3%~18.9%．桿塔抗臺風(fēng)設(shè)計應(yīng)在常規(guī)風(fēng)滿應(yīng)力設(shè)計條件下預(yù)留20%的安全裕度。
