國內外輸電線路桿塔設計標準對比

國內外輸電線路桿塔設計標準對比

世界正在發(fā)生重大變化。國際投資促進模式和多邊投資促進規(guī)則正在制定和實施中。國家制定了“一帶一路”政策，鼓勵國內公司離開。掌握國內外輸電線路工程設計標準的差異,對于控制工程造價、質量和進度顯得尤為重要。桿塔設計是影響線路工程造價的關鍵因素之一。本文通過研究國內外輸電線路桿塔設計標準在安全度、荷載和構件計算方面的差異,結合實例進行對比分析計算,并通過鐵塔真型力學試驗進行驗證,其結論可為以后的境外輸電線路工程設計提供參考。1美國生物處理標準主要分為4個基本組成我國架空輸電線路設計的標準體系分為國家標準、行業(yè)標準和企業(yè)標準等,國家標準主要有:GB50545-2010《110kV~750kV架空輸電線路設計標準》等,行業(yè)標準主要有:DL/T5154-2002《架空送電線路桿塔結構設計技術規(guī)定》等。國際電工委員會(IEC)于1991年頒布了IEC60826:1991《架空輸電線路荷載和強度》,2003年在總結實踐經驗的基礎上,進一步修訂并頒布了IEC60826:2003《輸電線路結構設計標準》。美國的架空輸電線路設計標準體系主要由以下4部分組成:(1)國家法規(guī)和安全規(guī)定執(zhí)行美國國家電力規(guī)定NEC和美國國家電力安全標準NESC;(2)電氣部分以IEC60826標準為主;(3)結構設計以美國土木工程協(xié)會ASCE標準為主,還可參考美國鋼結構協(xié)會AISC標準;(4)桿塔材料執(zhí)行美國測試和材料協(xié)會ASTM的系列標準。歐盟于1972年成立歐盟電工標準化委員會(CENELEC),2001年正式發(fā)行架空輸電線路設計標準EN50341∶2001,包括英語、德語和法語3個版本,各個國家再根據本國的實際情況進行小幅度的修訂,形成本國的標準,并在名稱前面加上本國的簡寫,如英國標準為BS-EN50341∶2001。2國內外電路燈塔的設計標準不同從影響桿塔設計的關鍵因素:安全度、荷載和結構計算三方面進行對比分析,找出設計標準的差異及其影響。2.1我國規(guī)范與國外規(guī)范的比較我國規(guī)范按照電壓等級和線路種類的不同,將輸電線路劃分為3個結構安全級別,通過結構重要性系數來反映。國外規(guī)范規(guī)定的安全級別與冰、風荷載的重現期有關,見表1。為使得國內外規(guī)范相當安全系數相互比較的起點相同,以我國規(guī)范規(guī)定的50年重現期為基準,分別將各國規(guī)范各個重現期的相當安全系數與之比較,計算結果見表2。從表2可以看出,與國外規(guī)范相比,我國規(guī)范50a重現期的相當安全系數:(1)對于輕冰區(qū),Ⅰ級結構與美國規(guī)范50a及歐盟500a重現期較為接近;Ⅱ級結構,除與歐盟規(guī)范150a重現期較為接近,普遍小于國外規(guī)范;Ⅲ級結構,則遠小于國外規(guī)范。(2)對于中冰區(qū),Ⅰ級結構除與IEC規(guī)范500a重現期較為接近外,普遍大于國外規(guī)范;Ⅱ級結構,與美國規(guī)范400a和IEC規(guī)范150a重現期較為接近,略小于IEC規(guī)范500a重現期,普遍大于國外規(guī)范其他重現期;Ⅲ級結構,與美國規(guī)范100a重現期和IEC規(guī)范50a重現期較為接近,普遍大于國外規(guī)范其他重現期。(3)對于重冰區(qū),則遠大于國外規(guī)范。2.2塔的承受載量(1)塔架的載荷國內外規(guī)范設計荷載工況的大致對應關系見表3。(2)概率統(tǒng)計方法國外規(guī)范都是以冰、風荷載的長期觀測資料為基礎,假定冰、風荷載服從某一概率分布類型,按其概率分布的某一不利分位值用概率統(tǒng)計方法確定。我國規(guī)范除風荷載具有較長期的觀測資料,可按概率統(tǒng)計方法確定外,冰荷載由于缺乏長期的覆冰觀測數據,多按相鄰已運行線路的運行資料和經驗來確定設計冰厚,缺乏長期觀測數據的支撐和數理模型的推算見表4。(3)負荷事故連接及分類系數國內外規(guī)范均采用概率統(tǒng)計理論進行桿塔荷載計算,對不同類型工況采取不同的分項系數和荷載組合系數。2.3拉、螺栓抗剪和螺栓孔金屬承載力國內外規(guī)范桿塔構件結構計算均分別從軸心受壓、受拉、螺栓抗剪和螺栓孔承壓等方面考慮,其計算方法基本類似,但在參數取值方面存在差異,總體來說,其構件承載力較國內規(guī)范要高,詳見表9。3設計計算材料針對安哥拉SOYO項目400kV輸電線路工程中的4Z1直線塔、4J1耐張塔,分別根據歐盟和國內規(guī)范進行設計計算。設計風速為30m/s,無冰;導線型號為AAAC-660(d=33.39mm),地線型號為OPGW-143(d=16mm);4Z1直線塔設計水平檔距450m,垂直檔距600m;4J1轉角塔設計水平檔距450m,垂直檔距650m,轉角度數30°。3.1外規(guī)范根據結構風荷載計算方法(1)大風工況導、地線荷載,見表6、表7。(2)塔身風荷載國內外規(guī)范塔身風荷載計算方法基本類似,限于篇幅,僅給出4Z1直線塔45°風工況塔身風荷載計算值,見表8、圖1。以上結果表明按國內規(guī)范計算的塔身風荷載值較歐盟規(guī)范要大,橫擔部分相差較大,塔身部位差別在20%左右。3.2主要構件承載力對比選取Q235、Q345和Q420三種材質的鋼材按國內和歐盟規(guī)范進行構件承載力對比分析,4Z1、4J1塔的主要構件承載力對比見表9。從表9可以看出按歐盟規(guī)范計算的構件承載力比國內規(guī)范高,受不同的構件規(guī)格、材質及計算長度等影響,一般在5%~20%之間。3.3塔重比較塔重計算塔重比較見表10。由表10可以看出,采用歐盟規(guī)范計算得到的4Z1、4J1塔計算重量比國內規(guī)范小5%~10%。4荷載計算工況對比以上兩種塔型分別于2013年11月5~6日和11月20~21日在中國電力科學研究院北京良鄉(xiāng)輸電桿塔試驗基地順利通過所有試驗工況,并超載120%。(1)我國桿塔50a重現期相當安全系數:對于輕冰區(qū),Ⅰ、Ⅱ級結構分別與美國及歐盟規(guī)范不同重現期接近,Ⅲ級結構則遠小于國外規(guī)范;對于中冰區(qū),Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級結構分別與美國及歐盟規(guī)范不同重現期接近;對于重冰區(qū),則各級別結構均遠大于國外規(guī)范。(2)國內外規(guī)范在桿塔荷載工況方面基本一致,均考慮了風荷載、覆冰、斷線等工況,但各荷載工況略有差異,荷載取值計算方法基本相同,計算參數取值存在差異。(3)采用中歐規(guī)范對4Z1直線塔、4J1轉角塔進行實例計算。按歐盟規(guī)范計算構件承載力比國內規(guī)范