浅谈国外规范与国内规范的异同

浅谈国外规范与国内规范的异同

0国内外相关规范对风荷载的规定对比分析在建筑市场激烈竞争中越来越国际化的今天，国内能源设计院和能源公司的外项目的数量正在增加。然而，相关技术人员对国外的相关设计标准了解不多，因此他们对参与全球化市场竞争产生了一些负面影响。输电线路结构是一种风敏感结构体系,深入了解并掌握国外规范与我国规范对于风荷载规定的异同,正确使用其进行工程设计成为迫切需要。选取国内外4本主流的输电线路设计规范,从重现期、基本风速、地形地貌和高度、风载体型系数、动力特性以及风荷载值等方面,对风荷载的相关规定进行对比分析。选取的国内外规范主要为:我国输电线路设计规范GB50545-2010(以下简称我国规范)1现行电压等级标准我国规范的风荷载重现期与电压等级有关,对于110kV~330kV输电线路和大跨越线路,风荷载的重现期取为30年;对于500kV、750kV的输电线路和大跨越线路,风荷载的重现期取为50年。IEC标准中,风荷载重现期也与电压等级有关,最低不得低于50年,高于230kV的一般线路取150年,高于230kV、为电网主干的或者供给特殊负荷的唯一电源线路取500年。美国规范和欧盟规范的风荷载重现期与可靠性级别有关,见表1。由以上比较可以看出,国内外规范均规定了不同的风荷载重现期,对于同等电压等级的输电线路,我国规范风荷载的重现期低于国外规范。国外规范风荷载系数的取值也与重现期有关,IEC60826、ASCE74-2009和EN50341等都是以50年重现期的风荷载为基准,其他重现期的荷载系数则是相对于50年重现期的风荷载的转换系数,利用概率统计方法求得。我国规范则没有考虑重现期对荷载系数的影响,对应于不同的重现期,风荷载的系数均取为1.4,见表1。2基本风速的计算对于基本风压的计算,由于统计资料和统计时间较长,国内外规范均根据气象台、站搜集到的历年最大风速资料,然后按照某种概率分布,计算得到一定重现期、观测平均时距和基准高度下的最大风速统计值,即为基本风速,然后按照线路电压等级和地理位置确定最大设计风速,再按贝努利公式计算当地的基本风压。总的来说,影响基本风速的因素和参数分为标准离地高度、重现期、平均时距、地貌类别、风速样本及分布函数等几类,见表2。由表2可以看出,对于基本风速的取值,国内外规范的规定基本相同,只是美国规范在平均时距上与其他国家有差别。根据国内外学者对不同时距平均风速的比较,统计得到了近似的比值关系3风荷载的标准值国内外规范均将输电线路的风荷载按作用的结构构件的不同分为:作用于线条的风荷载、作用于杆塔的风荷载以及作用于绝缘子串的风荷载。国内外规范的计算公式见表4。从表4可以看出,国内外规范在计算风荷载标准值时,基本都考虑了基本风速(风压)、地形和高度影响、风载体型以及结构动力特性等四个方面的内容。对于线条及地线风荷载值,大部分规范则考虑了风压沿档距不均匀性的影响。基本风速(风压)以及地形的比较如前所述;风载体型系数则主要根据风洞试验得出;结构的动力特性则主要考虑风的脉动特性和结构在风荷载作用下的振动反应3.1风压高度变化系数国内外规范均对地形地貌进行了分类,并在风速(风压)高度变化系数中考虑地面粗糙度的影响。国内外规范的地面粗糙类别近似对应关系见表5我国规范、IEC标准和美国规范均采用指数率公式来计算风压高度变化系数,其基本表达式为:式中,z为距地面高度,K、H式中,k为了便于比较,根据表5中国内外规范地面粗糙类别的近似对应关系,将国内外规范风压高度变化系数随高度的变化关系绘于同一张图中,如图1所示。其中,欧盟规范给出的是风速高度变化系数,故在进行比较时,将其平方等效为风压高度变化系数。由图1可以看出:(1)风压高度变化系数随距地面高度的增加而增大,高度越高,增加得越快;在同一高度情况下,风压高度变化系数随地面粗糙类别A、B、C、D而减小。(2)在常用的B类地貌情况下,我国规范、国际标准和欧盟规范的风压高度变化系数较为相近,大于美国规范的取值。(3)总的来说,我国规范的风压高度变化系数与大部分国外规范的取值是比较相近的,只是比美国规范的取值偏高一些,考虑到美国规范基本风速的平均时距是3s,其风压高度变化系数与我国的规定有些差别,要全面地比较我国规范与美国规范的差异,还应考虑其他影响因素的影响。3.2风荷载系数的比较3.2.1线条风载体型系数的选取我国规范规定,对于输电线路线条风载体型系数线径小于17mm应取1.2,线径大于或等于17mm,取1.1;IEC标准、美国规范和欧盟规范规定线条的风载体型系数取1.0,对于绝缘子串,IEC标准和欧盟规范则取1.2。由以上比较可以看出,国内外规范均是直接规定了线条风载体型系数的取值,对于线条,我国规范取值偏高一些;对于绝缘子串,我国规范未考虑风载体型系数。3.2.2风载体型系数与填充系数我国规范规定,杆塔风载体型系数应参照我国荷载规范GB50009-2001我国输电线路杆塔规范DL/T5154-2002国外规范均直接给出了杆塔风载体型系数(阻力系数)与填充系数相关的计算图表,我国规范虽然没有明确提出填充系数这个概念,但是对于角钢塔,塔架背风面荷载降低系数η实际上考虑了填充系数这个因素。为了便于比较,选取格构式杆塔结构,将各国规范的风载体型系数与填充系数的关系绘于图2中。其中,我国规范一指侧面宽b与迎风面宽a的比值小于等于1的情况,我国规范二指侧面宽b与迎风面宽a的比值等于2的情况。由图2可以看出:我国规范中,格构式杆塔风载体型系数随着填充系数的增大而降低,填充系数大于等于0.6之后则保持不变,国外规范格构式杆塔风载体型系数则均随填充系数增大先减小后增大,但增大的幅度较小;我国规范一的风载体型系数略大于我国规范二的情况,在填充系数较小时,我国规范格构式杆塔风载体型系数小于国外规范的取值,随着填充系数的增大,我国规范与国外规范取值越来越接近。3.3动力特性比较我国规范用风荷载调整系数来描述结构动力特性的影响。我国规范规定,500kV和750kV线路线条风荷载调整系数uf062IEC标准用综合风载系数来描述输电线路脉动风压和结构动力特性,包括阵风影响、高度影响和档距影响为了便于比较,将国内外规范的考虑动力特性的各系数绘于图3和图4中。其中,我国规范线条风荷载调整系数uf062由图3和图4可以看出,我国规范规定的风荷载调整系数根据线条和杆塔分别进行规定。其中,线条的风荷载调整系数与风速有关,而杆塔风荷载调整系数只与杆塔高度有关,国际标准、美国规范和欧盟规范只给出了杆塔高度在60m以内的综合风载系数和阵风响应系数;国外规范考虑动力特性的各系数均随高度增加而减小,与我国规范的变化规律相反。4风负荷比较的例子4.1统一条件表的确定结合工程实际,假定风荷载对比计算的统一条件见表6。其中,国际标准的条件与我国规范相同,欧盟规范地貌类别为Ⅱ类。假定填充系数为0.3。4.2我国规范与国外规范的风荷载设计值对比国内外规范10m~60m计算高度线条风荷载计算结果见表7。国外规范的风荷载值均与重现期有关,为了便于比较,将50年重现期的风荷载计算值列于图5中。另外,如前所述,国际标准规定,高于230kV的一般线路重现期取150年,高于230kV、为电网主干的或者供给特殊负荷的唯一电源线路重现期取500年,我国规范对于高电压等级的线路一般取结构重要性系数为1.1,因此,将我国规范的风荷载设计值乘上1.1后,与国外规范的其他重现期的风荷载值列于同一张图6中。由表7和图5、图6可以看出:(1)50年重现期时,我国规范的风荷载标准值均小于国外规范的风荷载值,我国规范的风荷载设计值仍小于欧盟规范的风荷载值,大于美国规范的风荷载值,与国际标准相比,在高度较小时偏小,高度较大时偏大。(2)其他重现期时,欧盟规范的风荷载值偏大,我国规范风荷载设计值在高度较小时最小,在高度较大时逐渐大于美国规范200年和国际标准150年重现期的风荷载值,并逐渐接近于美国规范400年和国际标准500年重现期的风荷载值。4.3风荷载值的对比国内外规范10m~60m计算高度杆塔风荷载计算结果见表8和图7、图8。由表8和图7、图8可以看出:(1)50年重现期时,我国规范杆塔的风荷载值对高度较为敏感,无论是风荷载标准值还是设计值,我国规范均是在高度较小时小于国外规范的风荷载值,在高度较大时逐渐大于国外规范的风荷载值。与其他国家规范相比,欧盟规范的风荷载值偏大。(2)其他重现期时,国外规范中,欧盟规范风荷载值最大,其次是美国规范,国际标准最小。我国规范在高度较小时的风荷载设计值小于国外规范的风荷载值,在高度较大时逐渐超过国外规范,在高度为60m时仅次于并接近于欧盟规范500年重现期的风荷载值。5风压高度变化系数和填充系数通过对国内外输电线路设计规范风荷载的对比研究,主要得出如下结论:(1)我国规范的风荷载重现期与电压等级有关,与国外规范相比,重现期数值上偏小很多,但通过分析,我国规范的50年重现期并不直接对应于国外规范的50年重现期。我国规范的风荷载分为设计值和标准值,分项系数为固定值1.4,国外规范的分项系数则与重现期有关。(2)对于基本风速的取值,国内外规范规定较为类似,仅有美国规范在平均时距上与其他国家规范稍有不同,并导致风压高度变化系数在数值上与其他国家有一些差异。(3)我国规范的导线体型系数稍大于国外规范,对于杆塔体型系数,在填充系数较小时国内外规范差异较大,随着填充系数的增加,国内外规范的差异越来越小;对于考虑动力特性的系数,我国规范随高度增加而增加,国外规范则相反,在数值上我国规范也整体上小于国外规范。(4)我国规范