张宏杰，杨靖波，杨风利，张志军，朱乐东
（1．电力科学研究院，北京 100192;
2．温州电力设计有限公司，浙江温州 325000;
3．同济大学桥梁系，上海200092）
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摘要：分析输电杆塔风荷载计算公式可知，台风风场的平均风速、风剖面指数与湍流强度是影响杆塔风荷载的主要参数，而台风在整个行进过程中，这些风场参数不断变化并共同影响输电杆塔的风荷载。为探索台风行进过程中杆塔受力变化规律，首先选取了台风卡努行进过程中5个不同时刻的风场，开展了对应的杆塔受力分析。分析结果显示，杆塔应力比与平均风速的变化规律趋于一致。而后在设计风速一致的前提下，以某大跨越杆塔为工程背景，开展了台风与常规风两类风场作用下杆塔风荷载和受力对比计算。参数分析显示，台风与常规风风剖面指数的差异对杆塔风荷载和受力影响较为显著，最有可能引发倒塔事故。最后通过分析塔材应力比沿塔身分布规律，找到了台风荷载作用下杆塔的薄弱部位，提出了补强措施，还选取了其他类型常用杆塔进行试算，对这一补强措施的适用性加以验证。
关键词：输电杆塔：台风；风场参数：力学特性；补强措施
0引言
根据我国电力行业杆塔设计规范提供的输电杆塔风荷载计算方法，可知风场参数中的平均风速、风剖面指数及湍流强度是影响杆塔风荷载的3个主要风场参数。由于在台风行进过程中，3个参数自身及其组合效应不断变化，杆塔受力随台风迁移的变化规律尚不明确，国内外规范均未单独予以考虑。且在设计偏于保守的情况下，台风作用下输电杆塔倒塔事故仍有发生，这可能归咎于台风与常规风作用下的杆塔受力差异。近年来，国内外学者针对台风风场的研究取得了一些研究成果．为进一步确定台风最不利风荷载工况及明确台风下的杆塔受力特性提供了研究所需的风场参数。
在200—300 m的近地边界层内，平均风速随高度的变化一般能较好地满足幂指数关系，平均风剖面指数a的变化范围在0.1～0.3之间；文献[11]基于风观测塔和风廓线雷达观测到的台风黑格比风速数据，对台风风剖面指数与梯度风高度开展了研究．明确指出风剖面指数不再仅与地貌类型相关，规范推荐值不再适用。文献[12]对台风湍流强度的研究表明，与良态气候相比，台风湍流强度高出了30%。文献[13 -14]各自给出了台风湍流强度与良态风的换算公式，可在常规风湍流强度剖面的基础上推算台风湍流强度剖面。
为了明确台风行进过程中输电杆塔受力变化规律，以及台风与常规风作用下杆塔受力差异，本文基于收集到的实测台风数据和数值模拟台风数据，首先给出了实测台风风场、统计回归台风风场和常规风风场这3类风场的平均风速、风剖面指数及湍流强度取值。随后选取实测台风卡努行进过程中5个典型时刻的台风风场，分析了杆塔受力随台风迁移的变化规律。开展了常规风风场与统计同归台风风场作用下某大跨越输电杆塔的杆材受力计算．分析了台风与常规风作用下塔身主材应力分布差异，提出了针对薄弱环节的补强措施。最后，还选用其他常用塔型对所提出的补强措施的适用性进行了验证。
1 风场类型与参数取值
本文研究选取的风场均设定处于A类地貌下，分别是常规风风场、实测台风风场及统计回归台风风场。新版建筑规范更好地体现了湍流强度，m对风荷载的影响，故常规风风场参照2012版荷载规范进行取值：实测台风风场以同济大学研究报告提供的台风忙努(Khanun 0515)实测数据进行取值：统计回归台风风场以同济大学研究报告提供的，采用Monto Carlo随机模拟和阈值法得到的100年重现期台风风场模型进行取值。为阐明台风风场参数取值依据．首先对实测台风风场和统计同归台风风场做简要介绍。
1.1 实测台风风场参数取值
台风卡努( Khanun 0515)，2005年9月5日上午在雅浦岛东南偏东约500 km的西北太平洋海面上形成的热带低压，向西北方向移动。2005 -09 -11T14:50在浙江台州市登陆，登陆时台风中心附近最大风速50 m/s。登陆后台风中心继续向西北方向移动．2005年9月13日在黄海中部变性为温带气旋。图1给出了2005年9月11日在A类地貌区域内的观测塔所观测到的不同高度处平均风速和湍流强度．以及对应的风剖面指数等近地风特性。
考虑到台风行进过程中，输电杆塔与台风中心的相对位置在不断变化，台风自身风场随时间也在不断发生变化．而杆塔内力同时受到平均风速、风剖面指数及湍流强度的共同影响。为对上述3个参数的影响差异加以区分，选取了5个不同时段的风场进行研究。这5个时段分别包含了平均风速和湍流强度各自出现最大值的时刻，以及风剖面指数出现最小值的时刻，从而尽可能地保证3种参数共同作用下的最不利荷载工况不会遗漏。表1为特定时段内风场特性参数取值。
1.2统计回归台风风场参数取值
由于台风观测数据较少且分布极不均匀，需大量样本统计同归不同重现期极值的阶段极值法不再适用，一种可行的用于统计回归台风不同重现期极值风速的方法是：采用Monto Carlo随机数值模拟扩充台风风速样本，并借助阈值法得到具有一定保证率的不同重现期极值风速。这种方法的主要模拟过程包括：利用Yan Meng数值台风模型，考虑台风中心气压差AP.最大风速半径R一、风压分布系数B、地表粗糙度ZO等参数变异的影响．进行不少于3 000次的Monto Carlo随机模拟试验．评估极值风速随阈值取值稳定性变化曲线，确定合理阈值，并在此基础上获取合理的台风极值风速。根据文献[16]对1949 2010年间90次在上海地区影响较为显著的台风风速观测资料．统计得到上海崇明地区100年重现期10 m高度处10 min平均风速极值风速为34.3 m/s．风剖面指数a仅为0.072（见图2）。图2中。为计算点高度，He为梯度风高度．V。为计算点高度处的风速，ve为梯度风高度处的风速。
台风湍流强度取值为
式中：z为计算点对应高度；l，。为10 m高度处湍流强度。
2工程背景
2.1 基本设计参数
本文研究所选取的大跨越杆塔呼高66 m,塔高89.6 m，全塔风压分段数为28段（见图3）。该塔处于A类地貌，风剖面指数a取为0.12, 90。大风工况下10 m高度处的基本风速取为47.3 m/s．导线平均高度80 m,导线没计风速71.3 m/s,导线设计水平档距800 m，垂直档距1200 m。
2.2 塔线风荷载设计参数
杆塔风荷载可表示为
式中：W。为杆塔风荷载标准值；u为构件体型系数；B2为杆件覆冰风荷载增大系数；A，为构件迎风面面积。
风压高度变化系数u为
风荷载调整系数B，可表示为
式中：R为脉动风与结构的共振响应影响系数；B，为脉动风背景分量影响系数。
其中R和B，可表示为
式中：f为结构第一阶自振频率，Hz，大跨越杆塔一阶频率1.864 Hz;k。，为地貌粗糙度修正系数，对A类地貌取为1.28;f，为结构阻尼比，对钢结构取为0.01; cpi(z)为高度z处结构振型系数值；H为结构总高度，89.8 m;p。为脉动风荷载水平相关系数；p；为脉动风荷载竖向相关系数；在A类地貌下，k取为1.276，al取为0.186。
导地线风荷载参照文献[1]，采用专业电气荷载计算表格计算，并手动输入风压高度变化系数，以考虑台风风剖面指数的变化。
3台风迁移过程中杆塔受力变化
由于台风具有明显的非定常特性．主要风场参数随时间变化幅度较常规风更为剧烈，而平均风速、风剖面指数及湍流强度都会对杆塔风荷载产生影响。为此，按照表1中描述的5个时段台风风场．对图3的大跨越输电杆塔进行受力分析。随台风迁移风场的改变，塔身主材应力比变化如图4所示。应力比为杆件的计算应力与所采用材料的屈服应力的比值。
由图4可以看出．5个时段内的最大应力比基本上都出现在杆件510 -790上，故应该对该杆件在台风卡努5个不同时段风场作用下的应力比与平均风速、a及I10的对应关系进行描述。由于上述4个指标具有不同的物理单位，需要进行正规化处理，再对无量纲系数进行对比。白重会在杆件内部产生应力，而需要对比的是由风荷载在杆件内部产生的应力比，故应该对台风作用下的杆件应力比减去白重作用下的杆件应力比。图5给出了杆件510-790杆件应力比与平均风速、a及I10的对应关系。由图5可知，在台风的行进过程中，杆件的最大应力比与平均风速的变化规律趋于一致。
4台风风场参数影响分析
台风与常规风在风剖面指数与湍流强度方面的差异都十分显著。为明确这2个参数对杆塔受力造成的影响和差异．在平均风速统一取为大跨越杆塔的设计风速47.3 m/s的前提下，对常规风与统计回归台风风场作用下的杆材受力进行了对比分析。2类风场的参数设置如表2所示。
图6给出了2类风场作用下杆塔主材应力比差异对比。由图6可知，台风作用下的主材应力比沿塔身分布规律基本与常规风一致，但台风作用下的杆材应力比显著增加，最大增加幅度达到了12.7%。
由于图6计算时采用的a与Iz（z）均不相同，不能区分风剖面指数与湍流强度对台风作用下杆塔应力比的影响程度．为此，进一步分析了与两者直接相关的风荷载计算系数——风压高度变化系数u和风荷载调整系数B（见图7）。图7中，湍流强度的变化并未引起风荷载调整系数B的太大变化，最大变化幅度仅为4%。然而，风剖面指数的变化引起了风压高度变化系数u的显著变化，最大变化幅度达到了14%,即风剖面指数对杆塔风荷载的影响更为显著。据此推断，与湍流强度相比．风剖面指数的差异对杆塔受力特性的影响更为显著。鉴于风剖面指数对风荷载影响显著，且台风风剖面受地表粗糙度影响较小，在台风多发
区且缺少台风实测数据的情况下，至少应按A类地貌风剖面指数进行设计。
5杆塔抗台风设计原则及其验证
5.1 杆塔抗台风设计原则
由图6可知，主材510-790、870-890应力超限．为提高台风作用下的杆塔安全性能，需要对430-890区段的杆材进行补强。采取的措施为：提高430-790区段的杆材规格至2xL125 xIO.OH，提高790-890区段的杆材规格至2xL125 xlO.OH。台风风场作用下，补强前后主材应力比的变化情况如图8所示。由图8可以看出，采取补强措施后．原来可能出现应力超限的杆件510 -790和870-890的应力比不超过90%，达到了杆塔抗百年一遇台风的曰的。但修改风场参数不便于设计人员使用，应当仍然按照常规风进行设计，通过预留一定的安全裕度以满足抗台风要求。为此，在常规风风场下，对补强后杆塔的应力比进行了计算。图8还给出了补强后常规风作用下杆塔应力比。由图8可知，按照预留20%的安全裕度原则．以常规风风场进行设计，只需确保杆塔最大应力不超过80%，则即使是在100年重现期台风作用下，杆塔应力也不会超过许用应力，也就保障了杆塔的安全。
5.2抗台风设计原则应用实例
为探讨其他类型按照常规风设计的杆塔在台风风场作用下是否也会出现某些杆件应力超限的问题，同时验证上文提出的抗台风设计原则在其他类型杆塔上是否同样适用，选取常用铁塔型录中提供的7813型杆塔，在设计风速一致的前提下，开展了常规风与统计回归台风风场下的对比计算。7813型杆塔呼高17.7 m，总体布置如图9所示，设计风速28 m/s，风剖面指数0.12，10 m高度处湍流度I取为0.12。在台风风场下，设计风速也取为28 m/s,风剖面指数取为0.072，10 m高度处湍流度I，取为0.148 8。
首先对7813型杆塔在常规风和台风作用下的塔材应力开展计算，如图10所示，在常规风作用下．主材710 -750、910 -1050区段应力比均在90%以上，直接导致在台风风场作用下，主材710-750. 910-1500区段应力超限。按上文提出的抗台风设计原则，对应力比在90%以上进行了补强，即提高190-490区段的杆材规格至L75×7H,适当提高630-750区段的杆材规格至L100x7H,适当提高850-910区段的杆材规格至L100x10H,适当提高910 -1500区段的杆材规格至L110x10H。补强后，仍然按照常规风进行计算，则塔材最大应力比基本都在80%许用应力以下（见图10），进一步开展台风作用下的塔材应力计算表明，抗台风设计后，最终所有塔材的最大应力均未超过许用应力（见图10），大大提高了杆塔的抗台风性能。
6结论
通过汇总台风风场与常规风风场参数．开展台风风场迁移过程中．以及常规风与台风下的杆塔受力分析，明确了台风平均风速、风剖面指数及湍流强度这3个参数对杆塔力学特性的影响差异，得到的主要研究结论与建议如下：
(1)在台风迁移过程中，杆塔受力变化规律与台风平均风速的变化规律趋于一致。
(2)在平均风速一致的前提下，与湍流强度相比．台风风剖面指数的变化对杆塔风荷载影响更为显著．也是最有可能导致按照常规风设计的杆塔出现倒塔事故的原因。
(3)在台风多发区且缺少台风实测数据的情况下，建议忽略地貌类型，统一采用A类地貌风剖面指数进行设计。
(4)算例分析表明，与常规风相比，100年重现期台风作用下杆件应力增加幅度为0.3%~18.9%．杆塔抗台风设计应在常规风满应力设计条件下预留20%的安全裕度。
