风载荷对高压输电线路铁塔结构的影响研究

风载荷对高压输电线路铁塔结构的影响研究

谭速

中国电建集团青海省电力设计院有限公司 青海省西宁市81008

摘要：风力作为一种动态荷载，直接影响高压输电线路铁塔的设计、施工及其运行的可靠性。基于此，本文首先从风载荷的影响因素和计算方法入手，探讨了风速、地形粗糙度、铁塔高度及地理位置等因素对风载荷的影响。然后通过静态和动态效应的分析，揭示了风载荷是如何影响高压输电线路铁塔结构的。最后文章进一步讨论了缓解风载荷不利影响的有效策略，以期不断强化铁塔结构的稳定性和可靠性。

关键词：风载荷；高压输电线路；铁塔结构；影响

引言：

高压输电线路铁塔是电力系统的重要组成部分，其结构完整直接关系到电网的稳定运行。在铁塔的设计与施工过程中，考虑风载荷的影响是不可或缺的环节之一。风力可以对铁塔产生巨大的侧向压力，引起结构变形、振动乃至损坏，尤其是在强风和台风频发的地区。因此，充分认识和评估风载荷对铁塔结构的影响，对于提高铁塔的设计标准、优化结构性能、保障电力系统的安全稳定运行具有重要意义。

1.风载荷概述

1.1影响铁塔风载荷的因素

铁塔风荷载受多种因素影响，主要涉及以下内容：（1）风速：影响风荷载的最直接因素是风速，风速会随着位置、海拔高度和天气条件的不同而发生变化，风速越高，对塔架结构产生的作用力就越大。（2）地形粗糙度：塔周围地形的表面粗糙度会影响风速和湍流，平原或大片水域等开阔、平坦的区域允许风更自由地移动，从而增加风荷载，而有建筑物和树木的丘陵或城市地区往往会因摩擦而降低风速[1]。（3）塔的高度和形状：塔的高度决定了其在不同高度所经历的风速，因为风速通常随着距地面高度的增加而加快。此外，塔的横截面形状会影响风在其周围的流动方式，从而影响结构上的压力分布。（4）地理位置：容易发生大风的地区，例如沿海地区或山口，可能会承受较高的风荷载。

1.2计算铁塔风载荷的主要方法

铁塔风载荷的计算是确保铁塔结构设计合理的关键环节，计算方法主要分为静态分析和动态分析两大类，同时也会结合经验公式进行初步估算。静态分析法通常按照国家标准或国际规范，如美国土木工程师学会的ASCE 7标准，来计算风对铁塔可能产生的影响，这种方法基于假定的统一风速分布和风压系数，忽略了风速随高度变化的影响以及结构对风流的干扰。在静态分析中，铁塔被视为不发生位移的刚性结构，风压被简化为作用在结构上的均匀或渐变荷载。动态分析法考虑了风速随高度的变化、结构固有频率和风荷载的随机性，更适用于高大或形状特殊的铁塔结构，这种方法通常需要借助计算流体力学模拟或风洞实验来完成。动态分析可以预测铁塔在风荷载作用下的振动、疲劳寿命以及可能的共振现象，帮助工程师优化设计，以减少风荷载引起的不利影响。除了这两种主要的计算方法，还可以采用经验公式对风载荷进行初步估算，此公式基于大量的历史数据和实际测量，虽然不如上述分析方法精确，但在初期设计阶段提供了快速评估的有效方法。

2.风载荷对高压输电线路铁塔结构的影响分析

2.1静态影响

（1）增加弯矩和剪力

当风作用在塔上时，会产生侧向力，从而导致结构内产生弯矩和剪力，这些力在设计阶段至关重要，因为它们直接影响塔组件的尺寸和加固。弯矩增加会导致显著的弯曲应力，尤其是在高大或细长的塔中，从而导致变形。此外，剪切力会影响螺栓和焊缝等部件之间连接的完整性，并且对于塔基础的设计至关重要，这些力的分布和大小取决于风速、风向和塔的几何形状。

（2）结构稳定性问题

风荷载也会影响塔的结构稳定性。当风引起的力损害塔架在笔直和直立位置承载其负载的能力时，就会出现稳定性问题，这可能会导致构件屈曲，特别是在柱和支撑等压缩元件中。塔的稳定性取决于其材料特性、几何形状以及载荷施加和分布的方式，风向和风速的突然变化会导致动态不稳定，从而加剧这种影响[2]。要想确保铁塔结构在风荷载下的稳定性，需要使用支撑系统并选择提供足够刚度和强度的材料。

2.2动态影响

（1）塔的振动和振荡

风荷载的动态效应包括风能传递到塔架结构时发生的振动和振荡，这些动态效应可能很复杂，涉及静态分析中可能不明显的振动模式。例如，当风绕过某个结构时，就会发生涡流脱落，形成交替的低压区，导致该结构以其固有频率振荡。这种共振会显著放大结构上的应力，导致疲劳或失效的风险增加。

（2）塔架部件的疲劳和损坏

随着时间的推移，反复的风荷载会导致塔的结构部件疲劳，疲劳是由于循环应力变化造成的损坏累积而发生的，导致材料破裂并最终失效，特别容易疲劳的部件包括接头、连接件和任何应力集中的区域。在风速和风向变化较大的环境中，疲劳损坏的风险更高，而定期检查和维护对于及早发现和修复疲劳损伤至关重要。

3.缓解风载荷不利影响的有效策略

3.1最小化风荷载影响的设计考虑

要想不断减轻风载荷对高压输电线路铁塔结构的不利影响，就必须要从设计阶段入手，工程师可以采用多种技术来降低塔架对风引起的力和力矩的敏感性。首先，修改塔架的形状，使风在其周围更顺畅地流动，这可以显著减少阻力。例如，与方形或圆形横截面相比，锥形或流线型形状承受的风荷载更小。其次，选择具有较高强度重量比的材料可以使结构更轻、更灵活，可以更好地承受风力而避免损坏，高强度钢材和钢筋混凝土是常见的选择。再次，结合耗散振动能量的元件（例如调谐质量阻尼器）可以降低风引起的振荡幅度，从而降低共振的可能性。最后，将结构设计为具有多个负载传递路径，可以确保如果一个组件发生故障，负载可以通过结构的其他部分均匀的分配，从而防止倒塌

[3]。

3.2实施风洞测试和数值建模

风洞测试和数值建模是准确预测和分析风荷载对塔架结构影响的宝贵工具，因此工程师需要对上述工具予以高度重视。一方面，风洞测试涉及创建塔的比例模型并将其暴露在风洞中的受控风流中，它可以直接观察结构周围的风流模式，并测量不同风速和风向下的合力。另一方面，数值建模是用于模拟风流及其与结构相互作用的计算技术，这些模型可以预测风荷载在各种条件下如何影响结构，包括湍流和涡流脱落效应。

3.3确保结构完整性的维护和检查策略

定期维护和检查对于确保塔架结构的完整性至关重要，为此可以采取以下策略：第一，定期检查有助于识别磨损、疲劳、腐蚀或损坏的早期迹象，这些迹象可能会损害结构承受风荷载的能力，特别注意接头、连接处和高应力集中区域。第二，构建结构监测系统，包括测量振动、应变和其他相关参数的传感器，这样可以提供有关塔架状况的实时数据，以便在出现重大问题之前进行主动维护和维修。第三，定期维护还包括防腐蚀措施，随着时间的推移，腐蚀会削弱结构部件，所采用的策略包括防护涂层、阴极保护和定期清洁。

4.结语

综上所述，风载荷对高压输电线路铁塔结构的影响研究对于确保电力系统的稳定运行至关重要。通过深入分析风载荷的作用机制、计算方法及其对铁塔结构的静态和动态影响，本文提出了有效的缓解策略，包括优化设计、风洞测试、数值建模和定期维护检查。未来的研究需要进一步探讨更高效的设计方法和技术，以应对日益复杂多变的风力环境，从而保障高压输电线路铁塔结构的安全性和可靠性。

参考文献

[1]厉天威.强风下高压输电线路塔–线耦联静态应力计算分析用[J].电力科学与工程，2020,14(12):126-128.

[2]贺博，修娅萍，赵恒，厉天威，李斌，唐力.强台风下高压输电线路塔—线耦联体系的力学行为仿真分析三:动静力响应对比[J].高压电器，2016,16(04):30-35.

[3]黄青松，王晓兵，王东阳，孙俊龙.特高压输电线路拉线塔拉线-金具系统的风载荷计算及疲劳特性分析[J].科学技术创新，2023,15(09):77-82.