基于可靠度理论的输电线路基础设计中的风荷载调整系数取值研究

2020-05-08吴海洋王松涛叶爱民曾二贤

电力勘测设计 2020年4期

吴海洋，王松涛，叶爱民，刘堃，白强，曾二贤，冯衡

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北武汉 430071)

0 引言

在输电线路中，输电塔基础的可靠性直接决定了整个输电系统的安全性及稳定性。为适应我国电力建设发展的需要，结合可靠度理论，对基础设计风荷载调整系数展开深入研究，具有重要意义。

将非正态随机变量做当量正态化处理，转化为等效正态随机变量，然后利用改进的一次二阶矩法计算结构的可靠指标即为JC法[1]。本文引进JC法进行可靠度指标计算，首先对输电塔上部结构与地基基础可靠度影响参数的统计特性及可靠度指标进行研究。计算铁塔与基础达到相同可靠度水平下，连接件、大板基础抗拔下压和桩基础设计的风荷载调整系数取值。上述结论可为输电线路基础设计的安全性评价提供参考。

1 JC法简介

1.1 当量正态化原理

设计验算点坐标x*i(i=1，…，n)处非正态变量与其等效正态随机变量的分布函数值以及分布密度函数值相等[2-3]，见图1，即：

式中：θ(*)、φ(*)分别为标准正态分布函数及分布密度函数；FXi(*)、fXi(*)分别为非正态变量Xi的分布函数及分布密度函数；µ'Xi、σ'Xi分别为等效正态随机变量Xi的均值及均方差。

利用式(1)和(2)，可求得等效正态随机变量Xi的均值、均方差：

式中：θ-1为标准正态分布函数的反函数。

1.2 计算步骤

1)假定初始x*i(i=1，…，n)(取x*i=µXi)；

2)对非正态变量Xi，根据x*i由式(3)、(4)求等效正态变量的µ'Xi、σ'Xi，用µ'Xi、σ'Xi代替µXi、σXi；

当非正态变量Xi为对数正态分布时，利用式(5)、(6)可以计算得其等效正态随机变量均值、均方差：

当非正态变量Xi服从极值Ⅰ型分布时，利用式(7)和式(8)可以计算得其等效正态随机变量均值、均方差：

式中：P*为设计验算点；Z=g(X1，…，Xn)为功能函数。

4)计算可靠度指标β

5)计算新的验算点坐标

6)以新的验算点坐标重复2)～5)，直到两次计算出可靠度指标差值小于允许误差。

2 设计表达式可靠度分析的基本原理

2.1 功能函数及变量统计参数

承载能力的极限状态是指结构或构件达到最大承载力或不适合继续承载的变形的一种状态[4]。其功能函数表达式为：

式中：Z为功能函数；R为构件抗力，服从对数正态分布；SG和SQ分别为恒载、可变荷载(主要为风荷载)对结构构件产生的效应，分别服从正态分布和极值I型分布。各参数的均值和标准差可计算如下：

式中：µR、µR、µSG、µSQ和σR、σSG、σSQ、µSQ和σR、σSG、σSQ分别为荷载和抗力的均值和标准差；KG、KQ、KR和VG、VQ、KR分别为荷载和抗力的统计参数。

2.2 抗力设计表达式

1)上部结构

由DL/T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》可知，其上部结构极限状态设计表达式为：

其上部结构抗力标准值可确定如下：

式中：R为结构构件抗力设计值；Rk为结构构件的抗力标准值；γ0为结构重要性系数；γR为抗力分项系数；γG为永久荷载分项系数；γQ为可变荷载分项系数；SGK为永久荷载标准值；SQK为风荷载可变荷载标准值。

2)地脚螺栓

由DL/T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》可知，其连接件抗剪极限状态设计表达式为：

考虑输电塔地基基础风荷载调整系数的折减后，荷载效应标准值为：

其连接件抗剪承载力标准值可确定如下：

由DL/T5154—2012可知，其连接件抗拉极限状态设计表达式为：

考虑输电塔地基基础风荷载调整系数的折减后，荷载效应标准值为：

其连接件抗拉承载力标准值可确定如下：

式中：Nv为螺栓剪切力；Nvb为受剪承载力设计值；Nc为螺栓拉力；Ncb为受拉承载力设计值；Rk为结构构件的抗力标准值；γR=2.06(根据8.8级地脚螺栓设计值与标准值之比求得)，γG为永久荷载分项系数；γQ为可变荷载分项系数；SGK为永久荷载标准值；SQK为风荷载可变荷载标准值；γw表示地基基础相比于上部结构的风荷载调整系数折减的影响。

3)大板基础

根据DL/T 5219—2014《架空输电线路基础设计技术规定》，其大板地基下压承载力极限状态表达式为：

上拔承载力极限状态表达式为：

考虑输电塔地基基础风荷载调整系数的折减后，其大板地基的下压承载力标准值可确定如下：

上拔承载力标准值可确定如下：

式中：SGK为永久荷载标准值；SQK为风荷载可变荷载标准值；K表示地基基础的安全系数，应取K=2，γw表示地基基础相比于上部结构的风荷载调整系数折减的影响。

4)桩基础

根据DL/T 5219—2014，其桩基极限状态表达式为：

考虑输电塔地基基础风荷载调整系数的折减后，荷载效应标准值为：

其桩基抗力标准值可确定如下：

式中：Rk为结构构件的抗力标准值；SGK为永久荷载标准值；SQK为可变荷载标准值；Nk为基桩的平均竖向力；R为单桩承载力特征值；γf为基础附加分项系数，取γf=1.0；Quk为单桩竖向承载力标准值；K表示地基基础的安全系数，取K=2；γw表示地基基础相比于上部结构的风荷载调整系数折减的影响。

2.3 影响可靠度的因素取值

1)风荷载调整系数

本文为探讨风荷载调整系数折减对输电塔地基基础的影响，分别对地基基础的βz值取对塔杆0.1～1的折减，研究其对可靠度的影响，即：

式中：α取0.1～1；βz为风荷载调整系数。

2)荷载效应比

定义风荷载效应比ρW为：

因RK与SQK、SWK间存在线性关系，当SGK增大或减小时，RK也将按比例关系增大或减小。由于规范规定了γ0、γR、γG、γQ取值，若已知风荷载效应比ρW，抗力RK便可确定。在可靠度计算过程中SGK的值，通常可以假定为一个常值。若任意给定的一个效应比值ρW，即可结合JC法算出对于该效应比的可靠指标β。本文综合现有文献荷载效应比取值[5]，取荷载效应比为4～10。