超-特高压多回路杆塔结构可靠性分析
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本文应用可靠性理论，分别从可变荷载效应与 永久荷载效应的比值、结构重要性系数对我国超特高压多回路杆塔结构构件可靠性的影响进行探 讨，并针对结构重要性系数对杆塔经济性的影响进 行分析，供结构设计及分析人员参考。
1 可变荷载效应与永久荷载效应比值对可 靠性的影响
1.1 可变荷载效应与永久荷载效应比值ρ 的定义 只考虑一种可变荷载起控制作用时，输电线路
1 2 3 4 5 ρ 6 7 8 9 10
图 1 ρ 与β 的关系 Fig.1 Relationship between ρ and β
荷载及塔身风荷载)会显著增加，同时塔重也会有所
增长，文献[7]给出的自立式杆塔塔材用量增大系数
α 与荷载增大系数 K 的关系，即
α = K 0.4
(5)
式中α 、K 为增大后的塔材用量、荷载与原塔材用
22 950
24 196
15 000 22 000 21 500 21 500 7 000
24 978 25 766
28 995 18 995 11 240
39 000
23 000 单位：mm。
图 2 SSZT2 杆塔结构 Fig. 2 Diagram of tower SSZT2
第 34 卷 第 9 期
当特高压线路与超高压线路同塔架设时，可称 为超-特高压线路。可以预见，超-特高压同塔多回 线路的输送容量将明显提高，且杆塔高度及重量也 会明显增加。对于受风荷载影响较大的输电线路杆 塔而言，随着塔高的增大其可靠性越来越不容忽 视。在我国，超-特高压多回线路还没有成熟的设 计经验，有必要对其可靠性进行全面分析。
182
高雁等：超-特高压多回路杆塔结构可靠性分析
Vol. 34 No. 9
杆塔结构构件承载能力极限状态设计法一般会存
在 3 个随机变量：永久荷载效应 SG(如构件自重的 效应)、可变荷载效应 SQ(如风或冰荷载的效应)和抗 力 R ，文献[6]的设计表达式为
R − SG − SQ = 0
(1)
用分项系数法时式(1)可表示为
量、原荷载的比值。由式(5)可以看到，荷载增大的
幅度大于塔材用量增大的幅度(荷载增长 10%，对
应塔材用量增长约 4%)。对于线弹性结构，荷载效
应与荷载之间有简单的线性比例关系[8]。因此，当
荷载效应与荷载按线性关系考虑时，可变荷载效应
与永久荷载效应的比值 ρ 也会随着塔高的增加而
增大。为保证结构具有要求的可靠性，当杆塔很高
Rk / γ R − γ 0 (γ G + γ Qρ)SGk = 0
(3)
根据文献[6]，若各随机变量均服从正态分布，
则有
β=
KR Rk − KG SGk − KQSQk
=
VR2KR2 Rk2
+
VG2
KG2
S2 Gk
+
VQ2
KQ2
S2 Qk
KRγ Rγ 0 (γ G + γ Qρ) − KG − KQρ
第 34 卷 第 9 期 2010 年 9 月
文章编号：1000-3673（2010）09-0181-04
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 75 文献标志码：A
Vol. 34 No. 9 Sep. 2010
学科代码：470·4051
超-特高压多回路杆塔结构可靠性分析
关键词：超-特高压输电线路；多回路；杆塔；可靠性
0 引言
2008 年底我国首条 1 000 kV 交流特高压输电 线路试验示范工程的成功建成，标志着我国输电技 术发展的一次重大飞跃。随着我国经济建设的快速 发展，土地资源越来越稀缺。在特高压输电线路建
设中也出现了线路走廊紧张的问题，特别是在人口 稠密、经济发达的地区。采用同塔多回线路架设的 方法可充分利用线路走廊，节约占地费用[1]。目前 已建成投运的同塔多回线路的运行情况良好，但相 关研究主要涉及 500 kV 和 220 kV 线路的同塔 3 回、 4 回或同塔混压 4 回，也有 220/110 kV 线路的同塔 混压 6 回等情况[2-3]。国外同塔多回路的应用已比较 普遍；在德国，同塔 4 回路为高压和超高压线路中 的常规线路(目前最高电压等级为 380 kV)，最多回 路数为 6 回；在日本，同塔架设最多回路数为 8 回， 电压等级 110 kV 以上线路多为 4 回(500 kV 除外)， 电压等级 500 kV 以上线路除早期 2 条为单回路以 外，其余均为双回共塔架设[4]，1 000 kV 特高压线 路也采用双回路形式[5]。
(China Electric Power Research Institute, Xuanwu District, Beijing 100055, China)
ABSTRACT: By use of reliability theory, the influence of the ratio of variable action effect to permanent action effect on structural reliability of multi-circuit towers for exrta high voltage (EHV) and ulrta high voltage (UHV)AC power transmission line in China is discussed. Selecting an axial compression member where the gradient of a SSZT2 tower changes, on which two 1 000 kV AC circuits and two 500 kV AC circuits are arranged, as research object, the reliability indices of the member corresponding to different structural importance factors are calculated by first order second moment method, and the influencing law of structural importance factor on structural element of the tower is obtained. The economy of tower, to which different structural importance factors are chosen, is analyzed, and the method to estimate the utilization amount of the material for tower, which is available for reference to structure designers and analysts, is given.
高雁，杨靖波，韩军科
（中国电力科学研究院，北京市 宣武区 100055）
Analysis on Structural Reliability of Multi-Circuit Tower for EHV and UHV AC Power Transmission Line
GAO Yan, YANG Jingbo, HAN Junke
β 与可变荷载效应与永久荷载效应比值ρ 有着直接
的关系，即随着ρ 的增大，可靠指标β 将减小，可
靠度降低。因此，讨论结构构件的可靠度，需要对
可变荷载效应与永久荷载效应比值ρ 进行分析。
一般情况下，随着塔高的增加，风荷载(线条风
β
3.25 3.20 3.15 3.10 3.05 3.00 2.95 2.90
分布类型
抗力
1.060
0.109
对数正态分布
恒载
1.060
0.074
正态分布
风荷载
0.908
0.193
极值 I 型分布
4.40 4.20
4.00
3.80
β
3.60
3.40
3.20
3.00 0.90 0.95 1.00 1γ.005 1.10 1.15 1.20
图 4 γ 0 与β 的关系 Fig. 4 Relationship between γ 0 and β
Rk / γ R − γ 0 (γ G SGk + γ QSQk ) = 0
(2)
式中： Rk 为抗力标准值； SGk 和 SQk 分别为永久荷
载标准值的效应和可变荷载标准值的效应； γ0 、
γ R 、γ G 和 γ Q 分别为结构重要性系数、材料分项系
数、永久荷载分项系数和可变荷载分项系数。定义
ρ = SQk / SGk ，则式(2)变为
可变荷载效应与永久荷载效应比值ρ 的函数。
1.2 ρ与可靠指标β的关系 图 1 为采用 50 a 荷载重现期，结构重要性系数
为 1.0，永久荷载分项系数为 1.2，可变荷载分项系 数为 1.4，线条风荷载效应占总体风荷载效应 60% 的杆塔结构，用一次二阶矩法计算所得。如图 1 所 示，当各变量的统计分布参数确定后，可靠指标值
= f (ρ) (4)
VR2
KR2γ
R2 γ
2 0
(γ
G
+ γQρ)2
+ VG2KG2
+ VQ2KQ2 ρ 2
式中 KR、KG、KQ、VR、VG 和 VQ 均为已知的各随机 变量统计分布参数。可以得知，当 KR、KG、KQ、VR、 VG、VQ、γ 0、γ R、γ G、和γ Q 确定后，可靠指标 β 是
电网技术
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根据 GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》[13]， 对风荷载比较敏感的高层建筑和高耸结构考虑适 当提高其荷载重现期，并参考文献[14]，本文采用 100 a 一遇荷载。
1 可变荷载效应与永久荷载效应比值对可 靠性的影响
1.1 可变荷载效应与永久荷载效应比值ρ 的定义 只考虑一种可变荷载起控制作用时，输电线路
1 2 3 4 5 ρ 6 7 8 9 10
图 1 ρ 与β 的关系 Fig.1 Relationship between ρ and β
荷载及塔身风荷载)会显著增加，同时塔重也会有所
增长，文献[7]给出的自立式杆塔塔材用量增大系数
α 与荷载增大系数 K 的关系，即
α = K 0.4
(5)
式中α 、K 为增大后的塔材用量、荷载与原塔材用
22 950
24 196
15 000 22 000 21 500 21 500 7 000
24 978 25 766
28 995 18 995 11 240
39 000
23 000 单位：mm。
图 2 SSZT2 杆塔结构 Fig. 2 Diagram of tower SSZT2
第 34 卷 第 9 期
当特高压线路与超高压线路同塔架设时，可称 为超-特高压线路。可以预见，超-特高压同塔多回 线路的输送容量将明显提高，且杆塔高度及重量也 会明显增加。对于受风荷载影响较大的输电线路杆 塔而言，随着塔高的增大其可靠性越来越不容忽 视。在我国，超-特高压多回线路还没有成熟的设 计经验，有必要对其可靠性进行全面分析。
182
高雁等：超-特高压多回路杆塔结构可靠性分析
Vol. 34 No. 9
杆塔结构构件承载能力极限状态设计法一般会存
在 3 个随机变量：永久荷载效应 SG(如构件自重的 效应)、可变荷载效应 SQ(如风或冰荷载的效应)和抗 力 R ，文献[6]的设计表达式为
R − SG − SQ = 0
(1)
用分项系数法时式(1)可表示为
量、原荷载的比值。由式(5)可以看到，荷载增大的
幅度大于塔材用量增大的幅度(荷载增长 10%，对
应塔材用量增长约 4%)。对于线弹性结构，荷载效
应与荷载之间有简单的线性比例关系[8]。因此，当
荷载效应与荷载按线性关系考虑时，可变荷载效应
与永久荷载效应的比值 ρ 也会随着塔高的增加而
增大。为保证结构具有要求的可靠性，当杆塔很高
Rk / γ R − γ 0 (γ G + γ Qρ)SGk = 0
(3)
根据文献[6]，若各随机变量均服从正态分布，
则有
β=
KR Rk − KG SGk − KQSQk
=
VR2KR2 Rk2
+
VG2
KG2
S2 Gk
+
VQ2
KQ2
S2 Qk
KRγ Rγ 0 (γ G + γ Qρ) − KG − KQρ
第 34 卷 第 9 期 2010 年 9 月
文章编号：1000-3673（2010）09-0181-04
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 75 文献标志码：A
Vol. 34 No. 9 Sep. 2010
学科代码：470·4051
超-特高压多回路杆塔结构可靠性分析
关键词：超-特高压输电线路；多回路；杆塔；可靠性
0 引言
2008 年底我国首条 1 000 kV 交流特高压输电 线路试验示范工程的成功建成，标志着我国输电技 术发展的一次重大飞跃。随着我国经济建设的快速 发展，土地资源越来越稀缺。在特高压输电线路建
设中也出现了线路走廊紧张的问题，特别是在人口 稠密、经济发达的地区。采用同塔多回线路架设的 方法可充分利用线路走廊，节约占地费用[1]。目前 已建成投运的同塔多回线路的运行情况良好，但相 关研究主要涉及 500 kV 和 220 kV 线路的同塔 3 回、 4 回或同塔混压 4 回，也有 220/110 kV 线路的同塔 混压 6 回等情况[2-3]。国外同塔多回路的应用已比较 普遍；在德国，同塔 4 回路为高压和超高压线路中 的常规线路(目前最高电压等级为 380 kV)，最多回 路数为 6 回；在日本，同塔架设最多回路数为 8 回， 电压等级 110 kV 以上线路多为 4 回(500 kV 除外)， 电压等级 500 kV 以上线路除早期 2 条为单回路以 外，其余均为双回共塔架设[4]，1 000 kV 特高压线 路也采用双回路形式[5]。
(China Electric Power Research Institute, Xuanwu District, Beijing 100055, China)
ABSTRACT: By use of reliability theory, the influence of the ratio of variable action effect to permanent action effect on structural reliability of multi-circuit towers for exrta high voltage (EHV) and ulrta high voltage (UHV)AC power transmission line in China is discussed. Selecting an axial compression member where the gradient of a SSZT2 tower changes, on which two 1 000 kV AC circuits and two 500 kV AC circuits are arranged, as research object, the reliability indices of the member corresponding to different structural importance factors are calculated by first order second moment method, and the influencing law of structural importance factor on structural element of the tower is obtained. The economy of tower, to which different structural importance factors are chosen, is analyzed, and the method to estimate the utilization amount of the material for tower, which is available for reference to structure designers and analysts, is given.
高雁，杨靖波，韩军科
（中国电力科学研究院，北京市 宣武区 100055）
Analysis on Structural Reliability of Multi-Circuit Tower for EHV and UHV AC Power Transmission Line
GAO Yan, YANG Jingbo, HAN Junke
β 与可变荷载效应与永久荷载效应比值ρ 有着直接
的关系，即随着ρ 的增大，可靠指标β 将减小，可
靠度降低。因此，讨论结构构件的可靠度，需要对
可变荷载效应与永久荷载效应比值ρ 进行分析。
一般情况下，随着塔高的增加，风荷载(线条风
β
3.25 3.20 3.15 3.10 3.05 3.00 2.95 2.90
分布类型
抗力
1.060
0.109
对数正态分布
恒载
1.060
0.074
正态分布
风荷载
0.908
0.193
极值 I 型分布
4.40 4.20
4.00
3.80
β
3.60
3.40
3.20
3.00 0.90 0.95 1.00 1γ.005 1.10 1.15 1.20
图 4 γ 0 与β 的关系 Fig. 4 Relationship between γ 0 and β
Rk / γ R − γ 0 (γ G SGk + γ QSQk ) = 0
(2)
式中： Rk 为抗力标准值； SGk 和 SQk 分别为永久荷
载标准值的效应和可变荷载标准值的效应； γ0 、
γ R 、γ G 和 γ Q 分别为结构重要性系数、材料分项系
数、永久荷载分项系数和可变荷载分项系数。定义
ρ = SQk / SGk ，则式(2)变为
可变荷载效应与永久荷载效应比值ρ 的函数。
1.2 ρ与可靠指标β的关系 图 1 为采用 50 a 荷载重现期，结构重要性系数
为 1.0，永久荷载分项系数为 1.2，可变荷载分项系 数为 1.4，线条风荷载效应占总体风荷载效应 60% 的杆塔结构，用一次二阶矩法计算所得。如图 1 所 示，当各变量的统计分布参数确定后，可靠指标值
= f (ρ) (4)
VR2
KR2γ
R2 γ
2 0
(γ
G
+ γQρ)2
+ VG2KG2
+ VQ2KQ2 ρ 2
式中 KR、KG、KQ、VR、VG 和 VQ 均为已知的各随机 变量统计分布参数。可以得知，当 KR、KG、KQ、VR、 VG、VQ、γ 0、γ R、γ G、和γ Q 确定后，可靠指标 β 是
电网技术
183
根据 GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》[13]， 对风荷载比较敏感的高层建筑和高耸结构考虑适 当提高其荷载重现期，并参考文献[14]，本文采用 100 a 一遇荷载。
