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输电线路标准ASCE10与DL/T5154结构设计差异分析

摘要：从结构设计角度对比了ASCE与DL/T对于输电铁塔的不同规定，以某±500kV直流耐张输电铁塔为例，在相同荷载标准下，分别按照ASCE与DL/T进行设计计算，对比塔重。结果表明：DL/T较ASCE安全性更高，塔重指标偏大。
关键词：输电铁塔；国外标准；稳定系数
1轴心受力强度
轴心受压强度计算公式：
（1）
计算面积AN为净截面面积。ASCE 10[2]对轴心受拉构件按此公式进行强度计算，轴心受压构件则按照全截面进行强度计算，不考虑净截面情况的轴心受压强度。DL/T 5154[4]对拉、压构件均按照净截面进行强度计算要求。
强度折减系数m方面，ASCE 10[2]指出，对于单面轴心受拉构件，应考虑0.9的强度折减系数；DL/T 5154[4]则按受拉构件和受压构件分别规定，见表3。
可知，在轴心受压强度设计方面，DL/T 5154与 ASCE 10存在较大差异。
表3 DL/T 5154[4]构件强度折减系数
受力状态
构件
强度折减系数m
受拉构件
双肢连接的角钢和中心连接的钢管
1.0
偏心连接钢管
0.85
单肢连接的角钢（肢宽＞40mm）
0.70
单肢连接的角钢（肢宽≤40mm）
0.55
受压构件
双肢连接的角钢和中心连接的钢管
1.0
单肢连接的角钢和偏心连接钢管
0.85
组合断面构件（无偏心）
1.0
组合断面构件（有偏心）
0.85
2轴心受压稳定
稳定计算公式：
（2）
对于受压整体稳定，ASCE 10和DL/T 5154均采用极限荷载理论，该理论能较为全面地考虑残余应力、初始弯曲、初始偏心等不利因素的影响。整体稳定的比较可转化为稳定系数φ的比较。
2.1长细比
ASCE 10和DL/T 5154在计算长度L0取值基本一致，DL/T 5154仅对平行轴布置的单面连接构件和塔腿斜材的计算长度，分别考虑1.1倍和1.2倍的增大系数。

a)
b)
图1 DL/T 5154斜材计算长度
DL/T 5154和ASCE 10的长细比修正系数K完全相同。
综上，DL/T 5154和ASCE 10在长细比计算方面基本相同。
2.2稳定系数φ
ASCE 10将稳定系数φ规定为
（3）
DL/T 5154将稳定系数φ规定为
（4）
式中： ——系数，根据表4确定。
DL/T 5154与ASCE 10稳定系数φ随长细比变化情况如图2所示。可知，ASCE 10稳定系数φ取值高于DL/T 5154，提高情况如图3所示，图3纵坐标表示：（φASCE 10- φDL/T 5154）/φDL/T 5154。
表4 DL/T 5154系数
截面分类

a类
0.410
0.986
0.152
b类
0.650
0.965
0.300

图2 稳定系数曲线
图3 稳定系数对比

根据工程经验，输电铁塔主材长细比基本在50~60之间，则由图3可知，
φASCE 10较φDL/T 5154提高10%~15%，斜材长细比在100~200之间，φASCE 10较φDL/T 5154提高10%~30%。
可见，在同长细比、同材质情况下，各长细比取值区段内， ASCE 10的稳定系数取值均高于DL/T 5154，就输电铁塔而言，增大幅度在10%~30%之间。
3 算例
3.1基本参数及模型
本文以某±500kV直流单回路耐张塔TC为例，对其不同荷载标准及结构设计标准下的塔重进行计算和对比分析。基本参数如表5。
表5 基本参数
导线型号
54/3.38mm Al+7/3.38mm steel
地线型号
7/3.15mm steel
基本风速
29m/s
覆冰厚度
0mm
纵向荷载安全系数
1.15
呼称高度
34m
垂直荷载安全系数
1.15
转角度数
0~30°
水平荷载安全系数
1.1
水平档距
400m
角钢塔主材采用Q345钢材，其余斜材采用Q235钢材。材料强度均采用屈服强度。TC单线图见图4。

图4 TC单线图
3.2 ASCE 10-97与DL/T 5154-2012设计差异对塔重结果的影响
通过改变开口宽度与坡度，建立24个模型。具体为，开口宽度分别取2.5m、3.0m、3.5m、4.0m，坡度分别取0.07、0.09、0.11、0.13、0.15、0.17。
在相同荷载（荷载标准采用IEC 60826）、相同材料强度前提下，分别按DL/T 5154与ASCE 10两种结构设计标准，得到塔重见图5。
由图5可知，针对本塔型，相同荷载条件下，按照DL/T 5154-2012设计的塔重较ASCE 10-97大0.5t~1.0t，增幅为8%~15见图6。

（a）4.0m口宽塔重对比
（b）3.5m口宽塔重对比

（c）3.0m口宽塔重对比
（d）2.5m口宽塔重对比

图5 塔重对比图

图6 塔重增大比例
进一步分析，相同荷载作用下，DL/T 5154与ASCE 10的结构主材内力基本相同；相同选材规格下， DL/T 5154设计计算的杆件应力大于ASCE 10计算的杆件应力，可认为，该差异主要由稳定系数φ引起。另一方面，由于强度折减系数取值的差异，按照DL/T 5154设计的铁塔，部分杆件规格较ASCE 10大一级。考虑综合影响，DL/T 5154-2012设计的塔重较ASCE 10-97增幅为8%~15%。
4 结论
本文从结构设计方面，对DL/T 5154与ASCE 10进行了对比，并综合工程实例计算，得出以下结论。
（1）在强度设计和稳定设计方面，DL/T 5154和ASCE 10计算公式基本相同，但由于强度折减系数、稳定系数计算取值不同，致使承载力计算结果产生较大差异。
（2）轴心受压强度按全截面进行计算，不考虑净截面情况下的轴心受压强度。按此规范设计的铁塔承载力，则完全由构件稳定控制，适当减小构件计算长度以提高构件的稳定承载能力成为工程设计的必要，这也是按ASCE 10设计的国外工程铁塔布材多、节间小的根本原因。
（3）相同情况下， ASCE 10的稳定系数取值高于DL/T 5154，增大幅度在10%~30%，这是DL/T 5154与ASCE 10稳定承载力差异的主要原因。
（4）总体而言，DL/T 5154）与ASCE 10-97设计的铁塔相比，承载力计算偏于安全，塔重偏大，DL/T 5154塔重较ASCE 10增幅为8%~15%。
。
参考文献
[1] International Electro-technical Commission. IEC-60826 Design Criteria Of Overhead Transmission Lines. IEC :2003
[2] Design Of Latticed Steel Transmission Structures》（ASCE 10-97）
[3] GB 50545-2010 110kV~750kV架空输电线路设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010
[4] DL/T 5154-2012 架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S].北京：中国电力出版社，2012
[5] 姜琦，邓洪洲，张永飞.中外规范关于输电线路风荷载的比较研究[J].特种结构，2010，27（3）
4

-全文完-