预期建设的新疆准东至华东地区的±1 100kV和酒泉至湖南的±800kV特高压直流输电线路以及近期规划的750kV和330kV超高压交流输电线路均将在河西走廊交汇，超、特高压输电线路实行同塔多回架设方式为输电线路走廊交叉问题提供一种解决方案。采用新型的超、特高压交直流同塔多回输电线路属首次尝试，采用何种设计标准进行杆塔设计对输电线路的正常运行乃至对河西走廊的电网建设都有一定的借鉴意义。

　　 文献[1,2]已对高压输电铁塔结构可靠度问题开展了研究与分析。李峰等^[3]建立了风、冰荷载的概率统计模型，并采用一次二阶矩法对我国输电线路杆塔构件的可靠度进行分析，表明我国输电线路铁塔构件的设计可靠度水平基本能够满足目标可靠度指标的需要。冯云芬等^[4]对按照《110kV～750kV架空输电线路设计规范》(GB 50545—2010)(简称规范GB 50545—2010)设计的输电线路杆塔构件的可靠度进行了校准，并在不同荷载组合工况的基础上将我国输电线路杆塔构件的可靠度水平与美国规范NESC C2-2002及加拿大标准CAS C22.3No.1-2001作出对比。张卓群等^[5]则采用JC法对两基杆塔进行可靠度分析，指出钢管塔与角钢塔的构件可靠度指标的不同，并提出折减直线塔档距等措施提高杆塔构件的可靠度指标。高松、郭勇等^[6,7]建立特高压单柱拉线塔和多回路输电塔线体系的有限元模型，对二者的风振响应系数进行研究。邓洪洲^[8]建立了江阴大跨越两塔三线有限元模型，对大跨越塔线体系进行了风振响应分析。李茂华等^[9]采用FOSM方法对不同时期的500kV线路进行可靠度校准，指出我国500kV输电线路杆塔结构的可靠度水平在不断提高;并对1 000kV特高压杆塔的设计标准进行探讨，建议1 000kV特高压杆塔的结构重要性系数取1.1，风荷载重现期取100年。贾振宏等^[10]对同塔多回线路杆塔的设计方式以及相较于普通输电杆塔的优缺点进行了剖析;孙玉娇^[11]采用分离模型的可靠性评估方法分析了同塔四回线路杆塔的可靠性，并与双塔四回线路杆塔的可靠度进行对比，指出其可靠度水平低于双塔四回线路杆塔。笔者^[12]基于不同设计标准对超、特高压交直流同塔多回输电杆塔进行了初步设计与杆件选材，再校核按各设计标准设计的构件可靠度，但不能直接体现设计标准的选择对杆塔可靠度的影响。

　　 规范GB 50545—2010中针对同一电压等级下的超、特高压输电线路的安全等级均有详细规定，但针对超、特高压交直流同塔多回线路杆塔设计时，设计标准如何选择则缺乏有力依据。本文以±800kV/750kV交直流同塔多回线路杆塔为例，给出两种设计方案(即按照高电压设计标准和各自设计标准)，探究不同设计标准下的杆塔可靠度水平，并探讨超、特高压交直流同塔多回输电杆塔设计标准的选择方案。

　　 初步设计的±800kV/750kV交直流同塔多回线路杆塔呼高48m，总高103.7m，根开16.5m。杆塔为角钢与钢管混合塔，其中主材为钢管，其余杆件为角钢，架设方式如图1所示。图中(1),(2)为地线;(3),(4)为±800kV导线，绝缘子串布置方式为V形;(5)～(7)为左侧回路750kV线路的三相导线;(8)～(10)为右侧回路750kV线路的三相导线，绝缘子串布置方式为I形。

　　 图2为±800kV/750kV交直流同塔多回线路杆塔三维有限元模型的俯视图，其中θ为风向角。

　　 结合河西走廊地区常年多风、气候干爽、湿度较低的环境现状以及输电线路倒塔断线的资料统计，得知该地区输电线路故障主要由大风及断线引起，因此本文主要针对大风工况和断线工况对超、特高压交直流同塔多回输电线路杆塔的设计标准进行探讨。

　　 在对超、特高压交直流同塔多回线路杆构件的可靠度进行计算时，需要给出构件的功能函数，并把其中的变量视为随机变量，且两种工况下构件所受的可变荷载均为单一荷载。因此杆塔构件轴心受力时的功能函数为:

　　 式中:R为结构构件抗力设计值;S_G为永久荷载产生的轴力;S_Q为各可变荷载产生的轴力。

　　 对于输电杆塔结构或构件的承载力极限状态，规范GB 50545—2010和《±800kV直流架空输电线路设计规范》(GB 50790—2013)(简称规范GB50790—2013)中采用的分项系数表达式为:

　　 式中:γ₀为结构重要性系数;γ_G为永久荷载分项系数，对结构受力有利时不大于1.0，不利时取1.2;S_GK为永久荷载的标准值效应;ψ为可变荷载组合系数，大风工况取1.0，断线工况取0.9;γ_Qi是第i项可变荷载的分项系数，取1.4;S_{Qi K}为第i项可变荷载的标准值效应。

　　 由式(2)知，杆塔构件的抗力设计值至少满足:

　　 其中杆塔构件抗力和荷载的统计参数分别为:

　　 式中:R_K为构件的抗力标准值;k_R和δ_R分别为构件抗力的均值系数和变异系数;f_k,f_d分别为钢材强度标准值和钢材强度设计值;分别为永久荷载产生轴力效应的均值系数和变异系数;分别为第i项可变荷载产生轴力效应的均值系数和变异系数。

　　 影响输电线路杆塔构件抗力的主要因素包含构件材料性能的不确定性、构件几何参数的不定性以及构件计算模式的不确定性。由于超、特高压输电杆塔中构件的选材多为性能较好的Q345和Q420钢材，因此仅计算这两类钢材的统计参数值，而不考虑Q235钢材。根据文献[13]的统计规律以及文献[4]的研究成果，可得杆塔构件轴心受拉时抗力的统计参数k_R=1.134，δ_R=0.117;构件轴心受压时抗力的统计参数k_R=1.186，δ_R=0.150;两种抗力统计参数均服从对数正态分布。

　　 输电线路中的永久荷载主要包括杆塔构件、导地线以及绝缘子金具等的自重，根据《建筑结构设计统一标准》(GB J68-84)^[14]中对一些永久荷载实测数据的统计分析，得到永久荷载荷载的统计参数，服从正态分布。

　　 根据西北设计院设计时选用的导线型号，可知±800kV导线选择JL/G3A-900/40,750kV导线选择JL/G1A-400/50，分别确定两种导线的拉断力统计参数如表1所示。

　　 根据上述2种导线拉断力的统计参数，近似计算断线荷载的统计参数为

　　 根据《建筑结构设计统一标准》(GB J68-84)中基本风压的统计特征，结合我国年最大风压的分布类型，得到重现期为50年时最大风荷载的均值系数k=0.998。按照《架空输电线路钢管塔结构》^[15]以及文献[9]的研究成果，特高压输电杆塔重现期为50年最大风载荷均值系数k_SQ=0.908，本文确定的最大风荷载的统计参数以及分布类型见表2。构件抗力和荷载的统计参数汇总如表2所示。

　　 同一电压等级下高压输电线路的安全等级以及设计标准均有详细规定，但如何确定超、特高压交直流同塔多回线路杆塔的设计标准尚待解决。本文以±800kV/750kV交直流同塔多回线路杆塔为例，依照两种设计方案:第一种是按照高电压等级标准，即按照±800kV的设计标准进行设计;第二种是按照各自标准，即±800kV等级的导线荷载、地线荷载和塔身荷载按照±800kV线路等级的设计标准进行计算，750kV的导线荷载按照750kV线路等级的设计标准进行计算。

　　 规范GB 50790—2013规定±800kV线路的安全等级要较500kV线路提高一个安全等级，即按一级安全等级考虑，取重现期为100年，结构重要性系数为1.1进行设计。根据《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068—2001)^[16]规定，结构构件在一级安全等级下延性破坏时的可靠度指标β应满足β≥3.7，因此不管采用哪种设计标准，必须满足构件可靠度指标β≥3.7的要求。

　　 由于河西走廊地区常年多风，湿度较低，极少有覆冰状况发生，因此本文仅在大风工况和断线工况下对超、特高压交直流同塔多回线路杆塔的设计标准进行探究。

　　 超、特高压交直流同塔多回线路杆塔处于大风荷载工况下时，杆塔构件轴心受载时的功能函数为:

　　 式中S_Q为风荷载产生的轴力。

　　 风荷载的统计参数:

　　 式中:分别为风荷载效应的均值系数和变异系数;ρ为总可变荷载效应标准值与总永久荷载效应标准值的比值，称为总风荷载效应比。

　　 由式(2)可知，构件的抗力表达式能够表示为:

　　 其中:

　　 式中:γ₀₁，γ₀₂分别为±800kV和750kV线路等级对应的结构重要性系数;S_G塔，S_G800+地，S_G750分别为杆塔自重荷载、±800kV导线和地线自重荷载、750kV导线自重荷载的效应标准值;S_Q塔，S_Q800+地，S_Q750分别为塔身风荷载、±800kV导线和地线风荷载、750kV导线风荷载的效应标准值;β_c为线条风荷载调整系数，针对500kV以上的杆塔荷载，当基本风速27≤v≤31.5时，取β_c=1.2;ρ₁，ρ₂和ρ₃分别为考虑线条风荷载调整系数之后的±800kV导线和地线风荷载效应标准值、750kV导线风荷载效应标准值和750kV导线自重荷载效应标准值与总永久荷载效应标准值的比值。

　　 结合式(4)和式(9)可知，抗力的平均值为:

　　 本文根据西北设计院初步设计的塔型与选材方案进行有限元受力分析，详细统计了0°，45°，60°风向角以及90°风向角大风工况下ρ₁～ρ₃的分布规律，确定ρ₁～ρ₃的取值范围。以ρ₁的统计规律为例，绘制其分布规律，如图3所示。

　　 由图3可知，ρ₁主要在0.1～7之间，因此取ρ₁=0.1～7，同理分别确定ρ₂=0.1～3，ρ₃=0.1～3。据此采用FORM方法计算杆塔构件可靠度指标并分析其随着ρ₁～ρ₃的变化规律，统计不同钢材型号下构件的平均可靠度指标，绘制构件可靠度指标随ρ₁～ρ₃的变化规律曲线，并给出构件可靠度指标极值点对应的ρ₁～ρ₃，分别如表3、图4和图5所示。

　　 由表3可知，构件轴心受力时的可靠度指标均高于轴心受压时的可靠度指标，平均超过0.134;不同材料间同一厚度等级对应的构件可靠度指标略有差别，其中Q345类型钢材构件的可靠度指标普遍大于Q420钢材构件，二者可靠度指标差值约为0.021。原因在于与Q420钢材相比，Q345钢材的强度标准值与设计值之比普遍较大，间接提高Q345钢材的抗力设计值，从而使得Q345钢材的构件可靠度指标较高。

　　 同一钢材类型下不同厚度等级之间的构件可靠度指标存在明显差别，钢材厚度等级越大，构件的可靠度越高，与d≤16mm相比，厚度为d>16～35mm时的构件可靠度指标平均提高0.233。由于钢材的厚度等级提高，其设计值减小，导致强度标准值与设计值之比增大，从而提高构件的可靠度指标。

　　 由图4可知，构件的可靠度指标随着ρ₁的增大呈现先增后减的趋势，其峰值均于ρ₁<1.0时出现，且当ρ₁>4.6时，构件可靠度指标趋于稳定;构件的可靠度指标在ρ₂=0.2时达到峰值，其后随着ρ₂的增大逐渐减小;各自设计标准下构件可靠度指标随ρ₃的增大而减小，而±800kV设计标准下ρ₃的变化对构件可靠度指标没有影响，这是由于该设计标准下式(10)中ρ₃的系数为0，即计算构件可靠度的功能函数中不含有ρ₃。

　　 结合图5和表3所示，得知±800kV设计标准下的构件可靠度指标范围为3.271～4.297，各自设计标准下的构件可靠度指标范围为2.976～4.105。虽然两种设计标准下构件可靠度指标的上限较大，远大于一级安全等级下延性破坏时β≥3.7的要求，但实际上构件可靠度指标大于3.7时仅是在ρ₁～ρ₃的某些取值组合才能达到，比例较小;且±800kV设计标准和各自设计标准下的构件可靠度指标均值分别为3.588和3.341，其中各自设计标准下的构件可靠度指标均值与3.7相差较大，且其轴心受压时的部分构件可靠度指标尚且无法达到3.2。

　　 《110kV～750kV架空输电线路设计规范》(GB50545—2010)规定:对多回路杆塔，同一档内，单导线断任意三相导线;同一档内，断一根地线和任意两相导线。由于该±800kV/750kV线路同一杆塔上架设两相地线，两相±800kV导线以及六相750kV导线，按照上述规定则有62种断线情况，本文仅列举其中一种断线工况进行构件的可靠度研究:断地线(1)，导线(3)、导线(5)。

　　 超、特高压交直流同塔多回线路杆塔处于断线工况下时，杆塔构件轴心受载时的功能函数同式(7)，此时式中S_Q为断线荷载产生的轴力。

　　 则永久荷载与断线荷载的统计参数同式(5)、式(8)，此时k_SQ，δ_SQ分别为断线荷载效应的均值系数和变异系数;ρ为总断线荷载效应标准值与总永久荷载效应标准值的比值，称为总断线荷载效应比。

　　 由式(2)可知，构件的抗力表达式可表示为:

　　 其中:

　　 式中:S_Q800+地，S_Q750分别为±800kV导线和地线断线总荷载、750kV导线断线荷载的效应标准值;ρ₁，ρ₂和ρ₃分别为±800kV导线和地线断线总荷载效应标准值、750kV导线断线荷载效应标准值和750kV导线自重荷载效应标准值与总永久荷载效应标准值的比值。

　　 结合式(4)和(11)可知，抗力的平均值为:

　　 同3.1节处理方法相同，确定ρ₁=0.1～5，ρ₂=0.1～3，ρ₃=0.1～3。据此采用FORM方法计算断线工况下的杆塔构件可靠度指标，并分析其随着ρ₁～ρ₃的变化规律，统计不同钢材型号下构件的平均可靠度指标，并给出构件可靠度指标极值点对应的ρ₁～ρ₃，如表4、图6和图7所示。

　　 由表4可知，断线工况下构件轴心受力时的可靠度指标均高于轴心受压时的可靠度指标，平均超过0.442;不同材料间同一厚度等级对应的构件可靠度指标略有差别，其中Q345类型钢材构件的可靠度指标普遍大于Q420钢材构件，二者可靠度指标差值约为0.029;同一钢材类型下不同厚度等级之间的构件可靠度指标存在明显差别，钢材厚度等级越大，构件的可靠度指标越高，与d≤16mm相比，厚度为d>16～35mm时的构件可靠度指标平均提高0.338。

　　 由图6可知，±800kV设计标准下ρ₁～ρ₃的变化对构件可靠度指标影响较小，其中由于功能函数中ρ₃的系数为0，所以ρ₃的变化不会导致构件可靠度指标发生变化;各自设计标准下的构件可靠度指标随着ρ₁的增大而单调递增，随着ρ₂和ρ₃的增大而单调递减。

　　 结合表4和图7可知，±800kV设计标准下构件的可靠度指标分布范围为3.317～4.334，均值为3.840，其中轴心受压稳定时构件的可靠度指标为3.594;而各自设计标准下构件可靠度指标分布范围为2.011～4.072，均值为3.406，其中轴心受压时的构件可靠度指标均值仅为3.210。

　　 本文依照国家现行设计规范对超、特高压交直流同塔多回线路杆塔两种设计标准下的构件可靠度进行对比分析，给出不同设计标准下杆塔构件的可靠度水平。结论如下:

　　 (1)大风工况下，两种设计标准下构件的可靠度指标随着线条风荷载效应标准值所占比例的变化均呈现先增后减的趋势;而断线工况下，各自设计标准下的构件可靠度指标随着±800kV导线和地线断线总荷载效应标准值所占比例的增大而单调递增，随着750kV导线断线荷载效应标准值和自重荷载效应标准值所占比例的增大而单调递减。

　　 (2)两种设计标准下构件轴心受力时的可靠度指标均高于轴心受压时的可靠度指标，且同一钢材类型下不同厚度等级之间的构件可靠度指标存在明显差别，钢材厚度等级越大，构件的可靠度越高。