IEC TR 62248：大气结冰对结构物的影响——测量与设计指南

IEC TR 62248由IEC第11技术委员会（架空线路）于2002年作为技术报告发布，为大气结冰的测量、表征和结构设计影响提供了重要指导。结构物上的积冰对全球基础设施构成了重大危害，从输电塔和架空线路因积冰重量而倒塌，到风力发电机因不均匀积冰而导致发电损失和疲劳损坏。本技术报告将气象科学与工程实践整合为一个统一的结冰风险管理框架。

结冰机理与分类

IEC TR 62248根据冰形成的物理机制将大气结冰分为三种主要类型。云中积冰（也称雾凇）发生在云或雾中的过冷水滴撞击结构物表面时冻结。这是影响高海拔基础设施和风力发电机最常见的类型。其严重程度取决于云的液态水含量、水滴粒径分布、风速和环境温度。雾凇通常在-15 deg C至0 deg C之间形成，当风速超过10 m/s时积冰速率加快。

降水积冰（雨凇或冻雨）发生在降雨通过地表附近低于冰点的空气层时在撞击处冻结。雨凇比雾凇密度更大、附着力更强，单位厚度产生更重的荷载。冻雨事件尤为危险，因为一次风暴就可产生50-100毫米的积冰厚度。冻雨的持续时间和沉积期间的风速是决定最终冰荷载的关键因素。

白霜通过水蒸气在低于0 deg C的冷表面上直接凝华形成。虽然单次白霜事件产生轻盈的羽毛状沉积物，但反复的日循环可在数周或数月内在线缆、塔架构件和架空地线上积累显著的质量。

测量方法与数据解读

IEC TR 62248描述了多种测量结构物积冰的方法。被动方法包括使用暴露在代表性高度处的积冰测量杆（圆柱形或平板集冰器），定期测量其冰质量和厚度。主动方法使用加热传感器，通过振动频率、电容或热阻抗的变化检测结冰。报告对传感器布置提供了详细指导，以避免支撑结构本身引起的湍流和尾流效应。

结冰表征所需的气象测量包括10米高度的风速和风向、环境温度、相对湿度和大气压力。对于云中积冰评估，必须使用旋转圆柱集冰器或光学粒子计数器测量液态水含量和粒径分布。标准建议在结冰事件期间以10分钟间隔进行连续监测，数据记录至少持续5个冬季，以建立可靠的统计极值。

结冰数据的统计分析遵循极值分布方法。报告建议对标准结构采用50年重现期，对关键基础设施采用150-500年重现期。将区域划分为等结冰严重度区域的覆冰图是向工程师传达设计值的最常用工具。

结冰环境工程设计要点

结冰环境下的结构设计涉及三个相互关联的考虑因素：冰重作用下的机械承载能力、冰风联合作用下的动态响应以及可能产生不均匀荷载的脱冰行为。对于架空输电线路，冰风组合荷载工况通常是控制性设计条件。相邻档距之间因海拔或暴露条件不同而产生的差异积冰会在塔架和金具上产生危险的纵向不平衡力，设计时必须充分考虑这种差异荷载的影响。

对于风力发电机，结冰影响结构完整性和气动性能。叶片上的积冰改变翼型轮廓，在中度结冰事件期间降低发电量10-50%，在严重条件下导致完全停机。不均匀脱冰造成严重的不平衡荷载，可触发紧急停机并导致传动系统疲劳损伤。设计解决方案包括叶片加热系统、将冰附着力降低70-90%的疏水涂层，以及限制结冰期间发电同时保持安全运行的耐冰控制算法。

桥梁结构面临来自斜拉索和悬索结冰的独特风险，积冰增加自重和风荷载，同时从缆索上掉落的冰对下方交通构成安全隐患。加热缆索除冰系统、采用低附着力护套材料的被动脱冰设计以及结冰缆索下方的隔离区都是成熟的缓解策略。

气候变化为结冰工程增加了复杂性。虽然变暖通常降低结冰频率，但可能增加某些地区冻雨事件的严重程度。设计使用寿命为50-100年的基础设施的工程师必须考虑结冰分区的潜在变化，并在结构设计中纳入适应能力。