混凝土電桿在110kV四回直線線路中的應用

1、混凝土電桿在110kV四回直線線路中的應用摘要：介紹了應用在110kV四回直線線路中的環(huán)形混凝土電桿的設計方法，并對其實際應用作了經(jīng)濟分析，結(jié)果表明，110kV直線采用四回路混凝土單桿架空線路具有較好的經(jīng)濟優(yōu)勢。關鍵詞：混凝土電桿；四回直線線路；抗彎強度；開裂彎矩；電桿撓度Abstract：The design method of annular concrete poles for 110 kV four loop straight linesis introduced.Andpractical applicationeconomic cost ofthe poles is analyzed

2、, which shows that using four loop concrete pole overhead line as110 kV lines has good economic advantage.Key words:Concrete poles; 110 kV four loop straight linesBending strength; Cracking moment; Pole deflection0 前言隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市用電量的不斷增長，城市電網(wǎng)已不能滿足負荷快速增長的要求，頻頻出現(xiàn)過負荷情況，嚴重制約了地方經(jīng)濟的快速發(fā)展。城市的發(fā)展使人口密度加大，道路更

3、加擁擠，架空線走廊也因此變得更加狹窄、緊張。采用電纜網(wǎng)雖然是城市電網(wǎng)發(fā)展的方向，但工程造價高、開挖面積大、地下管線復雜、施工周期長，且受地形條件限制，因此，相比較而言，多回路同桿架設110kV電網(wǎng)線路是一種見效快、造價低的有效方法，特別是環(huán)形混凝土電桿在110kV四回直線線路的應用，優(yōu)點較為突出。本文介紹了環(huán)形混凝土電桿在110kV四回直線線路的設計與應用。1設計條件（1） 線路電壓等級為110kV四回路直線單桿；（2） 設計水平檔距為120m，垂直檔距為150m；（3） 設計最大風速30m/s，氣溫-20+40；（4） 覆冰10mm；（5） 土質(zhì)條件：粘性可塑；主桿選用環(huán)形部分預應力混凝土電

4、桿，采用350×36m錐度為1/75的拔梢桿。按上段12m+中段12m+下段12m分段，混凝土設計壁厚分別為：上段60mm、中段70mm、下段80mm，主桿接頭采用鋼圈在施工現(xiàn)場用電焊焊接后作特殊防腐處理，或用外法蘭連接。電桿根部采用法蘭與地腳螺栓作混凝土臺階基礎進行組裝。上、中、下桿段混凝土設計強度等級C60，非預應力主筋采用HRB 400；預應力主筋采用PCB-10.7-1570-25-L-HG-GB/T 5223.3預應力混凝土用棒。（6） 根據(jù)電氣間隙要求，電桿外形尺寸見圖1，標準呼稱高17.5m。2設計荷載按國標GB 505452010110kV750kV架空輸電線路設計規(guī)

5、范進行荷載計算。根據(jù)初步驗算最大荷載為最大風速90°風吹時。（1）900最大風吹時，作用于地線風荷載的標準值： Wx=aW0uzuSccdLpBsin2 =0.75×302/1600×1.504×1.2×1×0.009×120×1×sin2900=0.82kN式中：Wx垂直于地線方向的水平風荷載標準值，kN；a風壓不均勻系數(shù)，應根據(jù)設計基本風速，按國標GB 505452010中表-1確定。設計風速30m/s,取0.75；c110kV電壓級的線路取1.0；z風壓高度變化系數(shù)?；鶞矢叨葹?0m的風壓高度變化系

6、數(shù)按國標GB 505452010中表的規(guī)定確定；地面粗糙度為B類，高度36m,取1.504；圖1電桿外形尺寸Sc地線的體型系數(shù)，線徑小于17mm或覆冰時（不論線徑大小）應取Sc=1.2； 線徑大于或等于17mm,Sc取1.1；d地線的外徑或覆冰時的計算外徑（m）；GJ-50地線外徑9mm=0.009m； Lp桿塔的水平檔距（m）；該設計為120m；B覆冰時風荷載增大系數(shù)，5mm冰區(qū)取1.1，10mm冰區(qū)取1.2，900最大風吹時不覆冰，B取1.0；風向與地線方向之間的夾角，該設計為900W0基本風壓標準值（ kN/ m2），W0=V2/1600；V基準高度為10m的風速（m/s），該設計為30

7、m/s。（2）900最大風吹時，作用于導線風荷載的標準值為：Wx=aW0uzuSccdLpBsin2 =0.75×302/1600×1.352×1.1×1×0.0216×120×1×sin2900 =1.63kN式中：Wx垂直于導線方向的水平風荷載標準值，kN；a風壓不均勻系數(shù)，應根據(jù)設計基本風速，按國標GB 505452010表-1的規(guī)定確定。設計風速30m/s,取0.75；c110kV電壓級的線路取1.0；z風壓高度變化系數(shù)?；鶞矢叨葹?0m的風壓高度變化系數(shù)按國標GB 505452010表的規(guī)定確定；地面粗糙

8、度為B類，導線作用高度平均26m,取1.352；Sc導線的體型系數(shù)，線徑小于17mm或覆冰時（不論線徑大小）應取Sc=1.2； 線徑大于或等于17mm,Sc取1.1；d導線的外徑或覆冰時的計算外徑（m）；LGJ-240/30導線外徑21.6mm=0.0216m； Lp桿塔的水平檔距（m）；該設計為120m；B覆冰時風荷載增大系數(shù)，5mm冰區(qū)取1.1,10mm冰區(qū)取1.2，900最大風吹時不覆冰，B取1.0；風向與導線方向之間的夾角，該設計為900W0基本風壓標準值（ kN/ m2），W0=V2/1600；V基準高度為10m的風速（m/s），該設計為30m/s。（3）最大風速90°風吹

9、時，桿塔風荷載的標準值式中：Ws桿塔風荷載標準值，kN；S構(gòu)件的體型系數(shù)，環(huán)形混凝土電桿取0.7； AS構(gòu)件承受風壓的投影面積計算值（m2）；該桿投影面積為21.24m2；z桿塔風荷載調(diào)整系數(shù)。按國標GB 505452010中的規(guī)定，取1.31。3最大風速90°風吹時，桿段出地面處截面的最大計算開裂彎矩考慮附加彎矩系數(shù)為0.15，則最大風速90°風吹時，桿段出地面處截面的最大計算開裂彎矩Mj為：Mj=(1+0.15)× 0.82×2×36+1.63×2×(32.5+29.5+26.5+23.5+20.5+17.5)+13.3

10、×184電桿抗彎強度驗算從以上計算可知，根部最大彎矩約為906kN·m按GB 500102010混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范進行設計計算。按GB/T 46232006環(huán)形混凝土電桿進行加工、制造和驗收。強度安全系數(shù)k1.513（1） 主桿桿段設計主桿桿段設計為：350×36m，按（上段12m+中段12m+下段12m）分段制造，混凝土設計壁厚分別為：上段60mm、中段70mm、下段80mm，法蘭連接。初步估算后，主桿各段配制主筋為：上段：350×12× (810.7×11.9m預應力主筋) +（1618×11.76m+218×

11、9.5 m +218×6.5m+218×3.5m非預應力主筋）中段：510×12× (1210.7×11.9m預應力主筋) +（2418×11.76m+218×9.5 m +218×6.5m+218×3.5m非預應力主筋）下段：670×12× (1610.7×11.9m預應力主筋) +（3218×11.76m+218×9.5 m +218×6.5m+218×3.5m非預應力主筋）（2）基本數(shù)據(jù)計算計算截面外徑：D=830mm混凝土設計壁

12、厚：=80mm計算截面縱向鋼筋所在圓的半徑rp=rs=387.5mm計算截面預應力主筋總截面面積：Ap=nd2/4=16×3.1415926×10.72/4=1439mm2計算截面非預應力主筋總截面面積：As=nd2/4=38×3.1415926×182/4=9670mm2計算截面環(huán)形截面面積：A=(D)=3.1415926×(83080)×80=188496mm2 計算截面換算截面面積：A0= A+（Ep/Ec1）Ap+（Es/Ec1）As=188496+(2.05×105/3.6×1041）×1439

13、+(2×105/3.6×1041）×9670=239304 mm2 預應力鋼棒抗拉強度標準值：fptk =1570N/mm2預應力鋼棒抗拉強度設計值：fpy =1110N/mm2預應力鋼棒抗壓強度設計值：f/py =410N/mm2預應力鋼棒彈性模量：Ep =2.05×105N/mm2HRB 400鋼筋抗拉強度設計值：fy=360N/mm2HRB 400鋼筋彈性模量：Es =2.0×105N/mm2C60級混凝土彎曲抗壓強度設計值：fc=27.5N/mm2C60級混凝土彎曲抗拉強度標準值：ftk=2.85N/mm2C60級混凝土彈性模量：EC=

14、3.6×104N/mm2（3）預應力損失值計算：con=0.7×fptk=0.7×1570=1099N/mm2由張拉錨具引起的預應力損失值（考慮值為3mm）1=ES/L=3×2×105/12000=50N/mm2混凝土加熱養(yǎng)護時，預應力筋與承受拉力的設備之間的溫差產(chǎn)生的預應力損失值為3，現(xiàn)在的電桿生產(chǎn)企業(yè)基本都采用坑式或窯式養(yǎng)護，電桿和鋼模同時蒸養(yǎng)，故可不考慮此項預應力損失值。由預應力筋的應力松弛引起的預應力損失：低松弛：當con0.7fptk時，4=27.5 N/mm2第一批預應力損失值為：I=1+4=50+27.5=77.5N/mm2混凝土

15、法向預應力等于零時，預應力鋼絲的合力為：Npo=（con-I）Ap =（1099-77.5）×1439 =1469939N由預加應力產(chǎn)生的混凝土法向應力為：pc=Npo/Ao=1469939/239304=6.1N/ mm2脫模時混凝土立方體強度：fcu=0.7fcu=0.7×60=42N/mm2受拉區(qū)預應力鋼絲的配筋率為：=Ap/Ao =1439/239304 =6.0×10-3由混凝土收縮，徐變引起該應力鋼絲的預應力損失為:總的預應力損失為：（4）混凝土法向應力等于零時，預應力鋼絲的應力為：（5）計算截面設計彎矩計算：配有預應力和非預應力主筋時，相對含鋼筋率宜

16、符合：=（fpyAp+fyAs）/（fcA）1.25=（1110×1439+360×9670）/（27.5×188496）=0.98<1.25相對含鋼筋率滿足要求。受壓區(qū)混凝土截面面積與截面面積比值：=（fyAs+fpyAp)/ a1fcA+2.5fyAs+ fpyAp+ 1.5(fpy-p0)Ap=（360×9670+1110×1439）/0.98×27.5×188496+2.5×360×9670+410×1439+1.5(1110-921.1) ×1439=0.344 受拉縱

17、向鋼筋截面面積與全部縱向鋼筋截面面積的比值為：t=1-1.5=1-1.5×0.344=0.484sin/=sin(180°×0.344)/3.1415926=0.281sint/=sin(180°×0.484)/3.1415926=0.32sin/+ sint/=0.281+0.32=0.601=0.98×27.5×188496×（335+415）×0.281/2 +360×9670×387.5×0.601+410×1439×387.5×0.28

18、1+(1110-921.1) ×1439×387.5×0.32=1443978605N·mm=1444kN·mM彎矩設計值；r1、r2環(huán)形截面內(nèi)、外半徑。截面抗彎強度Mk=M/k=1444/1.513=954.4kN·mMj=906 kN·m因此，計算截面抗彎強度完全滿足要求。按以上對各段進行驗算，得出抗彎強度同樣滿足要求。5最大風速90°風吹時，電桿撓度的計算方法計算截面到桿頂延長線相交點的距離：H=75D=75×830=62250mm開裂檢驗彎矩時，荷載點的水平荷載：k= Mj/L=905556000

19、/36000=25154N荷載點到桿頂延長線相交點距離：H=H-L+250=62250-36000+250=26500mm荷載點到桿頂延長線相交點距離與計算截面到桿頂延長線相交點距離的比值：=H/H=26500/62250=0.43桿頂?shù)綏U頂延長線相交點距離：X=H-250=26500-250=26250mm 計算截面換算截面慣性矩：I0=A0（r12+r22）/4 =239304×(3352+4152)/4 =1.702×1010mm4荷載短期效應組合下要求不出現(xiàn)裂縫的電桿短期剛度:Bs=0.85EcIo=0.85×3.6×104×1.702

20、×1010=5.21×1014 N·mm²開裂檢驗荷載作用下電桿桿頂撓度值為：y=(PkH2/2Bs)×(H2/X-H 3/3X2+X-2X/3-2H+H)=25154×622502/（2×5.21×1014）×622502/26250-0.43×622503/（3×262502）+26250-2×0.43×26250/3-2×62250+26500=1700mm。GB/T 4623-2006未對15m以上的電桿作撓度規(guī)定。該桿采用外置式法蘭連接，實際撓度

21、值比設計值小。6 計算截面100%荷載時裂縫寬度驗算最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離取Cs=18mm按荷載準永久組合計算的鋼筋混凝土構(gòu)件縱向受拉普通應力或按標準組合計算的預應力混凝土構(gòu)件縱向受拉等效應力：以有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率為：裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數(shù)為：構(gòu)件受力特征系數(shù)，對受彎構(gòu)件cr=1.9考慮裂縫寬度分布的不均勻性和荷載長期效應組合影響作用下，最大裂紋寬度為：Wmax=cr(1.9cs+0.08)=1.9×1×(1.9×18+0.08×)=0.18mm0.2mm7 底部法蘭螺栓驗算混凝土電桿底部采用法蘭

22、連接時，必須校核連接處螺栓的容許彎矩M，應大于混凝土電桿該截面處所承受的開裂檢驗彎矩Mk，使混凝土電桿與基礎接頭處滿足強度要求，否則需增加螺栓直徑或螺栓個數(shù)。計算承受彎矩的法蘭盤連接螺栓受力時，可假定其中和軸的位置在圓管外壁與底板接觸點的切線上（如圖2），距A-A軸最遠的螺栓承受最大拉力，較接近的螺栓按三角形應力圖形減小，則螺栓抗彎強度M按公式（1）計算。圖2 連接螺的法蘭盤示意圖（1）式中 JA所有螺栓繞A-A軸的慣性矩（mm4）按公式（2）計算。（2）F螺栓凈截面積mm2；y1、y2、y3、y4分別為法蘭盤上各個螺栓對A-A軸的垂直距離mm；t-螺栓容許拉應力；350×36m錐形

23、混凝土電桿為（上段12m+中段12m+下段12m）共三段，底部連接處外徑830mm，截面連接處設計為外法蘭盤。連接處采用20M39的地腳螺栓，地腳螺栓所分布的圓直徑為970mm，螺栓采用HPB 300材料，容許應力t=160N/mm2。底板厚=30mm法蘭螺栓M39單個的有效截面面積F=976mm2；經(jīng)計算：y1=72.05mm、y2=194.81mm、y3=339.13mm、y4=490.87mm y5=635.19mm、y6=757.95mm、y7=847.14mm、y8=894.03mm。按公式（2）>906kN.m經(jīng)計算法蘭螺栓構(gòu)造強度完全滿足要求。8 混凝土電桿基礎傾覆穩(wěn)定計算（按重力基礎驗算）混凝土電桿鋼筋混凝土基礎見圖3，極限傾覆力矩Mj應滿足下式要求：圖3混凝土電桿鋼筋混凝土基礎Mjk3Mk式中：Mj極限傾覆力矩，kN·m； k3基礎傾覆穩(wěn)定設計安全系數(shù)，直線單桿型為1.