混凝土電桿在110kV四回直線線路中的應(yīng)用

1、混凝土電桿在110kV四回直線線路中的應(yīng)用摘要：介紹了應(yīng)用在110kV四回直線線路中的環(huán)形混凝土電桿的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其實(shí)際應(yīng)用作了經(jīng)濟(jì)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(jì)優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：混凝土電桿；四回直線線路；抗彎強(qiáng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市用電量的不斷增長(zhǎng)，城市電網(wǎng)已不能滿足負(fù)荷快速增長(zhǎng)的要求，頻頻出現(xiàn)過負(fù)荷情況，嚴(yán)重制約了地方經(jīng)濟(jì)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(jià)高、開挖面積大、地下管線復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)，且受地形條件限制，因此，相比較而言，多回路同桿架設(shè)110kV電網(wǎng)線路是一種見效快、造價(jià)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(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)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(shè)計(jì)與應(yīng)用。1設(shè)計(jì)條件（1） 線路電壓等級(jí)為110kV四回路直線單桿；（2） 設(shè)計(jì)水平檔距為120m，垂直檔距為150m；（3） 設(shè)計(jì)最大風(fēng)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(yù)應(yīng)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(shè)計(jì)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(chǎng)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(tái)階基礎(chǔ)進(jìn)行組裝。上、中、下桿段混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C60，非預(yù)應(yīng)力主筋采用HRB 400；預(yù)應(yīng)力主筋采用PCB-10.7-1570-25-L-HG-GB/T 5223.3預(yù)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)呼稱高17.5m。2設(shè)計(jì)荷載按國(guó)標(biāo)GB 505452010110kV750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)

5、范進(jìn)行荷載計(jì)算。根據(jù)初步驗(yàn)算最大荷載為最大風(fēng)速90°風(fēng)吹時(shí)。（1）900最大風(fēng)吹時(shí)，作用于地線風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；a風(fēng)壓不均勻系數(shù)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)基本風(fēng)速，按國(guó)標(biāo)GB 505452010中表-1確定。設(shè)計(jì)風(fēng)速30m/s,取0.75；c110kV電壓級(jí)的線路取1.0；z風(fēng)壓高度變化系數(shù)?；鶞?zhǔn)高度為10m的風(fēng)壓高度變化系

6、數(shù)按國(guó)標(biāo)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(shí)（不論線徑大小）應(yīng)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(shí)的計(jì)算外徑（m）；GJ-50地線外徑9mm=0.009m； Lp桿塔的水平檔距（m）；該設(shè)計(jì)為120m；B覆冰時(shí)風(fēng)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(fēng)吹時(shí)不覆冰，B取1.0；風(fēng)向與地線方向之間的夾角，該設(shè)計(jì)為900W0基本風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值（ kN/ m2），W0=V2/1600；V基準(zhǔn)高度為10m的風(fēng)速（m/s），該設(shè)計(jì)為30

7、m/s。（2）900最大風(fēng)吹時(shí)，作用于導(dǎo)線風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)線方向的水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；a風(fēng)壓不均勻系數(shù)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)基本風(fēng)速，按國(guó)標(biāo)GB 505452010表-1的規(guī)定確定。設(shè)計(jì)風(fēng)速30m/s,取0.75；c110kV電壓級(jí)的線路取1.0；z風(fēng)壓高度變化系數(shù)?；鶞?zhǔn)高度為10m的風(fēng)壓高度變化系數(shù)按國(guó)標(biāo)GB 505452010表的規(guī)定確定；地面粗糙

8、度為B類，導(dǎo)線作用高度平均26m,取1.352；Sc導(dǎo)線的體型系數(shù)，線徑小于17mm或覆冰時(shí)（不論線徑大?。?yīng)取Sc=1.2； 線徑大于或等于17mm,Sc取1.1；d導(dǎo)線的外徑或覆冰時(shí)的計(jì)算外徑（m）；LGJ-240/30導(dǎo)線外徑21.6mm=0.0216m； Lp桿塔的水平檔距（m）；該設(shè)計(jì)為120m；B覆冰時(shí)風(fēng)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(fēng)吹時(shí)不覆冰，B取1.0；風(fēng)向與導(dǎo)線方向之間的夾角，該設(shè)計(jì)為900W0基本風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值（ kN/ m2），W0=V2/1600；V基準(zhǔn)高度為10m的風(fēng)速（m/s），該設(shè)計(jì)為30m/s。（3）最大風(fēng)速90°風(fēng)吹

9、時(shí)，桿塔風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值式中：Ws桿塔風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)壓的投影面積計(jì)算值（m2）；該桿投影面積為21.24m2；z桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)。按國(guó)標(biāo)GB 505452010中的規(guī)定，取1.31。3最大風(fēng)速90°風(fēng)吹時(shí)，桿段出地面處截面的最大計(jì)算開裂彎矩考慮附加彎矩系數(shù)為0.15，則最大風(fēng)速90°風(fēng)吹時(shí)，桿段出地面處截面的最大計(jì)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(qiáng)度驗(yàn)算從以上計(jì)算可知，根部最大彎矩約為906kN·m按GB 500102010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。按GB/T 46232006環(huán)形混凝土電桿進(jìn)行加工、制造和驗(yàn)收。強(qiáng)度安全系數(shù)k1.513（1） 主桿桿段設(shè)計(jì)主桿桿段設(shè)計(jì)為：350×36m，按（上段12m+中段12m+下段12m）分段制造，混凝土設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)力主筋) +（1618×11.76m+218×

11、9.5 m +218×6.5m+218×3.5m非預(yù)應(yīng)力主筋）中段：510×12× (1210.7×11.9m預(yù)應(yīng)力主筋) +（2418×11.76m+218×9.5 m +218×6.5m+218×3.5m非預(yù)應(yīng)力主筋）下段：670×12× (1610.7×11.9m預(yù)應(yīng)力主筋) +（3218×11.76m+218×9.5 m +218×6.5m+218×3.5m非預(yù)應(yīng)力主筋）（2）基本數(shù)據(jù)計(jì)算計(jì)算截面外徑：D=830mm混凝土設(shè)計(jì)壁

12、厚：=80mm計(jì)算截面縱向鋼筋所在圓的半徑rp=rs=387.5mm計(jì)算截面預(yù)應(yīng)力主筋總截面面積：Ap=nd2/4=16×3.1415926×10.72/4=1439mm2計(jì)算截面非預(yù)應(yīng)力主筋總截面面積：As=nd2/4=38×3.1415926×182/4=9670mm2計(jì)算截面環(huán)形截面面積：A=(D)=3.1415926×(83080)×80=188496mm2 計(jì)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(yù)應(yīng)力鋼棒抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：fptk =1570N/mm2預(yù)應(yīng)力鋼棒抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：fpy =1110N/mm2預(yù)應(yīng)力鋼棒抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：f/py =410N/mm2預(yù)應(yīng)力鋼棒彈性模量：Ep =2.05×105N/mm2HRB 400鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：fy=360N/mm2HRB 400鋼筋彈性模量：Es =2.0×105N/mm2C60級(jí)混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：fc=27.5N/mm2C60級(jí)混凝土彎曲抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：ftk=2.85N/mm2C60級(jí)混凝土彈性模量：EC=

14、3.6×104N/mm2（3）預(yù)應(yīng)力損失值計(jì)算：con=0.7×fptk=0.7×1570=1099N/mm2由張拉錨具引起的預(yù)應(yīng)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(hù)時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋與承受拉力的設(shè)備之間的溫差產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)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(hù)，電桿和鋼模同時(shí)蒸養(yǎng)，故可不考慮此項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失值。由預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失：低松弛：當(dāng)con0.7fptk時(shí)，4=27.5 N/mm2第一批預(yù)應(yīng)力損失值為：I=1+4=50+27.5=77.5N/mm2混凝土

15、法向預(yù)應(yīng)力等于零時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絲的合力為：Npo=（con-I）Ap =（1099-77.5）×1439 =1469939N由預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力為：pc=Npo/Ao=1469939/239304=6.1N/ mm2脫模時(shí)混凝土立方體強(qiáng)度：fcu=0.7fcu=0.7×60=42N/mm2受拉區(qū)預(yù)應(yīng)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(yīng)力鋼絲的預(yù)應(yīng)力損失為:總的預(yù)應(yīng)力損失為：（4）混凝土法向應(yīng)力等于零時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)力為：（5）計(jì)算截面設(shè)計(jì)彎矩計(jì)算：配有預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力主筋時(shí)，相對(duì)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(duì)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(shè)計(jì)值；r1、r2環(huán)形截面內(nèi)、外半徑。截面抗彎強(qiáng)度Mk=M/k=1444/1.513=954.4kN·mMj=906 kN·m因此，計(jì)算截面抗彎強(qiáng)度完全滿足要求。按以上對(duì)各段進(jìn)行驗(yàn)算，得出抗彎強(qiáng)度同樣滿足要求。5最大風(fēng)速90°風(fēng)吹時(shí)，電桿撓度的計(jì)算方法計(jì)算截面到桿頂延長(zhǎng)線相交點(diǎn)的距離：H=75D=75×830=62250mm開裂檢驗(yàn)彎矩時(shí)，荷載點(diǎn)的水平荷載：k= Mj/L=905556000

19、/36000=25154N荷載點(diǎn)到桿頂延長(zhǎng)線相交點(diǎn)距離：H=H-L+250=62250-36000+250=26500mm荷載點(diǎn)到桿頂延長(zhǎng)線相交點(diǎn)距離與計(jì)算截面到桿頂延長(zhǎng)線相交點(diǎn)距離的比值：=H/H=26500/62250=0.43桿頂?shù)綏U頂延長(zhǎng)線相交點(diǎn)距離：X=H-250=26500-250=26250mm 計(jì)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(yīng)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(yàn)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(duì)15m以上的電桿作撓度規(guī)定。該桿采用外置式法蘭連接，實(shí)際撓度

21、值比設(shè)計(jì)值小。6 計(jì)算截面100%荷載時(shí)裂縫寬度驗(yàn)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(zhǔn)永久組合計(jì)算的鋼筋混凝土構(gòu)件縱向受拉普通應(yīng)力或按標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件縱向受拉等效應(yīng)力：以有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率為：裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)為：構(gòu)件受力特征系數(shù)，對(duì)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(zhǎng)期效應(yīng)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(yàn)算混凝土電桿底部采用法蘭

22、連接時(shí)，必須校核連接處螺栓的容許彎矩M，應(yīng)大于混凝土電桿該截面處所承受的開裂檢驗(yàn)彎矩Mk，使混凝土電桿與基礎(chǔ)接頭處滿足強(qiáng)度要求，否則需增加螺栓直徑或螺栓個(gè)數(shù)。計(jì)算承受彎矩的法蘭盤連接螺栓受力時(shí)，可假定其中和軸的位置在圓管外壁與底板接觸點(diǎn)的切線上（如圖2），距A-A軸最遠(yuǎn)的螺栓承受最大拉力，較接近的螺栓按三角形應(yīng)力圖形減小，則螺栓抗彎強(qiáng)度M按公式（1）計(jì)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(jì)算。（2）F螺栓凈截面積mm2；y1、y2、y3、y4分別為法蘭盤上各個(gè)螺栓對(duì)A-A軸的垂直距離mm；t-螺栓容許拉應(yīng)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(shè)計(jì)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(yīng)力t=160N/mm2。底板厚=30mm法蘭螺栓M39單個(gè)的有效截面面積F=976mm2；經(jīng)計(jì)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(jì)算法蘭螺栓構(gòu)造強(qiáng)度完全滿足要求。8 混凝土電桿基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定計(jì)算（按重力基礎(chǔ)驗(yàn)算）混凝土電桿鋼筋混凝土基礎(chǔ)見圖3，極限傾覆力矩Mj應(yīng)滿足下式要求：圖3混凝土電桿鋼筋混凝土基礎(chǔ)Mjk3Mk式中：Mj極限傾覆力矩，kN·m； k3基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定設(shè)計(jì)安全系數(shù)，直線單桿型為1.