混凝土电杆在110kV四回直线线路中的应用.pdf

2 0 1 3年第 3期 3月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 3 No 3 Ma r c h 混凝土电杆在 1 1 0 k V四回直线线路中的应用 李 怀忠， 张晓非 ( 中国能源建设集团陕西银河电力线路器材有限公司 ， 7 1 0 3 0 2 ) 摘 要 ： 介 绍了应 用在 1 1 0 k V四回直线线路 中的环形混凝土 电杆 的设计方 法， 并对其 实际应 用作 了经济分析 ， 结 果表 明， 1 1 O k V直线采用四 回路混凝 土单杆 架空线路 具有较好的经济优势 。 关 键 词 ： 混凝 土 电 杆 ； 1 l O k V 四 回 直线 线路 ； 抗 弯强 度 ； 开 裂 弯 矩 ； 电杆 挠 度 Ab s t r a c t ： T h e d e s i g n me t h o d o f a n n u l a r c o n c r e t e p o l e s f o r l 1 0 k V f o u r l o o p s t r a i g h t 1 i n e s i s i n t r o d u c e d And t h e e c o n o mi c c o s t o f t he po l e s i n t he p r a c t i c a l a p pl i c a t i o n i s a n a l y z e d ，w h i c h s h o ws t h a t u s i n g f o u r l o o p c o n c r e t e p o l e o v e r h e a d l i n e f o r 1 1 0 k V s t r a i g h t l i n e s h a s g o o d e c o n o mi c a d v a n t a g e Ke y wo r d s ：C o n c r e t e p o l e s ；1 1 O k V f o u r l o o p s t r a i g h t l i n e s ； Be n d i n g s t r e n g t h ； C r a c k i n g mo me n t ； P o l e d e f l e c t i o n 中 图分 类 号 ： T U5 2 5 文 献 标 识 码 ： A 文 章编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 01 3) 0 3 2 5 0 5 0前 言 随着 国民经 济 的迅 速发 展 和 城 市用 电量 的不 断 增长 ，城市电网已不能满足负荷快速增长 的要求 ， 频频 出现过负荷情况 ， 严重制约 了地方经济的快速 发展 。城市的发展使人 口密度加大 ， 道路更加拥挤 ， 架空线走廊也因此变得更加狭窄 、 紧张 。采用电缆 网虽然是城市电网发展 的方向 ，但工程造价高 、 开 挖面积大 、 地下管线复杂 、 施工周期长 ， 且受地形条 件限制 ， 因此 ， 相 比较 而言 ， 多 回路 同杆架设 1 1 0 k V 电网线路是一种见效快 、 造价低 的有效方法 ， 特别 是环形混凝土电杆在 1 1 0 k V四回直线线路 的应用 ， 优 点较 为 突 出。本 文介 绍 了环形 混凝 土 电杆在 1 l O k V四回直线线路的设计与应用 。 1 设计 条 件 ( 1 )线路 电压等级为 1 1 0 k V四回路直线单杆 ； ( 2 )设计 水 平档 距 为 1 2 0 m， 垂 直档 距 为 1 5 0 m； ( 3 )设计最大风速 3 0 m s ， 气温一 2 0 + 4 0 C； ( 4 )覆 冰 1 0 mm； ( 5 )土质 条件 ： 粘性 可塑 ； 主 杆 选 用 环 形 部 分 预应 力 混 凝 土 电 杆 ，采 用 0 3 5 0 x 3 6 m锥度为 1 7 5的拔梢杆 。 按上段 1 2 m+ 中段 1 2 m+ 下段 1 2 m分段 ， 混凝土设计壁厚分别为 ： 上段 6 0 mm、 中段 7 0 ram、 下 段 8 0 mm， 主杆 接 头 采 用 钢 圈 在施工现场用电焊焊接后作特殊防腐处理 ， 或用外 法兰连接。电杆根部采用法兰与地脚螺栓作混凝土 台阶基础进行组装 。上 、 中、 下杆段混凝土设计强度 等级 C 6 0 ， 非预应力主筋采用 H R B 4 0 0 ； 预应力主筋 采 用 P C B 一 1 0 7 1 5 7 0 3 5 一 L HG G B T 5 2 2 3 3预 应 力 混 凝土 用棒 。 ( 6 )根据 电气 间隙要求 ， 电杆外形尺寸见 图 1 ， 标准呼称高 1 7 5 m。 图 1 电杆外形尺寸 单位 ： mm 2设计 荷载 按 国标 G B 5 0 5 4 5 -2 0 1 0 1 l O k V 7 5 0 k V架空输 电线路设计规范 进行荷载计算 。 根 据初步 验算最 大荷载 为最大风速 9 0 。 风 吹 时 。 ( 1 ) 9 0 。 最大风吹时 ， 作用于地线风荷载 的标准 值 ： W = a Wo z se B c d L p B s i n 2 0 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 3期 =0 7 5 3 0 1 6 0 0 x 1 5 0 4 1 2 x 1 x 0 O 0 9 x 1 2 0 x1 s i n 2 90 o =0 8 2 k N 式 中： 一 垂直于地线方向的水平风荷载标准值 ， k N ； 口一 风压不均匀系数 ，应根据设计基本风速 按国标 G B 5 0 5 4 5 -2 0 1 0中表 1 0 1 1 8 - 1 确定。设计 风速 3 0 r r d s ， 取 0 7 5 ； 一 1 1 0 k V 电压级 的线 路取 1 0； 一 风压高度变化系数。 基准高度为 1 0 m的 风 压高度 变 化系数 按 国标 G B 5 0 5 4 5 -2 0 1 0中表 l 0 1 2 2的规定确定 ； 地面粗糙度为 B类 ， 高度 3 6 m， 取 1 5 0 4 ； 一 地线的体型系数 ， 线径小于 1 7 m m或覆 冰时( 不论线径大小 应取 1 2 ； 线径大于或等于 1 7 m m， 取 1 1 ； d一 地 线 的外径或 覆冰 时的计算 外径 ， i n ； G J 一 5 0地线外径 9 ra m= 0 0 0 9 m； 厶一 杆塔的水平档距 ， m； 该设计为 1 2 0 m； B 一 覆 冰时风荷 载增大 系数 ， 5 ra m 冰区取 1 1 ， 1 0 m m冰 区取 1 2 ， 9 0 。 最大风吹时不覆 冰 ， B取 1 0； 0一 风向与地线方 向之 间的夹角 ，该设计为 9 0 。 ； 。 一 基本风压标准值 ， k N m ， W0 = V 7 1 6 0 0 ； I ， 一 基准高度为 1 0 m 的风速 ， r r g s ， 该设计为 3 0 m s 。 ( 2 ) 9 0 。 最大风吹时 ， 作用于导线风荷载 的标准 值为 ： W = aWo I X IX s c 8 c d L p B s i n 2 0 =0 7 5 3 O 2 l 6 0 0 l _ 3 5 2 1 1 xl x O 0 2 1 6 x 1 2 0 I x s i n2 90 。 =1 63 k N 式 中： 一 垂直于导线方向的水平风荷载标准值 ， k N ； 0一 风压不均匀系数 ，应根据设计基本风速 按 国标 G B 5 0 5 4 5 -2 0 1 0表 1 0 1 1 8 1的规定确定 。 设 计 风速 3 0 r r d s ， 取 0 7 5 ； 9 c 一 1 1 0 k V电压级的线路取 1 0 ； 一 风压高度变化系数。 基准高度为 1 0 m的 风 压 高 度 变 化 系 数 按 国标 G B 5 0 5 4 5 -2 0 1 0表 l 0 1 2 2的规定确定 ； 地面粗糙度为 B类 ， 导线作用 高度平均 2 6 m， 取 1 3 5 2 ； 一 导线的体型系数 ， 线径小于 1 7 m m或覆 冰时( 不论线径大小 ) 应取 1 2 ； 线径大于或等于 1 7 m m， x , 取 1 1 ； 一 2 6一 d一 导线 的外 径 或覆 冰 时 的计 算 外 径 ， IT I ； L G J 一 2 4 0 3 0导线 外径 2 1 6 mm = 0 0 2 1 6 m； 一 杆塔 的水平档距 ， n l ； 该设计为 1 2 0 m； 一 覆 冰 时 风 荷 载 增 大 系 数 ， 5 ra m 冰 区 取 1 1 ， 1 0 ram冰 区取 1 2 ， 9 0 。 最大风 吹时不覆冰 ， B取 1 0； 0一 风 向与 导 线方 向之 间 的夹 角 ，该 设 计 为 9 0。 ； 0 一基本风压标准值 ， k N m ， Wo = V 1 6 0 0 ； 一 基准高度为 1 0 m的风速 ， m s ，该设计 为 30 r r d s 。 ( 3 ) 最大风速 9 0 。 风吹时 ， 杆塔风荷载的标准值 ： Wj Wo $ z B A s 式中： 一 杆塔风荷载标准值 ， k N； 一 构件 的体型系数 ，环 形混凝土 电杆 取 0 7； A 一 构件承受风压的投 面积计算值 ， i n ； 该 杆投影面积为 2 1 2 4 m ； 一 杆 塔 风 荷 载 调 整 系 数 。 按 国标 G B 5 0 5 4 5 -2 0 1 0中的 1 0 1 2 0规定 ， 取 1 3 1 。 3最大风速 9 0 。 风吹时 ， 杆段出地面处截面的最大 计算开裂弯矩 考虑附加弯矩系数为 0 1 5 ，则最大风速 9 0 。 风 吹时 ，杆段 出地面处截 面的最大计算开裂弯矩 为 ： = ( 1 + 0 1 5 ) 0 8 2 x 2 x 3 6 + 1 6 3 x 2 x ( 3 2 5 + 2 9 5 + 2 6 5 + 2 3 5 + 2 0 5 + 1 7 5 ) + 1 3 3 x 1 8 = 9 0 5 5 5 6 k N i n 4电杆抗弯强度验算 从以上计算可知， 根部最大弯矩约为 9 0 6 k N I n 。 按 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 混凝土结构设计规范 进 行设计计算。 按 G B T 4 6 2 3 -2 0 0 6 ( 环形混凝土电杆 进行加 工 、 制造 和验 收 。 强度安全系数 k 1 5 1 3 。 ( 1 ) 主杆杆 段设 计 主杆杆段设计为 ： 0 3 5 0 x 3 6 m， 按 ( 上段 1 2 m+ 中 段 1 2 m + 下段 1 2 m) 分段制造 ， 混凝 土设计壁厚分别 为 ： 上段 6 0 ra m、 中段 7 0 ra m、 下段 8 0 ra m， 法 兰连 接 。 经初步计算后 ， 主杆各段配制主筋为 ： 上 段 ： 3 5 0 1 2 ( 8 1 0 7 x l 1 9 m 预 应 力 主 筋 )+ ( 1 6 01 8 1 1 7 6 m+ 2 01 8 x 9 5 i n+ 2 01 8 x 6 5 m+ 2 01 8 3 5 m非预应力主筋 ) 中段 ： 5 l O x l 2 x( 1 2 01 0 7 x l 1 9 m 预应力主筋) + ( 2 4 01 8 xl 1 7 6 m+ 2 0l 8x 9 5 m + 2 01 8 x 6 5 m+ 2 01 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李怀忠 ， 张晓非 混凝土电杆在 1 1 0 k V四回直线线路中的应用 3 5 m 非 预应 力 主筋 ) 下段 ： 6 7 0 1 2 ( 1 6 0 1 0 7 x l 1 9 m预应力主筋) + ( 3 2 01 61 1 7 6 m+ 2 01 8 x 9 5 I T I+ 2 01 8x 6 5 m+ 2 01 8 3 5 m 非预 应力 主筋 ) ( 2 ) 基本数据计算 计算截面外径 ： D= 8 3 0 mm 混凝土设计壁厚 ： = 8 0 mm 计 算 截 面 纵 向 钢 筋 所 在 圆 的 半 径 r p = = 3 8 7 5mm 计算截面预应力主筋总截面面积 ： A。 = 1 T d 4 =1 63 1 41 5 92 6 x1 0 7 2 4 =1 4 39 mm2 计算截面非预应力主筋总截面面积 ： A = n,r r d2 4= 38 3 1 41 59 2 61 8 2 4= 96 7 0 mm2 计算截面环形截面面积 ： A= r r ( D- - 6 ) 6 = 3 1 4 1 5 9 2 6 ( 8 3 0 8 0 ) 8 0 =1 8 8 49 6 mm 计算截面换算截面面积 ： A o =A + ( E c 一 1 ) A + ( E E c 一 1 ) A = 1 8 8 4 9 6 + ( 2 0 5 1 0 5 3 6 x 1 0 4 - 1 ) 1 4 3 9 + ( 2 O 1 0 7 3 6 x l 0 4 1 1 9 6 7 0 = 2 3 9 3 0 4 mm 预应力钢棒抗拉强度标准值 = 1 5 7 0 N m m ； 预应力钢棒抗拉强度设计值 ：f p y = 1 1 1 0 N mm ； 预应力钢棒抗压强度设计值 ； 厂 p y = 4 1 0 N mm ； 预应 力钢 棒 弹性模 量 ： = 2 0 5 1 0 N m m ； H R B 4 0 0钢筋抗拉强度设计值 ：f y = 3 6 0 N m m ； H R B 4 0 0钢筋弹性模量 ： E= 2 0 x l 0 N mm ； C 6 0级混凝土弯曲抗压强度设计值 ： f = 2 7 5 N m m C 6 0级混凝土弯曲抗拉强度标准值 ： = 2 8 5N ram ； C 6 0级 混凝 土 弹性 模量 ： = 3 6 x 1 0 4 N ram ( 3 ) 预应力损失值计算 ： = 0 7 f p a = 0 7 1 5 7 0 = 1 0 9 9 N m m 由张拉锚具引起 的预应 力损失值( 考虑 值为 3 mm) o - t 1 = a E s = 3 2 1 0 5 l 2 0 0 0 = 5 0 N mm 混凝土加热养护时， 预应力筋与承受 拉力 的设 备之间的温差产生 的预应力损失值为 ， 现在的电 杆生产企业基本都采用坑式或窑式养护 ， 电杆和钢 模 同时蒸养 ， 故可不考虑此项预应力损失值 。 由预应力筋的应力松弛引起的预应力损失 ： 低松 弛 ： 当 O c 0 时 ， f 4 = O 1 2 5 ( 一 一 0 5 ) _ 0 1 2 5 ( 一 0 - 5 ) 1 0 9 9 = 2 7 5 N m m 2 第一批预应力损失值为 ： O r l l = O l 1 + = 50 +2 7 5 =7 7 5 N mm 混凝土法 向预应力等于零 时， 预应力钢丝的合 力 为 ： N p o = ( O c o - O a ) A ( 1 0 9 9 7 7 5 ) 1 4 3 9 =1 4 6 99 3 9N 由预加应力产生的混凝土法向应力为： N A o =1 4 6 9 9 3 9 2 3 9 3 0 4 = 6 1 N mm 2 脱模时混凝土立方体强度 ： = 0 7 厂 。 = O 7 6 0 = 4 2 N mm 受拉区预应力钢丝的配筋率为 ： p- A。 A。 =1 43 9 2 39 3 0 4= 6 O xl O 由混凝土收缩 ，徐变引起该应力钢丝的预应力 损失为： =1 0 0 4N mm2 f= n + =7 7 5+1 00 4=1 7 7 9 N mm ( 4 ) 混凝土法 向应力等 于零 时 ， 预应力 钢丝 的 应 力为 ： O r p o O c o n - O l =1 09 9 1 7 7 9= 9 21 1 N mm ( 5 ) 计算截面设计弯矩计算 ： 配有预应力和非预应力主筋时 ， 相对含钢筋率 宜符合 ： ( EJ = A ) ) 1 2 5 6 ： ( 1 1 1 0 l 4 3 9 + 3 6 0 9 6 7 0 ) ( 2 7 5 1 8 8 4 9 6 ) =O 9 8 =9 06 k N i n 同理对其余两段进行验算 ， 得出抗弯强度同样 满足要求。 5 最大风速 9 0 。 风吹时 。 电杆挠度的计算方法 计算截面到杆顶延长线相交点的距离 ： H=7 5 D=7 5 x8 3 0= 62 2 5 0 mm 开裂 检验 弯矩 时 ， 荷 载点 的水平 荷 载 ： p k = ( L 一 2 5 0 ) = 9 0 5 5 5 6 0 0 0 ( 3 6 O 0 0 2 5 0 ) =25 3 3 0N 荷 载点 到杆顶 延长 线相 交点距 离 ： =日一 + 2 5 0=6 2 2 5 0 36 0 0 0+ 2 5 0=2 6 5 0 0mm 荷 载点 到 杆 顶 延 长 线 相 交 点 距 离 与 计 算 截 面 到杆顶延长线相交点距离的比值 ： O r = O r H H=2 6 5 0 0 6 2 2 5 0= 0 43 杆顶 到杆 顶延 长线 相交 点距 离 ： X= o L H一 25 0 =2 6 5 0 02 5 0 =2 6 25 0 mm 计算 截 面换算 截 面惯性 矩 ： I o = A 0 ( r l + r 2 2 ) 4 ： 2 3 9 3 0 4 ( 3 3 5 + 4 1 5 2 ) 4 =1 7 02 x 1 0 O mm4 荷载短期效应组合下要求不 出现裂缝 的电杆 短 期刚度 ： =0 8 5 E E L= 0 8 5 3 6 xl O x1 7 0 2 x1 0 。 =5 2i x1 0 N mm0 开裂 检验 荷载 作用 下 电杆杆顶 挠度 值为 ： ， ， =( P k HV 2 B )( H2 I X a H3 3 X + 一 2 a X 3 2 日+ O H ) = 2 5 3 3 0 6 2 2 5 0 2 ( 2 5 2 i 1 0 H ) x 6 2 2 5 0 2 2 62 5 0 0 43 x6 2 2 50 3 f 3 2 6 2 50 1 + 26 2 5 0 2 x 0 4 3 x 2 6 2 5 0 3 2 6 2 2 5 0 + 2 6 5 0 O 】 = l 7 0 7mm GB T 4 6 2 3 -2 0 0 6未对 1 5 m以上的电杆作挠度 规定 。该杆采用外置式法兰连接 ， 实际挠度值 比设 计值 小 。 6 计算截面 1 0 0 荷载时裂缝宽度验算 最外层纵 向受拉钢筋外边缘至受拉 区底边 的 一 2 8一 距 离取 C s = 1 8 m m 按荷载准永久组合计 算的钢筋? 昆凝土构件纵 向 受拉 普 通 应 力 或 按 标 准 组 合 计 算 的预 应 力 混 凝 土构件纵向受拉等效应力 ： 叫 6 = 1 6 9 0 5而 5 5 6 0 0 0 = 3 3 6 5 8 N mm 以有 效 受 拉 混 凝 土 截 面 面积 计 算 的纵 向 受 拉 钢筋 配筋 率为 ： = =0 1 l 8 裂缝间纵 向受拉钢筋应变不均匀系数为： ：1 1 一 ： 鱼 P O s 一1 1 一 Q ： 鱼 ： 墨 一0 1 1 8 x3 3 6 58 =1 0 5 1 ， 取 1 。 构件受力特征系数 ， 对受弯构件 1 9 考虑裂缝 宽度分 布的不 均匀性和荷载长期效 应组合影响作用下， 最大裂纹宽度为 ： 一= o 【 ( 1 9 c + 0 0 8 ) =1 9 xl x( 1 9 x1 8 + 0 0 8 ) =0 1 8 r am 9 0 6 k N m 经计算法兰螺栓构造强度完全满足要求 。 8混凝土 电杆基础倾覆稳定计算( 按重 力基础验 算 ) 混 凝土 电杆 钢筋 混凝 土基 础见 图 3 。 图 3 混凝土 电杆钢筋混凝 土基础 极 限倾覆力矩 应满足下式要求 ： k 3 式 中： 一 极限倾覆力矩 ， k N m； k ， 一 基础倾覆稳定设计安全系数 ，直线单杆 型 为 1 5 ； 一 最 大 风 吹 时 出 地 面 最 大 弯 矩 值 为 9 0 6k N m 。 本设计钢 筋混凝土基 础加 回填土 自重垂 直荷 载 为 ： 7 0 0 k N，主杆 、铁 附件 、 自重 垂直 荷 载 为 1 0 0 k N， 合计垂直荷载为 8 0 0 k N， 本设计垂直荷载作 用 点力矩 为 3 8 2 = 1 9 m， 故 ： =8 0 0 1 9 =1 5 2 0 k N m =1 5 9 06 =1 3 5 9 k N m 基础倾覆稳定完全满足要求。 9经济 分析 ( 1 ) 1 1 0 k V直线采用 四回路混凝土单杆架空线 路 ， 可充分利用架空走廊 ， 比铁塔占地小 ， 避免 了高 额 土地 征迁 费用 。 ( 2 )在 同等使用荷载条件下 ， 比钢管 电杆可降 低造 价 5 O 以上 。 ( 3 ) 环形混凝土 电杆采用离 心成 型工艺 ， 混凝 土在高速离心运转 的情况下 ， 排除多余水分 ， 经离 心 成 型后 的 混凝 土 质地 非 常 密实 ， 混凝 土 强 度 得 以 提高 ， 从 而很好地保护钢筋不受外界侵蚀 ， 大大提 高了钢筋混凝土结构杆塔的耐久性 。陕西省一 电厂 1 9 6 0年架设 的 1 1 0 k V线路混凝土 电杆至今还正常 运行 ， 该实践结果表明 ， 环形混凝 土电杆结构 杆塔 在正常设计荷载条件使用下 ，能保证安全运行 5 0 年 以上 。在后期运行中不用作任何 防腐处理 ， 与钢 管铁塔相 比大大降低 了防腐费用。因塔体为混凝土 结 构 ， 野 外 运行无 人 为破 坏 ， 没 有 二次维 护 费用 。环 形 截 面钢 筋混 凝 土结构 杆 塔构 件 的体 型 系数 为 0 7， 钢管铁塔构件体型系数为 1 3 ， 在 同风压同受风 面积的情况下 ， 环形截面钢筋混凝土结构杆塔大大 降低了作用于杆塔 的风荷载 ， 所具有的体型不易覆 冰 ， 设有 的防雷保护与接地 ， 起到 良好 的防雷作用 。 钢管铁塔必须有专人定期进行观测和维护 ， 塔体为 钢制品 ， 容易被盗 ， 每经过大风或者覆冰天气之后 ， 易对塔体产生变形或覆冰 ， 需要全面检查 、 维护 ， 并 需定期进行 防腐 处理 ， 工作量较大 ， 从而使运行成 本 大 大增加 。 收 稿 日期 ： 2 01 3 0 1 2 4 作者简介 ： 李怀 忠( 1 9 6 8 一 ) ， 男 ， 高级工程师 。 通讯地址 ： 西安市户县余下镇 4 1 号 联 系 电话 ： 1 8 9 9 1 2 0 1 5 71 E- ma i l ： 4 4 5 8 61 7 0 6 q qc o m 一 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m