混凝土电杆在110kV四回直线线路中的应用.doc

混凝土电杆在110kV四回直线线路中的应用 摘要：介绍了应用在110kV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，110kV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；四回直线线路；抗弯强度；开裂弯矩；电杆挠度Abstract：The design method of annular concrete poles for 110 kV four loop straight lines is introduced. And practical application economic cost of the poles is analyzed, which shows that using four loop concrete pole overhead line as 110 kV lines has good economic advantage. Key words: Concrete poles; 110 kV four loop straight lines Bending strength; Cracking moment; Pole deflection 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110kV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110kV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110kV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110kV四回路直线单杆；（2） 设计水平档距为120m，垂直档距为150m；（3） 设计最大风速30m/s，气温-20+40；（4） 覆冰10mm；（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35036m锥度为1/75的拔梢杆。按上段12m+中段12m+下段12m分段，混凝土设计壁厚分别为：上段60mm、中段70mm、下段80mm，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C60，非预应力主筋采用HRB 400；预应力主筋采用PCB-10.7-1570-25-L-HG-GB/T 5223.3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17.5m。2设计荷载按国标GB 505452010110kV750kV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90风吹时。（1）900最大风吹时，作用于地线风荷载的标准值： Wx=aW0uzuSccdLpBsin2 =0.75302/16001.5041.210.0091201sin2900=0.82kN式中：Wx垂直于地线方向的水平风荷载标准值，kN；a风压不均匀系数，应根据设计基本风速，按国标GB 505452010中表10.1.18-1确定。设计风速30m/s,取0.75；c110kV电压级的线路取1.0；z风压高度变化系数。基准高度为10m的风压高度变化系数按国标GB 505452010中表10.1.22的规定确定；地面粗糙度为B类，高度36m,取1.504；图1电杆外形尺寸Sc地线的体型系数，线径小于17mm或覆冰时（不论线径大小）应取Sc=1.2； 线径大于或等于17mm,Sc取1.1； d地线的外径或覆冰时的计算外径（m）；GJ-50地线外径9mm=0.009m； Lp杆塔的水平档距（m）；该设计为120m；B覆冰时风荷载增大系数，5mm冰区取1.1，10mm冰区取1.2，900最大风吹时不覆冰，B取1.0； 风向与地线方向之间的夹角，该设计为900W0基本风压标准值（ kN/ m2），W0=V2/1600；V基准高度为10m的风速（m/s），该设计为30m/s。（2）900最大风吹时，作用于导线风荷载的标准值为：Wx=aW0uzuSccdLpBsin2 =0.75302/16001.3521.110.02161201sin2900 =1.63kN式中：Wx垂直于导线方向的水平风荷载标准值，kN；a风压不均匀系数，应根据设计基本风速，按国标GB 505452010表10.1.18-1的规定确定。设计风速30m/s,取0.75；c110kV电压级的线路取1.0；z风压高度变化系数。基准高度为10m的风压高度变化系数按国标GB 505452010表10.1.22的规定确定；地面粗糙度为B类，导线作用高度平均26m,取1.352； Sc导线的体型系数，线径小于17mm或覆冰时（不论线径大小）应取Sc=1.2； 线径大于或等于17mm,Sc取1.1；d导线的外径或覆冰时的计算外径（m）；LGJ-240/30导线外径21.6mm=0.0216m； Lp杆塔的水平档距（m）；该设计为120m；B覆冰时风荷载增大系数，5mm冰区取1.1,10mm冰区取1.2，900最大风吹时不覆冰，B取1.0； 风向与导线方向之间的夹角，该设计为900W0基本风压标准值（ kN/ m2），W0=V2/1600；V基准高度为10m的风速（m/s），该设计为30m/s。（3）最大风速90风吹时，杆塔风荷载的标准值式中：Ws杆塔风荷载标准值，kN； S构件的体型系数，环形混凝土电杆取0.7； AS构件承受风压的投影面积计算值（m2）；该杆投影面积为21.24m2； z杆塔风荷载调整系数。按国标GB 505452010中的10.1.20规定，取1.31。3最大风速90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0.15，则最大风速90风吹时，杆段出地面处截面的最大计算开裂弯矩Mj为：Mj=(1+0.15) 0.82236+1.632(32.5+29.5+26.5+23.5+20.5+17.5)+13.318=905.556kN.m4电杆抗弯强度验算从以上计算可知，根部最大弯矩约为906kNm按GB 500102010混凝土结构设计规范进行设计计算。按GB/T 46232006环形混凝土电杆进行加工、制造和验收。强度安全系数k1.513（1） 主杆杆段设计主杆杆段设计为：35036m，按（上段12m+中段12m+下段12m）分段制造，混凝土设计壁厚分别为：上段60mm、中段70mm、下段80mm，法兰连接。初步估算后，主杆各段配制主筋为：上段：35012 (810.711.9m预应力主筋) +（161811.76m+2189.5 m +2186.5m+2183.5m 非预应力主筋）中段：51012 (1210.711.9m预应力主筋) +（241811.76m+2189.5 m +2186.5m+2183.5m 非预应力主筋）下段：67012 (1610.711.9m预应力主筋) +（321811.76m+2189.5 m +2186.5m+2183.5m 非预应力主筋）（2）基本数据计算计算截面外径：D=830mm混凝土设计壁厚：=80mm计算截面纵向钢筋所在圆的半径rp=rs=387.5mm计算截面预应力主筋总截面面积：Ap=nd2/4=163.141592610.72/4=1439mm2计算截面非预应力主筋总截面面积：As=nd2/4=383.1415926182/4=9670mm2计算截面环形截面面积：A=(D)=3.1415926(83080)80=188496mm2 计算截面换算截面面积：A0= A+（Ep/Ec1）Ap +（Es/Ec1）As=188496+(2.05105/3.61041）1439+(2105/3.61041）9670=239304 mm2 预应力钢棒抗拉强度标准值：fptk =1570N/mm2预应力钢棒抗拉强度设计值：fpy =1110N/mm2预应力钢棒抗压强度设计值：f/py =410N/mm2预应力钢棒弹性模量：Ep =2.05105N/mm2HRB 400钢筋抗拉强度设计值：fy=360N/mm2HRB 400钢筋弹性模量：Es =2.0105N/mm2C60级混凝土弯曲抗压强度设计值：fc=27.5N/mm2C60级混凝土弯曲抗拉强度标准值：ftk=2.85N/mm2C60级混凝土弹性模量：EC=3.6104N/mm2（3）预应力损失值计算：con=0.7fptk =0.71570=1099N/mm2由张拉锚具引起的预应力损失值（考虑值为3mm）1=ES/L=32105/12000=50N/mm2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3，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con0.7fptk时，4=27.5 N/mm2 第一批预应力损失值为：I=1+4=50+27.5=77.5N/mm2混凝土法向预应力等于零时，预应力钢丝的合力为：Npo=（con-I）Ap =（1099-77.5）1439 =1469939N由预加应力产生的混凝土法向应力为：pc=Npo/Ao=1469939/239304=6.1N/ mm2脱模时混凝土立方体强度：fcu=0.7fcu=0.760=42N/mm2受拉区预应力钢丝的配筋率为：=Ap/Ao =1439/239304 =6.010-3由混凝土收缩，徐变引起该应力钢丝的预应力损失为:总的预应力损失为：（4）混凝土法向应力等于零时，预应力钢丝的应力为：（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：=（fpyAp+fyAs）/（fcA）1.25=（11101439+3609670）/（27.5188496）=0.98906kN.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，极限倾覆力矩Mj应满足下式要求：图3混凝土电杆钢筋混凝土基础Mjk3Mk式中：Mj极限倾覆力矩，kNm； k3基础倾覆稳定设计安全系数，直线单杆型为1.5； Mk最大风吹时出地面最大弯矩值为906kNm。本设计钢筋混凝土基础加回填土自重垂直荷载为：700kN，主杆、铁附件、自重垂直荷载为100kN，合计垂直荷载为800kN，本设计垂直荷载作用点力矩为3.8/2=1.9m，故Mj=8001.9=1520kNmK3 Mk =1.5906=1359kNm基础倾覆稳定完全满足要求。9经济分析（1）110kV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50%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1960年架设的110kV线路混凝土电杆至今还正常运行，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50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