电力线路杆塔荷载计算PPT课件.ppt

输电杆塔及基础设计 1 第二章杆塔荷载的分析计算 第一节杆塔荷载分类 第二节杆塔标准荷载计算方法 一 自重荷载 二 张力引起的荷载计算 三 风荷载的计算 四 杆塔安装荷载 第三节杆塔设计原则 习题 2 第一节杆塔荷载分类一 按荷载随时间的变异可分 永久荷载 包括杆塔自重荷载 导线 避雷线 绝缘子 金具的重力及其它固定设备的重力 土压力和预应力等荷载 可变荷载 包括风荷载 导线 避雷线和绝缘子上的覆冰荷载 导线避雷线张力 事故荷载 安装荷载 验算荷载 人工和工具等附加荷载 3 特殊荷载 地震引起的地震荷载 以及在山区或特殊地形地段 由于不均匀结冰所引起的不平衡张力等荷载 二 按荷载作用在杆塔上方向分据计算需要 将它们分解成作用在杆塔上三个方向的力垂直荷载G 垂直地面方向横向水平荷载P 与横担方向平行的力纵向水平荷载T 垂直横担方向的力 如图1 4 图1杆塔荷载图 5 特别说明 荷载有 1 荷载标准值按照各种荷载标准规定计算而得的荷载叫标准荷载 如杆塔塔身自重为体积乘容重 风载为基本风压乘挡风面积 2 荷载设计值荷载标准值乘分项系数一般分项系数 永久荷载取1 2可变荷载取1 4 6 第二节杆塔标准荷载计算方法一 自重荷载 自重引起的荷载为垂直荷载 1 导线 避雷线的自重荷载无冰时覆冰时式中n 每相导线子导线的根数 杆塔的垂直档距 m 1 导线 地线无冰垂直比载 N m mm2 2 导线 地线覆冰垂直比载 N m mm2 A 导线 地线截面面积mm2 7 2 绝缘子串 金具的垂直荷载无冰时为绝缘子串 金具自重 可查绝缘子及各组合绝缘子串的金具重量表 覆冰时式中K 覆冰系数 设计冰厚5mm时 K 1 075设计冰厚10mm时 K 1 150设计冰厚15mm时 K 1 2253 杆塔自重荷载杆塔自重荷载可根据杆塔的每根构件逐一统计计算而得 也可根据设计经验 参照其它同类杆塔资料 做适当假定获得 8 例1已知正常情况下某导线自重比载 1D 35 8 10 3N m mm2 导线冰比载 2D 17 5 10 3N m mm2 导线覆冰厚度b 5mm 导线垂直档距LV 368m 导线水平档距为LP 350m 导线采用LGJ 150 35 截面面积为AD 181 62mm2 绝缘子串和金具的总重量为520N 7片x 4 5 求导线作用在杆塔上的垂直荷载标准值和设计值 解 垂直荷载标准值GD 9 垂直荷载设计值GD 永久荷载分项系数 G 1 2 可变荷载分项系数 Q 1 4 1 2 1 0 0358 181 62 368 1 4 1 0 0175 181 62 368 1 2 520 1 4 520 0 075 5188N 10 直线型杆塔 1 正常运行情况导线 避雷线张力不产生不平衡张力 但当气象条件发生变化时 或因档距 高差不等引起荷载改变 从而产生纵向不平衡张力 2 事故断线时在纵向产生断线张力 二 导线 避雷线张力引起的荷载计算 转角杆塔 导线 避雷线会产生张力 分解成横向水平荷载 称角度荷载 和纵向水平荷载 称不平衡张力 11 1 角度荷载 横向水平荷载如图2 PJ T1sin 1 T2sin 2式中 杆塔前后导 地线张力 导 地线与杆塔横担垂线间的夹角 当 1 2 2时 为线路转角 则PJ T1 T2 sin 2当 0时PJ 0为直线型杆塔 12 2 不平衡张力 产生纵向荷载 如图3 T T1COS 1 T2COS 2当 1 2 2时则 T T1 T2 cos 2当T1 T2时 T 0 当 0时 为直线型杆塔 图3a图3b 13 3 断线张力荷载产生纵向水平荷载 1 直线杆塔 按 规程 规定了直线杆塔的导线 地线的断线张力分别取各自最大使用张力乘以一个百分比值 TD TDmax X 式中TD 断线张力NTDmax 导 地线最大使用张力 TDmax TP KCN TP 导 地线的拉断力 N 查导线手册 14 KC 导 地线的设计安全系数 导线取K 2 5 地线取K 2 7 X 最大使用张力百分比值 按 规程 规定选用 参照表2 1 2 3 2 对各级电压的耐张杆塔 转角杆塔及终端杆塔导线断线张力取最大使用张力的70 3 地线的断线张力取最大使用张力的80 特别说明 直线型杆塔与耐张型杆塔的区别在于承受的荷载不同 主要是杆塔纵向荷载 1 两者断线张力的最大使用张力的X 不一样 2 耐张型杆塔要承受杆塔纵向的不平衡张力 15 例2已知某干字型转角杆塔的转角为900 正常运行情况杆塔前后导线张力为T1 2500N T2 2000N 并且 1 2 试求作用在杆塔下横担上纵向水平荷载和横向水平荷载的荷载标准值 要求画出荷载示意图 解 根据题意有 1 2 作用在下横担上的角度力 横向水平荷载标准值 为 PJ T1 T2 sin 2 2500 2000 sin900 2 3181 5N不平衡张力 纵向水平荷载标准值 为 T T1 T2 cos900 2 2500 2000 cos900 2 353 5N注 以上计算均为一相导线 问题 如果求荷载设计值 荷载分项系数是多少 16 例3已知某220kV线路耐张自立铁塔 地线采用 1 7 6 6 1370 A YB T5004 2001型 试求该地线断线张力 解 查表得破坏拉断力TP 33 50kN 安全系数取2 7 地线最大使用张力百分比值为80 地线最大使用张力 地线断线张力 TD TDmax X 12 41 80 9 93kN问题 该张力是标准值还是设计值 17 三 风荷载的计算 风荷载引起的为横向水平荷载 1 导线 地线风荷载的计算 风向垂直于导线的风荷载计算 风向与导线不垂直时风荷载计算 1 风向垂直于导线的风荷载计算 无冰时P 4ALPcos 2N覆冰时P 5ALPcos 2N 式中 4 5 分别为无冰 覆冰风压比载N m mm2 A 导 地线截面面积 mm2LP 水平档距 m 线路转角 注意 新标准规定重冰还要乘以风载增大系数B 5mm冰区取1 1 10mm冰区取1 2 图4 18 2 风向不垂直于导线的风荷载计算 Px Psin2 N 式中Px 垂直导 地线方向风荷载分量N P 垂直导 地线方向风荷载 按式 2 9 2 10 计算 实际风荷载的风向与导 地线的夹角 图5 19 2 绝缘子串风荷载的计算Pj n1 n2 1 AJ ZW0BkN式中n1 一相导线所用的绝缘子串数 n2 每串绝缘子的片数 加 表示金具受风面相当于 片绝缘子 Z 风压随高度变化系数 A 每片的受风面积 单裙取0 03m2 双裙取0 04m2 W0 其本风压标准值 kN m2 W0 V2 1600 V基准高度为10m的风速 20 例4绝缘子串采用7片x 4 5 串数n1 1 每串的片数n2 7 单裙一片绝缘子挡风面积AJ 0 03m2 绝缘串高度约15m 正常情况 的风速为25m s 计算作用在绝缘子串上的风压 解 绝缘串高度约15m 查表2 4得风压高度变化系数 Z 1 0PJD n1 n2 1 ZAJW0 1 7 1 1 0 0 03 252 1 6 94N 21 例5 同例1 已知某输电线路直线杆塔水平档距为350m 垂直档距为368m 正常情况下最大风 无冰 导线的垂直比载r1D 35 80 10 3 绝缘子串风载PJD 94N 导线截面积AD 181 62mm2 导线风比载r4D 25 35 19 10 3 试求作用在杆塔导线上的水平荷载标准值 问题 设计荷载是多少 解 水平荷载标准 P r4D 25 ADLp PJD 35 19 10 3 181 62 350 94 2330 9N 22 3 杆塔塔身风荷载的计算风向作用在与风向垂直的结构物表面的风荷载用下Pg Z S ZAfW0B式中 1 Z 风压高度变化系数 查表2 5 物理意义 修正地表面粗糙不平对风产生摩擦阻力而引起风速沿高度的变化 距地面越近 地面越粗糙 影响就越大 2 S 构件体形系数 采用下列数值环形截面钢物理意义 修正在相同风力作用下 结构曝露在风中的形状不同 物面不标准 而引起的风压值及其分布的改变 23 钢筋混凝土杆0 7圆断面杆件 当W0d2 0 002时1 2 当W0d2 0 015时0 7 上述中间值按插入法计算 d 圆断面杆件直径 m 由圆断面杆件组成的塔架 0 7 1 2 1 构件体形系数 S的确定 型钢 角钢 槽钢 工字型和方钢 1 3由型钢杆件组成的塔架1 3 1 塔架背风面荷载降低系数 按表2 6选用 物理意义 修正背风面产生的负压 多边形截面 S按表2 7选用 24 3 Z 杆塔风荷载调整系数 表2 8查取 物理意义 风压将随着风速 风向的紊乱变化而不停的改变 风压产生的波动分量 波动风压 使结构在平均侧移附近产生振动效应 致使结构受力增大 4 Af 杆塔塔身构件承受风压的投影面积计算值对电杆 钢管杆杆身 Af h D1 D2 2h 计算段的高度m D1 D2 电杆计算风压段的顶径和根径m 锥度为1 75的锥形电杆D2 D1 h 75 25 对铁塔铁身 Af h b1 b2 2b1 b2 铁塔塔身计算段内侧面桁架 或正面桁架 的上宽和下宽 铁塔构架的填充系数 一般窄基塔身和塔头取0 2 0 3 宽基塔塔身可取0 15 0 2 考虑节点板挡风面积的影响 应再乘以风压增大系数 窄基塔取1 2 宽基塔取1 1 26 例6已知拉线等径电杆高度21m 埋深2m 电杆外径D 500mm 内径d 400mm 电压等级110kV 级气象区 试计算作用在杆身上的风荷载标准值 解查表由高度20m 电压110kV 地面粗糙度B类风压高度变化系数取 Z 1 10杆塔风荷载调整系数 Z 1 0环形截面钢筋混凝土电杆构件体形系数取 S 0 7P Z S ZAfW0 1 10 0 7 1 0 0 5 252 1 6 236 7N m答 作用在杆身上的风荷载标准值为236 7N m 27 例7已知某110kV上字型窄基铁塔塔顶宽D1 0 4m 下横担处宽D5 0 839m 根开D9 1 75m 塔头高h1 6m 塔身高h2 13 5m 计算塔身风荷载 线路经过乡村 运行情况 时风速30m s 解 一 塔头风荷载 1 风压随高度变化系数 Z 110kV 高度19 5m粗糙程度为B类 查表2 5得 Z 1 10 2 风荷载调整系数 Z 查表2 8得 Z 1 0 3 构件体形系数 s 28 由型钢杆件组成的塔架 s 1 3 1 填充系数 Af A 塔头取 0 3 1 2 0 36 塔头b h 0 4 0 839 2 6 0 103 查表2 6得 0 58 s 1 3 1 1 3 1 0 58 2 054 4 投影面积Af 塔身面积 0 36 6 0 4 0 839 2 1 34m2 5 塔头风压q q Z S zW0Af h 1 1 2 054 1 0 30 30 1600 1 34 6 0 284kN m 29 二 塔身风荷载 1 风压随高度变化系数 Z 110kV 高度13 5m粗糙程度为B类 查表2 5得 Z 0 964 2 风荷载调整系数 Z 查表2 8得 Z 1 0 3 构件体形系数 s 由型钢杆件组成的塔架 s 1 3 1 30 2020 2 6 31 填充系数 Af A 塔头取 0 3 1 2 0 36 塔身b h 0 839 1 75 2 6 0 215 查表2 6得 0 58 s 1 3 1 1 3 1 0 58 2 054 4 投影面积Af 塔身面积 0 36 13 5 0 839 1 75 2 6 291m2 5 塔身风压q q Z S zW0Af h 0 964 2 054 1 0 30 30 1600 6 291 13 5 0 519kN m b h 1 75 19 5 1 12为窄基塔 32 四 杆塔安装荷载直线型杆塔 吊线作业和锚线耐张转角杆塔 牵引作业和挂线作业安装荷载组合 无冰有相应的风1 直线型杆塔安装荷载计算 1 吊线荷载将导线从地面提升到杆塔上或从杆塔上将导线放下来所引起的荷载叫吊线荷载 有两种方式 a 双倍吊线b 转向滑车吊线如图5所示 33 图6 34 采用双倍吊线 如图6a 作用在滑轮上的力 垂直荷载 G 2KG N横向水平荷载 N式中K 动力系数 考虑滑动阻力和牵引倾斜等因素 取K 1 1 G 被吊导线 绝缘子串及金具的重力 N 考虑相应部位横担上施工人员和工具所引起的附加荷载 N 按表2 9取值 导线风荷载 N 采用转向滑车吊线 图6b 作用在滑轮上的力 垂直荷载 G KG N横向水平荷载 Px KG PN 35 2 锚线荷载在直线型杆塔上放线 紧线 当一边导线已按要求架好 由于直线型杆承受纵向水平荷载能力较小 相邻档导线用临时拉线锚在地上的过程叫锚线 如图2 6所示 作用在横担上的力 垂直荷载 G nG KTsin N横向水平荷载 P nPN纵向不平衡张力 T KT 1 cos N式中G P 分别为所锚导线或地线的垂直荷载和横向荷载N T 安装时导线或地线的张力 临时锚线与地面的夹角 n 垂直荷载或横向荷载的分配系数 当相邻档距和高差相等时 一般取n 0 5 图7 36 2 耐张型杆塔安装荷载计算在耐张 转角杆塔上架线施工作业有两种方法 紧线和挂线图8耐张 转角杆塔紧线示意图 a 相邻档尚未挂线 b 相邻档已挂线 37 1 紧线荷载架设导线和地线过程中 要通过设在杆塔上的滑车将导线 地线拉紧到设计张力 此过程叫紧线 如图8 紧线时作用在杆塔上的荷载分相邻档未挂线和相邻档已挂线两种情况 相邻档尚未挂线时作用在横担上的力 垂直荷载 G nG T1sin KTsin GF N横向水平荷载 P nPN纵向不平衡张力 T 0 相邻档已挂线作用在横担上的荷载 垂直荷载 G nG KTsin GF N横向水平荷载 P nP纵向不平衡张力 T 0 38 式中n 导线垂直荷载或横向水平荷载分配系数 G P 该根 或相 导线或地线的垂直荷载和横向水平荷载 N K 动力系数 取K 1 2 临时拉线与地面的夹角 牵引钢丝绳与地面的夹角 T1 临时拉线的初张力 一般T1 5000 10000N T 导线或地线安装张力 N 39 2 挂线荷载 当紧线达到导线弧垂的设计要求后 把导线与绝缘子串连接起来挂到杆塔上的作业过程叫挂线 这种操作也只考虑在耐张 转角杆塔上进行 如图9所示 导线挂到杆塔上后松开牵引钢绳 使杆塔受到一个突加的张力荷载 在实际施工中 这种施工操作一般只能逐根 相 进行 由于荷载较大 杆塔设计中可考虑设置临时拉线平衡部分荷载 40 图8耐张 转角杆塔挂线荷载示意图 a 相邻档的导线未挂 b 相邻档的导线已挂 41 相邻档导线未架设时 垂直荷载 G nG T0tg GF N横向水平荷载 Px nP KT T0 sin 1N纵向水平张力 T KT T0 cos 1N式中T 导线安装张力 N T0 临时拉线平衡的导线张力 对220k 和500kV线路一般取T0 10000 20000N 1 转角杆塔导线方向与横担垂线方向间的夹角 当横担方向垂直于线路夹角内角平分线上时 1 2 为线路转角 临时拉线与地面间的夹角 n 导线垂直荷载或横向水平荷载分配系数 K 动力系数 取1 2 42 相邻档导线已架设时 垂直荷载 G nG GF N横向水平荷载 Px nP KTsin 1N纵向水平张力 T KTcos 1N 43 例8试计算110KV线路无拉线直线电杆上的安装荷载 电杆总高度21m 埋深3m 下横担长度2 6m 导线为LGJ 150 35型 地线为1 7 7 8 1470 A 水平档距为245m 垂直档距为368m 绝缘子串和金具的总重量为530N 7片x 4 5 地线金具重量为90N 安装荷载组合情况为有相应风10m s 无冰 导 地线的风压比载为 4D 10 6 62 10 3 4B 10 15 74 10 3 地线自重比载 1B 85 65 10 3导线自重比载 1D 35 8 10 3导线截面积AD 181 62 地线截面积AB 37 15mm2 44 解 吊上导线时荷载 1 挂好的导 地线的荷载地线重量 GB 1BABLV GJB 85 65 10 3 37 15 368 90 1260N地线风压 PB 4B 10 ABLP 15 74 10 3 37 15 245 142N导线重量 GD 1DADLV GJD 35 8 10 3 181 62 368 520 2913N绝缘子风载 上导线绝缘子约在18m 查表得 Z 1 06PJD n1 n2 1 ZAJW0 1 7 1 1 06 0 03 102 1 6 16N 45 导线风压 PD 4D 10 ADLP PJD 6 62 10 3 181 62 245 16 311N2 正在挂的导线荷载 1 吊上导线时 导线越过下横担须向外拉开 如图所示 其拉力T2与水平线的夹角为 并假定上下横担间导线水平拉出1 3m 问题是 导线以角度拉出远离下横担1 3m时 作用在横担上的力是多少 如图9 46 图9 47 T1 T2 200 3 5 1 3 GT1 如图 x 0得 T2cos T1sin sin 1 3 3 74 得T1 2 7T2 1 48 T1cos GD T2sin 得 2 联立解 1 2 式得 T2 1333NT1 2 7T2 2 7 1333 3599N由T1引起垂直荷载GT1 GT1 3599 cos 3599 N 49 1 1 2913 3368 1500 1000 9409N总的横向水平荷载 P KPT1 PD 1 1 1251 311 1687N荷载如图10 2 吊下导线吊下导线时横担处的总重量为 G KGD GF 1000 1 1 2913 1500 1000 5704N荷载如图 由T1引起的横向水平荷载PT1 50 吊上导线吊下导线 图10 51 第三节杆塔设计原则 杆塔设计除了要保证合理的结构外 还要保证结构的强度 刚度等 其计算内容有 结构承载能力极限状态计算该计算是用来核算结构或构件在各种不同荷载作用下会不会发生破坏 它包括强度 稳定与承载重复荷载时的疲劳计算 显然此项计算是非常重要的 结构正常使用极限状态计算该计算是用来核算结构或构件是否满足正常使用情况下的各项规定的限值 比如变形 裂缝等 52 一 杆塔结构和构件设计表达式 1 结构和构件承载能力极限状态表达式 0S R 式中各符号的意义 2 结