第二章杆塔荷载分析计算(第二版)

.,输电杆塔及基础设计,主讲：陈祥和,电话.,第一节杆塔荷载分类,第三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,习题,第二节杆塔设计原则,第二章杆塔荷载的分析计算,.,主要内容：1、荷载分类2、荷载组合的原则3、各类标准荷的计算方法,.,永久荷载：导线及地线、绝缘子及其附件、杆塔结构、各种固定设备、基础、以及土石方等的重力荷载；拉线或纤绳的初始张力，土压力及预应力等荷载。,可变荷载：风和冰(雪)荷载；导线、地线及拉线的张力；安装检修的各种附加荷载；结构变形引起的次生荷载以及各种振动动力荷载。,第一节杆塔荷载分类,一、按荷载随时间的变异可分,.,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。,据计算需要，将它们分解成作用在杆塔上三个方向的力,即,1、垂直荷载G：（垂直地面方向的力）如图21（1）导线、地线重量；（2）绝缘子串和金具的重量等重量）。（3）杆塔自重荷载；（4）安装、检修时的垂直荷载（包括工人、工,二、按荷载作用在杆塔上的方向分,.,具及附件,2、横向水平荷载P：（与横担方向平行的力）如图21（1）导线、地线风压；（2）绝缘子串和金具的风压（3）杆塔身风载;（4）转角杆塔上导线及地线的角度力。,3、纵向水平荷载T：（垂直横担方向的力）如图21（1）导线、地线的不平衡张力（对无转角的杆塔不平衡张力为顺线路方向，对有转角的杆塔不平衡张力则与杆塔横担垂直）；,.,图21荷载示意图,.,（2）导线、地线的断线张力和断导线时地线对杆塔产生的支持力；（3）安装导线时的紧线张力,特别说明:,荷载有荷载标准值和荷载设计值之分:,1、荷载标准值（用于变形和裂缝计算）按照荷载标准规定公式计算而得的荷载叫标准荷,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.,.,.,杆塔设计除了要保证合理的结构外，还要保证结构的强度、刚度符合要求等，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。,第二节杆塔设计原则,.,荷载组合是荷载效应组合的简称，是根据杆塔特性、使用要求及杆塔所处的自然条件、荷载发生频率等，由规范规定，在设计时应考虑可能发生在结构上同时出现的若干荷载。,杆塔荷载组合要考虑以下四种情况：,a、正常运行情况的荷载组合b、断线情况的荷载组合C、不均匀覆冰情况的荷载组合d、安装情况的荷载组合,一、杆塔荷载组合原则,.,1、正常运行情况（各类杆塔都要考虑）规范规定三种组合：（1）基本风速、无冰、未断线(包括最小垂直荷载和最大水平荷载组合)。（2）设计覆冰、相应风速及气温、未断线。（3）最低气温、无冰、无风、未断线(适用于终端和转角杆塔)。以上看出：正常组合主要是气象条件的变化。,2、断线情况(不含大跨越直线型杆塔)气象条件：均应按有冰、无风、-5的气象条件（1）直线型塔,110750kV以上的线路,（四种情况的荷载组合）,.,1）单回路杆塔，单导线断任意一相导线(分裂导线任意一相导线有纵向不平衡张力）,地线未断；断任意一根地线，导线未断。,2）双回路杆塔，同一档内，单导线断任意两相导线（分裂导线任意两相导线有纵向不平衡张力）；同一档内，断一根地线，单导线断任意一相导线（分裂导线任意一相导线有纵向不平衡张力）。,3）多回路杆塔，同一档内，单导线断任意三相导线（分裂导线任意三相导线有纵向不平衡张力）；同一档内，断一根地线，单导线断任意两相导线（分裂导线任意两相导线有纵向不平衡张力）。,.,(2)耐张型杆塔,1）单回路和双回路杆塔，同一档内，单导线断任意两相导线（分裂导线任意两相导线有纵向不平衡张力）、地线未断；同一档内，断任意一根地线，单导线断任意一相导线（分裂导线任意一相导线有纵向不平衡张力）。2）对多回路塔，同一档内，单导线断任意三相导线（分裂导线任意三相导线有纵向不平衡张力）、地线未断；同一档内，断任意一根地线，单导线断任意两相导线（分裂导线任意两相导线有纵向不平衡张力）。,以上看出：断线情况组合主要是断线数量的的变化。,（注意与直线杆塔的区别）,.,3、安装情况,安装情况气象条件：各类杆塔的安装情况，应考虑10ms风速、无冰，同时还要考虑附加荷载（附加荷载见表21,4、其它规定,（1）10mm及以下冰区断导、地线情况的垂直冰荷载取100设计覆冰荷载。（2）10mm冰区不均匀覆冰情况的导、地线的垂直冰荷载按75%设计覆冰荷载计算。相应的气象条件按5、10m/s风速的气象条件计算。（3）对地线，除无冰区段外，设计冰厚应较导线冰厚增加5mm。,.,1、新老标准的重大区别（1）老标准：断线为无冰无风新标准：断线为有冰无风（2）对地线，除无冰区段外，设计冰厚应较导线冰厚增加5mm。2、其它规定详见规范说明！,66kV以下见GB500612010,.,1、承载能力极限状态表达式,0SR,结构、构件的抗力设计值。,荷载效应组合设计值,结构重要性系数,二、杆塔结构和构件设计表达式,强度计算表达式,.,（1）结构重要性系数0,按安全等级分三级:一级：特别重要的杆塔结构，应取01.1。二级：各级电压线路的各类杆塔，应取01.0。三级：临时使用的各类杆塔，应取00.9,（2）结构构件的抗力设计值R。,分别在第四章第六章介绍！,.,（3）荷载效应组合设计S(荷载产生内力设计值),SGCKGK+QiCQiQKi,第一项,第二项,第i项可变荷载标准值,第i项可变荷载的分项系数，取1.4,可变荷载组合系数，按规范规定取值,永久荷载标准值,永久荷载分项系数，不利时取1.2,可变荷载产生的效应设计值,永久荷载产生的效应设计值,以上是计算荷载引起的内力设计值的格式,荷载效应系数,荷载效应系数,.,2.结构和构件正常使用极限状态表达式,CGGK+CQiQKiC,可变荷载产生的效应值,永久荷载产生的效应值,式中C结构或构件的裂缝宽度或变形的规定限值，其它符号与承载力表达式相同。,（挠度和裂缝计算）,.,例1已知某110kV上字型电杆如图21所示，导、地线风荷载PB914N，PD1954N，导、地线自重荷载GB1142N，GD2416N，a0=250mm，a1=1000mm，a2=2500mm，地线与上横担间的距离hB=2400mm，上横担与下横担之间的距离为h2=3400mm，暂不计杆身的风荷载，求正常运行情况下时下横担处的设计弯矩（注：荷载均为标准值，安全等级二级）。解根据已知条件查得：,01.0G1.2，Q1.4，1.0,.,0G（GBa0+GDa1）+0QPB(hB+h2)+PDh2,1.01.2(11420.2524161.0)1.01.01.4914(2.4+3.4)+19543.419.91kN.m,图21,如果求下横担处的标准弯矩值上式如何变化？,.,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；LV导线、地线垂直档距，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。,第三节杆塔荷载标准值计算方法,一、自重荷载G(垂直荷载),（导线自重）,（附在导线上的冰重）,.,2绝缘子串、金具的垂直荷载,无冰时GJ（自重）绝缘子串、金具自重GJ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覆冰系数当：设计冰厚5mm时，取K1.075设计冰厚10mm时，取K1.150设计冰厚15mm时，取K1.225,（自重.冰重）,.,3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。,4、附加荷载,考虑施工时施加在相应部位的重量，如加在横担上施工人员和所带工具引起的附加荷载，其荷载标准值按下表取值。,.,例2-1已知正常情况(覆冰情况)某导线自重比载1D35.810-3N/m.mm2,导线冰比载2D=17.510-3N/m.mm2，导线线覆冰厚度b5mm,导线垂直档距LV368m，导线水平档距为LP350m，导线采用LGJ150/35，截面面积为AD181.62mm2，绝缘子串和金具的总重量为520N（7片x4.5），安全等级二级，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GDK：,已知：单导线n1，覆冰厚b=5mm,K=1.075,导线自重,绝缘串金具自重,附在导线上的冰重,附在绝缘子串上的冰重,.,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,=(1.213.5810-3181.62368+1.2520)+1.41.0117.510-3181.62368+1.4520(1.0751）=5188N,=（2913+1209）N4122N,.,1、直线型杆塔：,（1）正常运行情况直线型杆塔导线、地线张力不产生不平衡张力，但当气象条件发生变化时（不均匀覆冰）、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。,2、转角、耐张型杆塔：,导、地线张力引起的荷载是角度荷载和不平衡张力。,二、导线、地线张力引起的荷载计算,.,（1）角度荷载（为横向水平荷载）,角度荷载所有张力在横担方向失量和，如图22。,一相导线角度荷载：,图22导线角度荷载计算示意图,PJT1sin1T2sin2,12,12,.,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122时，（为线路转角）则PJ=(T1+T2)sin/2当0时PJ0为无转角耐张型杆塔,（2）不平衡张力（为纵向水平荷载）,不平衡张力所有张力在垂直横担方向的失量和,图23导线不平衡张力计算示意图,12,12,.,T=T1COS1-T2COS2,一相导线不平衡张力：,式中符号以角度荷载相同,当122时T=（T1-T2）cos2当T1=T2时，T=0；当=0时，T1T2，为无转角耐张型杆塔T=（T1-T2）,.,3.断线张力荷载（为纵向水平荷载）,规范规定：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。,即TDTDmax.X%,式中TD断线张力NTDmax导、地线最大使用张力，TDmaxTP/KN；TP导、地线的拉断力，N（查导、地线手册）；KC导、地线的设计安全系数，导线取K2.5，地线取K2.7；,.,X%最大使用张力百分比值，按规范规定选用（如表278）；,特别说明：直线型杆塔与耐张型杆塔的重要区别是承受的荷载不同，主要是杆塔纵向荷载：1、正常情况：耐张型杆塔要承受杆塔纵向的不平衡张力，如下图2、断线情况：两者断线张力的最大使用张力的X%不一样。,耐张型杆塔正常运行情况,.,例22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T12500N，T22000N,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=2,1、角度力（横向水平荷载标准值）为:PJ（T1T2）sin（/2）（25002000）sin（900/2）3181.5N2、不平衡张力(纵向水平荷载标准值）为：T（T1T2）cos（900/2）(2500-2000)cos（900/2）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？,.,例23已知某220kV线路耐张自立铁塔，地线采用：176.61370AYB/T5004-2001型，试求该地线断线张力。解：查地线规格表得破坏拉断力TP33.50kN，安全系数取2.7，查表27得X%100%地线最大使用张力：地线断线张力：TBTDmaxX%12.41100%12.41kN问题：该张力是标准值还是设计值？如果要求求设计值，其分项系数是多少？,.,各类杆塔、导线及地线的风荷载的计算按架空送电线路杆塔结构设计技术规定(DL/T5154-2002)规定有下列三种情况的风向：,1、直线型杆塔应计算与线路方向成0、45(或60)及90的三种最大风速的风向；,2、一般耐张型杆塔可只计算90一个风向；,3、终端杆塔，除计算90风向外，还需计算0风向；,风压纵向横向分配表见表211,三、风荷载的计算,.,（一）基本风压W0计算式为W0V2/1600，k/m2,1、条件：地形：空旷平坦地面10min平均的风速在10m高度风向垂直平面物面,2、实际风荷载计算实际风荷载计算是采用在基本风压基础上加以各种修正。,.,（二）导、地线风压比载的计算,风压比载的计算(将基本风压乘以相应修正系数),110kV以上电压等级,cZSCBdW0/A,式中风压不均匀系数（见表2-3）；c导、地线风荷载调整系数（见表2-3）；Z风压高度变化系数（见表2-5）；SC导、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；B覆冰时风荷载增大系数，5mm冰区取1.1，10mm冰区取1.2；,.,d导线直径(覆冰时为d加2倍的冰厚)mmA导线截面积mm2,66kV及以下,SCdW0/A,式中风荷载档风系数（见表26）；SC导、地线的体型系数：线径小于17mm或覆冰时(不论线径大小)应取SSC=1.2；线径大于或等于17mm，SC取1.1；,d-导线或地线覆冰后的计算外径之和,mm,A导线截面积mm2,.,（三）风荷载计算,1、导线、地线风荷载的计算,（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分别为导、地线无冰覆冰风压比N/m.mm2,A导、地线截面面积mm2LP水平档距，m；线路转角。,风荷载产生的横向水平荷载(如图)：,.,当0，无转角，,无冰时P=4ALPN覆冰时P=5ALPN,（2）风向不垂直于导线的风荷载计算:,风荷载产生的横向水平荷载(如图)：,Px=Psin2N,式中Px垂直导、地线方向风荷载分量N；P垂直导、地线方向风荷载按风向垂直于导线的风荷载计算:,.,实际风荷载的风向与导、地线的夹角。,注意：顺线路方向分量见表211,2绝缘子串风荷载的计算,Pj=n1(n2+1)ZAJBW0kN,风荷载产生的横向水平荷载：,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（见表2-5）；,.,A每片的受风面积，单裙取0.03m2，双裙取0.04m2；W0其本风压，kN/m2B覆冰时风荷载增大系数，5mm冰区取1.1，10mm冰区取1.2。,例2-6绝缘子串采用7片x4.5，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10m，正常情况的风速为10m/s,覆冰厚度5mm,地面粗糙度为B类，计算作用在绝缘子串上的风压。,.,解：绝缘串高度约10m，查表25得风压高度变化系数Z=1.0,覆冰厚度5mm,B=1.1.PJD=n1(n2+1)ZBAJW0=1(7+1)1.01.10.03102/1.6=16.5N,问题：该风压是标准值还是设计值？如果要求求设计值，其分项系数是多少？,例2-4已知某线路采用LGJ150/35单导线，正常运行情况(大风工况)，基本风速V25m/s，无冰，线路水平档距为350m，垂直档距为368m，导线的垂直比载1D=35.8010-3，绝缘子串风载PJD=94N，导线截面积AD=181.62mm2，导线风比,.,载4D(25，0)35.1910-3，试求作用在导线上的风荷载标准值。解：P=4D(25，0)ADLp+PJD35.1910-3181.62350+942330.9(N),问题：荷载设计值是多少？,.,Af杆塔塔身构件承受风压的投影面积计算值；,B覆冰时风荷载增大系数，5mm冰区取1.1，10mm冰区取1.2；,W0基本风压,Pg=ZSZAfBW0式中Z风压高度变化系数；S构件体形系数；Z杆塔风荷载调整系数；,3.杆塔塔身风荷载的计算,.,（1）风压高度变化系数Z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（见表25）。,（2）构件体形系数S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。构件体形系数S的确定：,环形截面钢筋混凝土杆：取0.7圆断面杆件：当W0d20.002时：取1.2W0d20.015时：取0.7(上述中间值按插入法计算),.,型钢构件(角钢、槽钢、工字型和方钢):取1.3,由圆断面杆件组成的塔架:取(0.71.2)(1+)由型钢杆件组成的塔架:取1.3(1+),塔架背风面荷载降低系数，,物理意义：修正背风面产生的负压。,根据填充系数，迎风面高度h与迎风面至背风面间的距离b之比（b/h）查表2-12得。,d圆断面杆件直径，m；,.,物理意义：修正风速、风向的紊乱引起风压波动，使结构在平均侧移附近产生振动效应，致使结构受力增大(由表2-14查取)。,（3）杆塔风荷载调整系数Z,对电杆杆身：Af=h(D1D2)/2对铁塔铁身：Af=h(b1+b2)/2,（4）杆塔塔身构件承受风压的投影面积Af,式中h计算段的高度mD1、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；,.,b1、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窄基塔身和塔头：取0.20.3，宽基塔塔身可：取0.150.2,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。,.,（5）基本风压W0,W0V2/1600，k/m2,例2-5已知某线路通过一乡村、采用拉线等径电杆高度21m，埋深2m，电杆外径D=500mm,内径d=400mm,电压等级110kV，级气象区，最大风为25m/s，试计算作用在杆身上的风荷载标准值。解：电杆重心高度9.5m，(理论上高度应取重心高度)，地面粗糙度B类,.,查表表25风压高度变化系数取Z=1.0查表表2-14杆塔风荷载调整系数Z=1.0环形截面钢筋混凝土电杆电杆的构件体形系数取S=0.7P=ZSZAfW0=1.00.71.00.5252/1.6=136.7N/m答：作用在杆身上的风荷载标准值为136.7N/m,例2-7,.,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在直线型杆塔上，有时进行吊线作业和锚线作业(1)吊线荷载安装和检修时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。（吊线增加了垂直荷载）作业有两种方式：a.双倍吊线,四、杆塔安装荷载,b.转向滑车吊线如图2-5所示。,.,图2-5,双倍吊线,转向滑车吊线,图2-5,双倍吊线,转向滑车吊线,.,采用双倍吊线（如图2-5a）作用在滑轮上的力：垂直荷载：G2KGGFN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K1.1；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21取值；导线风荷载，N。采用转向滑车吊线（图2-5b）作用在滑轮上的力：为减小作用在横担端部的垂直力，采用转向滑车吊线,.,垂直荷载:GKG+GFN横向水平荷载:PxKG+PN,作用在滑轮上的力：,（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，(考虑垂直荷和纵向水平荷载）如图26所示：作用在横担上的力：垂直荷载：GnG+KTsin+N横向水平荷载：PnPN纵向不平衡张力：TKT（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n0.5,图26,.,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,紧线作业和挂线作业,（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2-7)。紧线时要顺导线方向打临时拉线(增加了垂直荷载)。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(如图2-7a)垂直荷载G=nG+T1sin+KTsin+GFN横向水平荷载P=nPN纵向不平衡张力T=0,.,图2-7耐张、转角杆塔紧线示,(a)相邻档尚未挂线；（b）相邻档已挂线,(a),(b),.,相邻档已挂线(如图2-7b)垂直荷载G=nG+KTsin+GFN横向水平荷载P=nPN纵向不平衡张力T=0,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K1.2；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，一般取T1500010000N；T导线或地线安装张力,N；,.,（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2-8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。,.,(a)(b)图28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,.,相邻档导线未架设时：,垂直荷载G=nG+T0tg+GFN向水平荷载Px=nP+(KT-T0)sin1N纵向水平张力T=(KT-T0)cos1N,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=1000020000N；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，450；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。,.,相邻档导线已架设时：,垂直荷载G=nG+GFN横向水平荷载Px=nP+KTsin1N纵向水平张力T=KTcos1N,.,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LGJ150/35型，地线为177.81470A。水平档距为245m，垂直档距为368m，