混凝土电杆在110kV四回直线线路中的应用

1、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 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

3、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

4、杆，采用350×36m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

5、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 =0.75×302/1600×1.504×1.2×1×0.009×120×1×sin2900=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-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

6、数按国标GB 505452010中表的规定确定；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30

7、m/s。（2）900最大风吹时，作用于导线风荷载的标准值为：Wx=aW0uzuSccdLpBsin2 =0.75×302/1600×1.352×1.1×1×0.0216×120×1×sin2900 =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-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表的规定确定；地面粗糙

8、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

9、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)× 0.82×2×36+1.63×2×(32.5+29.5+26.5+23.5+20.5+17.5)+13.3

10、×184电杆抗弯强度验算从以上计算可知，根部最大弯矩约为906kN·m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：350×36m，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：350×12× (810.7×11.9m预应力主筋) +（1618×11.76m+218×

11、9.5 m +218×6.5m+218×3.5m非预应力主筋）中段：510×12× (1210.7×11.9m预应力主筋) +（2418×11.76m+218×9.5 m +218×6.5m+218×3.5m非预应力主筋）下段：670×12× (1610.7×11.9m预应力主筋) +（3218×11.76m+218×9.5 m +218×6.5m+218×3.5m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

12、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=16×3.1415926×10.72/4=1439mm2计算截面非预应力主筋总截面面积：As=nd2/4=38×3.1415926×182/4=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+(2.05×105/3.6×1041）×1439

13、+(2×105/3.6×1041）×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 =2.05×105N/mm2HRB 400钢筋抗拉强度设计值：fy=360N/mm2HRB 400钢筋弹性模量：Es =2.0×105N/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=

14、3.6×104N/mm2（3）预应力损失值计算：con=0.7×fptk=0.7×1570=1099N/mm2由张拉锚具引起的预应力损失值（考虑值为3mm）1=ES/L=3×2×105/12000=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

15、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=0.7×60=42N/mm2受拉区预应力钢丝的配筋率为：=Ap/Ao =1439/239304 =6.0×10-3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

16、符合：=（fpyAp+fyAs）/（fcA）1.25=（1110×1439+360×9670）/（27.5×188496）=0.98<1.25相对含钢筋率满足要求。受压区混凝土截面面积与截面面积比值：=（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 受拉纵

17、向钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值为：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弯矩设计值；r1、r2环形截面内、外半径。截面抗弯强度Mk=M/k=1444/1.513=954.4kN·mMj=906 kN·m因此，计算截面抗弯强度完全满足要求。按以上对各段进行验算，得出抗弯强度同样满足要求。5最大风速90°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=75D=75×830=62250mm开裂检验弯矩时，荷载点的水平荷载：k= Mj/L=905556000

19、/36000=25154N荷载点到杆顶延长线相交点距离：H=H-L+250=62250-36000+250=26500mm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：=H/H=26500/62250=0.43杆顶到杆顶延长线相交点距离：X=H-250=26500-250=26250mm 计算截面换算截面惯性矩：I0=A0（r12+r22）/4 =239304×(3352+4152)/4 =1.702×1010mm4荷载短期效应组合下要求不出现裂缝的电杆短期刚度:Bs=0.85EcIo=0.85×3.6×104×1.702

20、×1010=5.21×1014 N·mm²开裂检验荷载作用下电杆杆顶挠度值为：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未对15m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

21、值比设计值小。6 计算截面100%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距离取Cs=18mm按荷载准永久组合计算的钢筋混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：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：裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数为：构件受力特征系数，对受弯构件cr=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：Wmax=cr(1.9cs+0.08)=1.9×1×(1.9×18+0.08×)=0.18mm0.2mm7 底部法兰螺栓验算混凝土电杆底部采用法兰

22、连接时，必须校核连接处螺栓的容许弯矩M，应大于混凝土电杆该截面处所承受的开裂检验弯矩Mk，使混凝土电杆与基础接头处满足强度要求，否则需增加螺栓直径或螺栓个数。计算承受弯矩的法兰盘连接螺栓受力时，可假定其中和轴的位置在圆管外壁与底板接触点的切线上（如图2），距A-A轴最远的螺栓承受最大拉力，较接近的螺栓按三角形应力图形减小，则螺栓抗弯强度M按公式（1）计算。图2 连接螺的法兰盘示意图（1）式中 JA所有螺栓绕A-A轴的惯性矩（mm4）按公式（2）计算。（2）F螺栓净截面积mm2；y1、y2、y3、y4分别为法兰盘上各个螺栓对A-A轴的垂直距离mm；t-螺栓容许拉应力；350×36m锥形

23、混凝土电杆为（上段12m+中段12m+下段12m）共三段，底部连接处外径830mm，截面连接处设计为外法兰盘。连接处采用20M39的地脚螺栓，地脚螺栓所分布的圆直径为970mm，螺栓采用HPB 300材料，容许应力t=160N/mm2。底板厚=30mm法兰螺栓M39单个的有效截面面积F=976mm2；经计算：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，kN·m； k3基础倾覆稳定设计安全系数，直线单杆型为1.