500kV預應力高強度混凝土門型電桿設計

賈玉琢，單 明，劉紅星

(1.東北電力大學 建筑工程學院，吉林吉林132012;2.南京供電公司，江蘇 南京210019;3.廣東電網 門供電局，廣東江門529000)

近年來500 kV送電線路中主要應用鐵塔結構，其原因是一般混凝土電桿滿足不了高電壓等級的要求，一般在330 kV及以上線路上很少使用混凝土電桿。然而，混凝土電桿與鐵塔相比具有免維護、耐腐蝕和經濟等優點;隨著高強混凝土的出現，尤其是活性粉末混凝土的出現，使得研制500 kV預應力高強混凝土門型電桿有了現實意義。

提高鋼筋混凝土電桿強度的途徑有2條［1］:一是提高混凝土強度;二是采用高強度鋼筋和增加鋼筋的數量。普通鋼筋混凝土電桿受幾何尺寸及構造的限制，電桿強度的增加有限;另外，普通鋼筋混凝土電桿易產生橫向裂紋，裸露的鋼筋易銹蝕，影響電桿的使用壽命。普通預應力混凝土電桿在增加鋼筋強度和數量的同時，施加在混凝土上的壓力也隨之增加了，過大的應力值容易使電桿上的混凝土產生縱向裂紋，同樣影響電桿的強度及使用壽命。

活性粉末混凝土是一種新型高性能混凝土尤其是其高強度。用活性粉末混凝土生產的預應力電桿能夠克服上述普通混凝土電桿和普通預應力混凝土的缺點。在這種背景下，研制和開發500 kV預應力活性粉末混凝土門型電桿，取代一部分500 kV送電線路常用的鐵塔結構，對于降低輸電線路投資有很強的現實意義。

1 高強混凝土簡介

本研究采用的高強混凝土即活性粉末混凝土，它具有強度高、韌性高、耐久性和良好的體積穩定性，它是由法國布伊格公司在1993年率先研制成功的一種良好的水泥基復合材料，其抗壓強度可達200～800 MPa，它的出現使混凝土的耐久性有了很大的提高［2-3］。這種混凝土同一般的高性能混凝土相比，其孔隙率低4～5倍，微孔率低10～30倍，透氣性和吸水性低50倍，氯化物離子的擴散性低25倍，這些性能對電桿的抗凍和防腐具有很重要的意義。RPC的配置原理是，通過提高組分的細度與活性，使材料內部的缺陷(孔隙與微裂縫)減小到最少，以獲得超高強度與高耐久性［4］。

2 門型電桿形式及幾何尺寸

電桿采用自立式門型桿，電桿采用直徑為550 mm，壁厚為100 mm的等徑雙桿，中間用交叉梁系統連接，橫擔與避雷線支架采用鋼結構，雙桿與基礎固接。混凝土桿由4.5 m、6.0 m長的桿段組成，分段用電焊連接。通過電氣校驗［5］得到電桿各部分幾何尺寸，見圖1。

3 門型電桿工程概況

導線為4分裂LGJ-400/35型鋼芯鋁絞線，采用GJ-150雙避雷線，最大風速為30 m/s，水平檔距為420 m，垂直檔距為550 m，最高氣溫為+40℃，最低氣溫為-10℃，設計覆冰厚度為10 mm。

采用門型結構，導線水平排列，線間距離為12.0 m，橫擔外伸尺寸5.5 m，呼稱高度為26.5 m，導線與避雷線的水平位移取2.0m，防雷保護角為10.8°。

4 全部預應力和部分預應力RPC電桿設計過程

圖1 門型電桿幾何尺寸

4.1 門型電桿承受的荷載

為了比較全部預應力和部分預應力活性粉末混凝土電桿的設計過程及強度、變形驗算結果。兩種電桿所承受的荷載設為相同，文章根據設計條件計算出電桿在各種工況下所承受的荷載，見表1。

表1 不同氣象條件下的導線、地線荷載

4.2 門型電桿的內力計算

全部預應力和部分預應力活性粉末混凝土電桿的結構均采用帶叉梁的門型結構;其結構體系屬于超靜定結構，假設地面為剛性，應用簡化計算方法求解兩種電桿的內力，見文獻［6］。

文章計算了全部預應力和部分預應力活性粉末混凝土門型電桿在七種工況下的荷載及內力，比較計算結果可知，正常情況下電桿的內力受最大風速條件控制，得到電桿在根部承受最大彎矩為442.3 kNm，荷載分布見圖2。事故情況下電桿的內力受斷邊導線條件控制，得到電桿承受最大彎矩為74.8 kNm，荷載分布見圖3。由此可見，電桿設計由正常使用情況下的最大風條件控制。

4.3 門型電桿截面設計及配筋

根據目前電桿在工程中的應用情況，結合現有制造工藝，通過初步設計，選取桿段幾何尺寸:總長(L)為39.5 m，外徑(D)為550 mm，內徑(d)為450 mm，且r1為225 mm，r2為275 mm，rp、rs為250 mm。

圖4 電桿環形截面布置

全部預應力活性粉末混凝土電桿配筋:預應力筋初步選用:n=16根直徑為12的高強度鋼筋45Si2Cr，鋼筋面積Ap=1808.6 mm2，抗拉設計強度fp=1000 MPa，抗壓設計強度f'p=400 MPa。

部分預應力活性粉末混凝土電桿配筋:預應力主筋初步選用:n=12根直徑為12的高強度鋼筋45Si2Cr，Ap=1356.5 mm2，fp=1000 MPa，f'p=400 MPa;非預應力筋初步選用:n=12根直徑為16的IV級冷拉鋼筋，As=2411.5 mm2，fy=700 MPa，f'y=400 MPa。預應力鋼筋和非預應力鋼筋相間布置。

門型電桿截面布置如圖4所示。

4.4 門型電桿的承載力及正常使用驗算

4.4.1 電桿正截面受彎承載力驗算

500 kV全部預應力和部分預應力活性粉末混凝土電桿的性能指標與普通預應力混凝土電桿相同，主要驗算電桿正截面受彎承載力、抗裂度、撓度等。電桿的受彎承載力用極限狀態法進行計算，計算參數應參照技術規定的要求進行選用［7-8］。

全部預應力活性粉末混凝土電桿正截面受彎承載力計算公式如下:

部分預應力活性粉末混凝土電桿正截面受彎承載力計算公式如下:

式中，M為彎矩設計值，單位為kN·m;A為構件截面面積，單位為mm2;Ap為全部預應力鋼筋的截面面積，單位為mm2;As為全部非預應力鋼筋的截面面積，單位為mm2;r1、r2分別為環形截面內、外半徑，單位為mm;rp為縱向預應力鋼筋所在圓周的半徑，單位為mm;α為受壓區混凝土截面面積與全截面面積的比值;αt為受拉縱向鋼筋截面面積與全部縱向鋼筋截面面積的比值;αc為受拉區活性粉末混凝土截面面積與全截面面積的比值;fcm為混凝土彎曲抗壓設計值，單位為MPa;fp、f'p分別為預應力鋼筋的抗拉、抗壓強度設計值，單位為MPa;fy為非預應力鋼筋的抗拉強度設計值，單位為MPa;δpo為預應力鋼筋的有效預應力，單位為MPa。

由以上門型電桿正截面受彎承載力計算可知，部分預應力活性粉末混凝土電桿和全部預應力活性粉末混凝土電桿截面尺寸和配筋狀況滿足強度條件，并且前者較后者承載力有較大提高。

4.4.2 電桿抗裂度驗算

全部預應力活性粉末混凝土電桿正截面開裂彎矩計算公式如下:

最大裂縫寬度的計算公式如下:

部分預應力活性粉末混凝土電桿正截面開裂彎矩計算公式如下:

最大裂縫寬度的計算公式如下

以上電桿的抗裂性能驗算滿足要求。

式中:Mcr為電桿正截面開裂彎矩，單位為kN·m;ftk為混凝土抗拉強度標準值，單位MPa;Wd換算截面

彈性抵抗矩，單位為m3;αL鋼纖維對活性粉末混凝土抗拉強度的影響系數;βc活性粉末混凝土較普通混凝土抗拉強度增長系數;δfmax為最大裂縫寬度，單位為mm。

4.4.3 電桿抗撓度驗算

全部預應力活性粉末混凝土電桿在水平力作用下，桿頂產生的撓度為:

部分預應力活性粉末混凝土電桿在水平力作用下，桿頂產生的撓度為:

以上撓度驗算滿足要求。

式中:ω為撓度;L為張拉端至錨固端的長度，單位為m。

5 全部預應力和部分預應力RPC電桿性能比較

為了對比全部預應力和部分預應力活性粉末混凝土門型電桿的受力性能，文章采用相同電壓等級，相同的設計氣象條件，相同的導線、地線和相同檔距等情況下進行設計研究［9］，在同時滿足承載能力和正常使用兩種極限狀態下，得到兩種電桿的性能特點，見表2。

表2 全部預應力和部分預應力RPC電桿性能

由表2可知，部分預應力活性粉末混凝土門型電桿作為一種新型桿塔結構型式，與全部預應力活性粉末混凝土門型電桿相比，在許多方面存在著明顯的優勢，具體如下。

(1)當電桿的抗彎承載力設計值相近時，部分預應力活性粉末混凝土門型電桿采用的電桿直徑較小，活性粉末混凝土的用量也大大降低，故可知部分預應力活性粉末混凝土門型電桿更適合應用于大線徑、大檔距、多回路輸電線路中。

(2)部分預應力活性粉末混凝土門型電桿受彎時正截面開裂彎矩遠遠大于電桿在控制工況下產生的最大彎矩，也就是說在正常使用階段是不會出現裂縫，所以裂縫寬度滿足規范要求。

(3)經濟性上，部分預應力活性粉末混凝土門型電桿的活性粉末混凝土用量只占全部預應力活性粉末混凝土門型電桿活性粉末混凝土用量的70%，活性粉末混凝土用量同比減少了30%，從而使得電桿的造價大大降低。

6 結 論

(1)500 kV部分預應力活性粉末混凝土門型電桿不僅能夠滿足強度要求，而且具有較大的安全儲備，同時具有良好的韌性和抗裂性;這是目前超高壓送電線路中常用的鐵塔和鋼管塔所不能達到的，因此部分預應力活性粉末混凝土門型電桿應用到500 kV送電線路中去是可行的。

(2)500 kV部分預應力活性粉末混凝土門型電桿降低了電桿的縱向壓應力，也就是說減小了縱向裂縫寬度，因此，部分預應力活性粉末混凝土門型電桿比全部預應力活性粉末混凝土門型電桿的縱向抗裂性有較大提高。

(3)500 kV部分預應力活性粉末混凝土門型電桿和全部預應力活性粉末混凝土門型電桿相比，當電桿的抗彎承載力設計值相近時，部分預應力活性粉末混凝土門型電桿采用的電桿直徑減小，活性粉末混凝土的用量也大大降低，只占全部預應力活性粉末混凝土門型電桿活性粉末混凝土用量的70%，這也降低了電桿基礎的設計要求，從而大大降低了電桿造價。因此，500 kV部分預應力活性粉末混凝土門型電桿在送電線路工程中具有很高的應用價值和廣闊的市場前景，必將廣泛應用到超高壓送電線路中。

［1］方強.高強度環形部分預應力混凝土電桿的設計［J］.電力建設，1999，20(5):29-31.

［2］謝友均，劉寶舉，龍廣成.摻超細粉煤灰活性粉末混凝土的研究［J］.建筑材料學報，2001，4(3):280-284.

［3］黃承逵，丁一寧，何化南.纖維混凝土的技術進展與工程應用—第十一屆全國纖維混凝土學術會議論文集［C］.大連:大連理工大學出版社，2006.

［4］覃維祖，曹峰.一種超高性能混凝土—活性粉末混凝土［J］.工業建筑，1999(5):18-20.

［5］劉振亞.國家電網公司輸變電工程典型設計［M］.北京:中國電力出版社，2005.

［6］鞠彥忠.超高壓部分預應力活性粉末混凝土電桿的設計［J］.沈陽工程學院學報，2009，5(4):382-386.

［7］張殿生.電力工程高壓送電線路設計手冊［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［8］中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T5154-2002架空送電線路桿塔結構設計技術規程［S］.北京:中國電力出版社，2002.

［9］鞠彥忠.500kV輸電線路RPC雙桿的實用設計方法研究［D］.吉林:東北電力大學，2009.