兩種橫擔(dān)活性粉末混凝土門型電桿設(shè)計分析

林麗

【摘 要】采用SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件，設(shè)計了兩種500kV部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿的橫擔(dān)，并將兩種橫擔(dān)方案的門型電桿進(jìn)行了設(shè)計對比。結(jié)果表明，三角桁架組合橫擔(dān)具有良好的受力性能、改善了主材的受力狀態(tài)，使得門型電桿高度降低10m。通過結(jié)構(gòu)計算分析可知，這種橫擔(dān)在運(yùn)行狀況下的安全可靠程度較高，可以在目前500kV送電線路中使用；在經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能方面，這種方案的門型電桿綜合造價大大降低了，同時加快了施工進(jìn)度，提高了電桿在輸電線路中的綜合效益。

【關(guān)鍵詞】橫擔(dān)；輸電線路；電桿；活性粉末混凝土

Analysis of Two Cross Arm of Reactive Powder Concrete Pole Design

LIN Li

（ Changchun Radio and Television University， Changchun Jilin 130000，China）

【Abstract】SAP2000 structural analysis software is used to designed two of 500kV partially prestressed reactive powder concrete pole cross arm； moreover， poles of the two cross arm program have been compared. The results show that the triangular truss cross arm has good mechanical properties， improving the main material of the stress state， the pole reduced height 10m， by the analysis of the structure shows， this cross arm has higher reliability under the operating conditions， which can be used in 500kV transmission line； from economic and technical performance， the pole cost of this program is greatly reduced， while speeding up the construction progress and improving the comprehensive benefits of the poles in the transmission line.

【Key words】Cross arm；Transmission line；Poles；Reactive powder concrete

近年來高強(qiáng)混凝土在工程中得到廣泛的應(yīng)用，它為預(yù)應(yīng)力混凝土電桿的發(fā)展開辟了新的途徑。活性粉末混凝土是目前一種新型高性能混凝土，它的強(qiáng)度高而且耐久性好。普通混凝土電桿的缺點能夠用活性粉末混凝土電桿來克服。在這種情況下，研制500kV部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿（以下稱RPC電桿），對于降低輸電線路造價有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。

橫擔(dān)在桿塔結(jié)構(gòu)總起非常重要的作用，它是用來安裝絕緣子及金具，以支承導(dǎo)線、避雷線，并使之按規(guī)定保持一定的安全距離。對于500kV部分預(yù)應(yīng)力RPC電桿的橫擔(dān)設(shè)計，分別采用導(dǎo)線橫擔(dān)及地線支架分離式梯形桁架橫擔(dān)、三角桁架組合橫擔(dān)，分析兩者之間的耗材量、門型電桿的強(qiáng)度、剛度及經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。

1 門型電桿形式及幾何尺寸

電桿的設(shè)計采用自立式門型桿，直徑為400mm，壁厚為100mm的等徑型門式雙桿，中間用交叉梁系統(tǒng)連接，其中橫擔(dān)以及避雷線支架均采用鋼結(jié)構(gòu)形式，雙桿與基礎(chǔ)固接。混凝土桿由4.5m、6.0m長的桿段組成，分段用電焊連接。通過電氣校驗[2]得到電桿各部分幾何尺寸，初步設(shè)計出兩種橫擔(dān)方案，如圖1圖2所示。

2 門型電桿工程概況

導(dǎo)線為4分裂LGJ-400/35型鋼芯鋁絞線，采用GJ-150雙避雷線，水平檔距為420m，垂直檔距為550m，最大風(fēng)速為30m/s，最高氣溫為+40℃，最低氣溫為-10℃，設(shè)計覆冰厚度為10mm。導(dǎo)線水平排列，線間距離為12.0m，橫擔(dān)外伸尺寸5.5m，呼稱高度為26.5m，導(dǎo)線與避雷線的水平位移取2.0m，防雷保護(hù)角為10.8°。

3 部分預(yù)應(yīng)力RPC電桿橫擔(dān)設(shè)計

3.1 橫擔(dān)承受的荷載

橫擔(dān)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)計算各種工況下的荷載。橫擔(dān)所承受的荷載一般分為縱向荷載、橫向荷載及垂直荷載。為了比較這兩種橫擔(dān)方案的耗鋼量及橫擔(dān)對門型電桿強(qiáng)度、變形驗算的結(jié)果。兩種方案所承受的荷載設(shè)為相同，文章根據(jù)設(shè)計條件計算出電桿桿頭在各種工況下所承受的荷載，如圖3所示。

3.2 門型電桿橫擔(dān)設(shè)計

本文應(yīng)用SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件對兩種形式的橫擔(dān)進(jìn)行設(shè)計，并得出結(jié)果。首先將兩種橫擔(dān)的三維CAD模型分別導(dǎo)入SAP2000，施加最不利工況下的組合荷載，橫擔(dān)所選材料為Q235，計算出桿件內(nèi)力及確定橫擔(dān)的角鋼規(guī)格。然后比較桿件內(nèi)力結(jié)果可知，正常情況下受最大風(fēng)速條件控制，并對最不利桿件進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定的校驗。得出第一種橫擔(dān)下弦主材選用L125X14，斜主材選用L80X6，斜材選用L70X6，耗鋼量為3292kg；第二種橫擔(dān)上弦主材選用L80X6，下弦主材選用L160X12，斜主材選用L70X6，斜材選用L50X4，耗鋼量為3481kg，兩種橫擔(dān)鋼材消耗量相差189kg。

3.3 門型電桿的內(nèi)力計算

由于該結(jié)構(gòu)體系屬于超靜定結(jié)構(gòu)，假設(shè)地面為剛性；應(yīng)用簡化計算方法求解電桿的內(nèi)力，見文獻(xiàn)[3]。計算出RPC電桿在各種工況下的荷載及內(nèi)力，比較計算結(jié)果得出，正常情況下電桿的內(nèi)力受最大風(fēng)速條件控制，得到第一種橫擔(dān)方案電桿在根部承受的最大彎矩為442.3kN·m，第二種橫擔(dān)方案電桿在根部承受的最大彎矩為458.9kN·m，荷載分布如圖4所示；事故情況下電桿的內(nèi)力受斷邊導(dǎo)線條件控制，得到第一種橫擔(dān)方案電桿承受的最大彎矩為74.8kN·m，第二種橫擔(dān)方案電桿承受的最大彎矩為43.58kN·m，荷載分布如圖5所示。通過以上可知，電桿設(shè)計由正常使用情況下的最大風(fēng)條件控制。

（a）第Ⅰ種運(yùn)行情況，（b）第Ⅱ種運(yùn)行情況，

（c）斷左導(dǎo)線情況，（d）斷中導(dǎo)線情況，

（e）避雷線不平衡張力，（f）安裝情況

3.4 門型電桿截面及配筋

通過目前電桿在工程中的應(yīng)用情況，結(jié)合現(xiàn)有制造工藝，通過初步設(shè)計，選取桿段幾何尺寸：總長（L）為39.5m（29.5m），內(nèi)徑（d）為300mm，外徑（D）為400mm，即內(nèi)外壁半徑分別為r1=150mm，r2=200mm，預(yù)應(yīng)力及非預(yù)應(yīng)力鋼筋所在圓周的半徑rp、rs為175mm。

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

3.5 門型電桿的承載力及正常使用驗算

3.5.1 電桿正截面受彎承載力驗算

500kVRPC電桿的性能指標(biāo)與普通預(yù)應(yīng)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(tài)法進(jìn)行計算，計算參數(shù)應(yīng)參照技術(shù)規(guī)定的要求進(jìn)行選用[4-5]。

部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿正截面受彎承載力計算如下：

式中，Mp1為第一種橫擔(dān)方案中電桿彎矩設(shè)計值，單位為kN.m；Mp2為第二種橫擔(dān)方案中電桿彎矩設(shè)計值，單位為kN·m；根據(jù)以上對門型電桿正截面受彎承載力的計算可知，RPC電桿截面尺寸和配筋狀況均滿足強(qiáng)度條件，并且后者較前者承載力有很大提高。

3.5.2 電桿抗裂度驗算

部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿正截面開裂彎矩計算如下：

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δ（1）fmax為第一種橫擔(dān)方案電桿最大裂縫寬度，單位為mm；δ（2）fmax為第二種橫擔(dān)方案電桿最大裂縫寬度，單位為mm。

3.5.3 電桿撓度驗算

部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿在水平力作用下，桿頂產(chǎn)生的撓曲度為：

以上撓度驗算滿足要求。

式中ω1為第一種橫擔(dān)方案電桿撓曲度；ω2為第二種橫擔(dān)方案電桿撓曲度。

4 兩種橫擔(dān)方案的部分預(yù)應(yīng)RPC電桿經(jīng)濟(jì)性能比較

為了對比兩種橫擔(dān)方案，文章采用相同電壓等級，相同的設(shè)計氣象條件，相同的導(dǎo)線、地線和相同檔距等情況下進(jìn)行設(shè)計研究[6]，在同時滿足承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)下，得到兩種橫擔(dān)的性能特點如表1所示。

表1 兩種橫擔(dān)設(shè)計方案性能比較

從表1可以看出，第二種三角桁架組合橫擔(dān)方案相比第一種導(dǎo)線橫擔(dān)及地線支架分離式梯形桁架橫擔(dān)方案存在一定的優(yōu)勢，具體如下。

（1）在設(shè)計條件相同時，第二種橫擔(dān)雖在耗鋼量上有所增加，但是部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿的總高度降低10m，能夠使電桿在施工過程中容易吊裝，同時結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定合理。

（2）第二種橫擔(dān)方案中的部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿抗彎承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一種橫擔(dān)方案中電桿抗彎承載力，同時第二種方案中電桿的抗裂能力較大。

（3）經(jīng)濟(jì)性能上，第二種方案部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿造價比第一種減少了27%，第二種橫擔(dān)方案中鋼材用量造價比第一種增加5.4%，但第二種方案電桿的綜合造價降低了19.2%，節(jié)約工程成本。

5 結(jié)語

（1）500kV部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿采用三角桁架組合橫擔(dān)在結(jié)構(gòu)上更加穩(wěn)定、合理，除了降低了電桿高度，還使得電桿的抗彎強(qiáng)度大幅度提高；不僅能夠滿足強(qiáng)度要求，而且具有較大的安全儲備，同時部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿具有良好的耐久性和抗裂性。故此，這種橫擔(dān)設(shè)計方案結(jié)合到500kV部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿中更加有效的提高在送電線路中的應(yīng)用可行性。

（2）這兩種橫擔(dān)方案從經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)方面，在滿足設(shè)計條件的同時，第二種方案的部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿造價比第一種減少了27%，雖然鋼材的用量略有增加，但是它的綜合造價卻大大降低了，而且加快了施工進(jìn)度，提高了綜合效益。因此，采用三角桁架組合橫擔(dān)生產(chǎn)的500kV部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿，將在送電線路工程中具有很高的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：張濤]