混凝土電桿設(shè)計風(fēng)荷載計算分析

王希偉，吳麗萍，劉 紅

(哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150081)

1 研究背景

東南地區(qū)由于靠近沿海，是臺風(fēng)經(jīng)常光顧的地區(qū)，因此受臺風(fēng)影響非常大。環(huán)形混凝土電桿作為一種高柔結(jié)構(gòu)，因臺風(fēng)造成的倒桿、斷桿、傾桿破壞很多。給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成很大的損失，例如“蘇迪羅”臺風(fēng)期間，東南某省低壓用戶共停電364.70萬戶，占全省總戶數(shù)的24.41%。因此研究電桿的破壞類型、破壞過程、破壞機(jī)理非常有必要。

2 混凝土電桿設(shè)計風(fēng)荷載計算

2.1 導(dǎo)線、地線和桿的風(fēng)荷載計算

混凝土電桿的風(fēng)荷載計算涉及導(dǎo)線、地線的風(fēng)荷載計算和桿身的風(fēng)荷載計算。

(1)導(dǎo)線、地線的風(fēng)荷載計算

風(fēng)向與線路垂直情況的導(dǎo)線或地線風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下式計算：

Wx=αμsdLwWo

式中：α-為風(fēng)荷載檔距系數(shù)；us-導(dǎo)線或地線的體型系數(shù)；d-導(dǎo)線或地線覆冰后的計算外徑；對分裂導(dǎo)線，不應(yīng)考慮線間的屏蔽影響，取所有子導(dǎo)線外徑的總和(m)；A-導(dǎo)線或地線的截面積(mm)；Wo-基本風(fēng)壓，KN/m2；Lw-風(fēng)力檔距(m)；

(2)桿身風(fēng)荷載計算

風(fēng)向作用在與風(fēng)向垂直的結(jié)構(gòu)物表面的風(fēng)荷載計算式為(單位為KN)

Pa=μzμsβzAfWo

式中：Wo-基本風(fēng)壓，KN/m2；μs-構(gòu)件的體型系數(shù)；μz-風(fēng)壓高度變化系數(shù)；βz-桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)(m)，主要是考慮脈動風(fēng)的作用；Af-構(gòu)件承受風(fēng)壓的投影面積，m2；

對桿承受風(fēng)壓的投影面積Af，可按以下公式計算

式中：h-計算段的高度，m；D1、D2-桿身計算風(fēng)壓段的頂徑和根徑，m；

2.2 內(nèi)力計算方法

內(nèi)力計算主要包括任意截面的彎矩計算。算例采用10 KV線路，選取最常見的桿型，具體參數(shù)可參見圖1和表1，電桿錐度都是1/75，B類粗糙度。

圖1 190X10XIXG(IXY)

表1 導(dǎo)線設(shè)計參數(shù)表格

環(huán)形混凝土電桿具有結(jié)構(gòu)簡單、耗鋼量少、占地面積少、便于施工、運(yùn)輸維護(hù)方便，因此廣泛用于110 KV及以下的輸電線路。電桿因埋入土中較少，所以計算時可視為一端嵌固的懸臂梁構(gòu)件。

見圖2，由外力作用在桿柱任意截面x處的彎矩：

圖2 單桿直線電桿計算簡圖

Mx=∑Gα+∑ph+pxhxZ

∑Gα=∑GBαB+GD1α1+GD2α2-GD3α3=GBαB+GD1α1

∑ph=PBh1+PD1h2+PD2h3+PD3h3=PBh1+PD1h2+2PD3h3

式中：Px-任意截面x處以上桿身的單位長度風(fēng)壓，N/m；Do-錐形電桿桿柱的頂徑，m；Dx-任意截面x處的桿徑，m；hx-桿頂至任意截面x處的垂直距離，m；Z-錐形桿桿x截面以上風(fēng)壓力作用點(diǎn)至x截面處的力臂，m。

計算風(fēng)速V=30 m/s～60 m/s風(fēng)荷載的響應(yīng)。以10 m桿，V=30 m/s為例，計算簡圖如圖3所示。不同風(fēng)速條件下的彎矩圖如圖4～圖6所示。

圖3 30 m/s彎矩圖 圖4 35 m/s彎矩圖

圖5 40 m/s彎矩圖 圖6 45 m/s彎矩圖

3 強(qiáng)度計算

3.1 混凝土電桿正截面抗彎強(qiáng)度計算方法

雖然混凝土電桿有一定的錐度，隨著角度的變化，電桿截面從上到下截面積不斷增大，但是真正影響混凝土電桿承載力大小的因素主要是縱向普通鋼筋和縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋的數(shù)量。

公式的適應(yīng)條件：為了保證受拉鋼筋應(yīng)力能達(dá)到屈服極限，公式應(yīng)滿足以下條件:

預(yù)應(yīng)力混凝土電桿正截面抗彎強(qiáng)度計算方法，構(gòu)件中只采用預(yù)應(yīng)力縱筋

以上公式相關(guān)參數(shù)解釋請參照架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定

根據(jù)設(shè)計院配筋資料，表2非預(yù)應(yīng)力桿鋼筋混凝土抵抗彎矩表，h是從電桿最底部算起。

表2 非預(yù)應(yīng)力桿鋼筋混凝土抵抗彎矩表MR

表3 ?190X10XG預(yù)應(yīng)力桿鋼筋土抵抗彎矩表MR

表4 ?190X10XI預(yù)應(yīng)力桿鋼筋混凝土抵抗彎矩表MR

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到30 m/s的時候，與非預(yù)應(yīng)力抵抗彎矩圖對比，此類型的桿將發(fā)生受彎破壞。至于具體的破壞點(diǎn)，可以通過彎矩圖和抵抗彎矩對比，重合點(diǎn)就是首先破壞的位置，不一定是地面處，很多情況也不是地面處。

對于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土電桿由于具有優(yōu)越的抗裂性能，其承載力要比非預(yù)應(yīng)力混凝土電桿高，但是當(dāng)風(fēng)速超過35 m/s的時候，桿將發(fā)生正截面受彎破壞。

預(yù)應(yīng)力構(gòu)件出現(xiàn)裂縫的荷載值與破壞荷載值比較接近，故延性較差。預(yù)應(yīng)力就是給鋼筋施加一個預(yù)先拉力，利用這部分預(yù)應(yīng)力抵消自重和部分恒荷載。預(yù)應(yīng)力混凝土改善的是正常使用極限狀態(tài)的情況，對承載能力極限狀態(tài)沒有任何改變。

3.2 混凝土電桿斜截面承載力計算方法

對于矩形截面鋼筋混凝土受彎構(gòu)件受力后，在主要承受彎矩的區(qū)段內(nèi)產(chǎn)生垂直裂縫，如果它抗彎能力不足，構(gòu)件將會沿著正截面發(fā)生破壞。所以，設(shè)計鋼筋混凝土梁時，必須進(jìn)行正截面的強(qiáng)度計算。但是，受彎構(gòu)件除承受彎矩外，往往還同時承受剪力，構(gòu)件在彎矩M和剪力V的共同作用下，還可能出現(xiàn)斜裂縫，并且沿著斜裂縫發(fā)生破壞，這種破壞稱為剪切破壞。為了防止這種破壞，梁除了具有一定的合理尺寸外，應(yīng)在梁內(nèi)布置箍筋和彎起鋼筋。

開裂前V=1.2tDft式中ft-混凝土抗拉設(shè)計強(qiáng)度；t-環(huán)形截面的壁厚；D-環(huán)形截面徑。

開裂后則剪力的80%由螺旋鋼筋承受，20%由縱向受力鋼筋承受。螺旋鋼筋的面積計算式為

同時縱向受力鋼筋也將提供插銷力作為受剪承載力的一部分，根據(jù)規(guī)范要求，它將承擔(dān)計算截面處剪力的20%。

式中：fy-縱向鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。

混凝土電桿斜截面承載力計算結(jié)果:

電桿斜截面受剪承載力計算如下。以風(fēng)速V(m/s)=30.00 m/s為例子，開裂前全部由混凝土承擔(dān)剪力，受剪承載力為未考慮箍筋斜截面受剪承載力(KN)=36.82 KN，開裂后由鋼筋承受，混凝土退出工作，電桿開裂后斜截面受剪承載力(KN)=269.84 KN。

從以上計算結(jié)果來看，電桿的未開裂斜截面承載力全部由混凝土承擔(dān)，在臺風(fēng)作用下很難發(fā)生受剪切破壞，開裂后斜截面承載力完全由箍筋和縱筋來承擔(dān)，如果箍筋的間距變小，則箍筋所提供的斜截面承載力提高，但是縱筋提供的斜截面承載力更大，縱筋在斜截面受剪承載力中發(fā)揮的是類似于插銷的抗剪能力。從計算結(jié)果看，開裂后斜截面承載力比未開裂混凝土提供的斜截面承載力大很多，綜上所述，電桿斜截面的破壞是很難發(fā)生的，在斜截面破壞之前正截面受彎就先破壞了。因此，就沒必要驗(yàn)算所有桿型的斜截面受剪了。

4 結(jié) 語

按照設(shè)計規(guī)范法計算了30～45 m/s風(fēng)速下電桿的內(nèi)力和強(qiáng)度，由于截面從下到上不斷削弱，斷桿位置一般在地面以上一定高度處。對斷桿可采取的措施：加大截面，提高配筋率；對傾桿和倒桿可采取的措施：合理選址，避開斷層和不良土層，實(shí)在避不開，地基處理，無論何種情況都要加卡盤。