电力线路杆塔荷载计算

输电杆塔及基础设计第二章杆塔荷载的分析计算第一节杆塔荷载分类第二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、杆塔安装荷载第三节杆塔设计原则习题第一节杆塔荷载分类一、按荷载随时间的变异可分１．永久荷载：包括杆塔自重荷载、导线、避雷线、绝缘子、金具的重力及其它固定设备的重力,土压力和预应力等荷载。２．可变荷载：包括风荷载、导线、避雷线和绝缘子上的覆冰荷载，导线避雷线张力、事故荷载、安装荷载、验算荷载、人工和工具等附加荷载３．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。二、按荷载作用在杆塔上方向分据计算需要，将它们分解成作用在杆塔上三个方向的力垂直荷载G：垂直地面方向横向水平荷载P：与横担方向平行的力纵向水平荷载T：垂直横担方向的力,如图1。图1杆塔荷载图特别说明:荷载有:1、荷载标准值按照各种荷载标准规定计算而得的荷载叫标准荷载,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.2、荷载设计值荷载标准值乘分项系数一般分项系数:永久荷载取1.2可变荷载取1.4第二节杆塔标准荷载计算方法一、自重荷载(自重引起的荷载为垂直荷载)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；杆塔的垂直档距，m；γ1导线、地线无冰垂直比载，N/m.mm2；γ2－导线、地线覆冰垂直比载，N/m.mm2；A导线、地线截面面积mm2。VALnG1VALnG2VL2．绝缘子串、金具的垂直荷载无冰时为绝缘子串、金具自重，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，设计冰厚5mm时，K＝1.075设计冰厚10mm时，K＝1.150设计冰厚15mm时，K＝1.2253．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。JGJjKGG'例1已知正常情况下某导线自重比载γ1D＝35.8×10-3N/m.mm2,导线冰比载γ2D=17.5×10-3N/m.mm2，导线覆冰厚度b＝5mm,导线垂直档距LV＝368m，导线水平档距为LP＝350m，导线采用LGJ－150/35，截面面积为AD＝181.62mm2，绝缘子串和金具的总重量为520N（7片x－4.5），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GD：12DDDVDDVJDGnALnALKG33135.810181.62368117.510181.623681.0755204122N垂直荷载设计值GD：永久荷载分项系数γG=1.2可变荷载分项系数γQ=1.4121.21.4(1.0751)DGDDVQDDVJDJDGnALnALGG=(1.2×1×0.0358×181.62×368)+(1.4×1×0.0175×181.62×368)+(1.2×520)+1.4×520×0.075=5188N直线型杆塔：（1）正常运行情况导线、避雷线张力不产生不平衡张力，但当气象条件发生变化时，或因档距、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。二、导线、避雷线张力引起的荷载计算转角杆塔：导线、避雷线会产生张力，分解成横向水平荷载（称角度荷载）和纵向水平荷载（称不平衡张力）。1．角度荷载：（横向水平荷载如图2）PJ＝T1sinα1＋T2sinα2式中Ｔ１、Ｔ２杆塔前后导、地线张力Ｎ；α１、α２导、地线与杆塔横担垂线间的夹角（０）。当α1＝α2＝α／2时，（α为线路转角）则PJ=(T1+T2)sinα/2当α＝0时PJ＝0为直线型杆塔2T1T1T1T1T1T12T2T2Tαα1sin2Tα2α2α2sin1Tα2sin2Tα2α1sinT12．不平衡张力：产生纵向荷载（如图3）△T=T1COSα1-T2COSα2当α1＝α2＝α／2时则：△T=（T1-T2）cosα／2当T1=T2时，△T=0；当α=0时，为直线型杆塔。2T1T1T1T1T1T12T2T2Tαα1α2α2COS1T2αCOST2α2COS1COSαT1T2α2图3a图3b3.断线张力荷载产生纵向水平荷载（1）直线杆塔：按《规程》规定了直线杆塔的导线、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。TD＝TDmax.X%式中TD－断线张力NTDmax－导、地线最大使用张力，TDmax＝TP/KCN；TP－导、地线的拉断力，N（查导线手册）；KC－导、地线的设计安全系数，导线取K＝2.5，地线取K＝2.7；X%－最大使用张力百分比值，按《规程》规定选用；参照表2-1～2-3。（2）对各级电压的耐张杆塔、转角杆塔及终端杆塔导线断线张力取最大使用张力的70%。（3）地线的断线张力取最大使用张力的80%。特别说明：直线型杆塔与耐张型杆塔的区别在于承受的荷载不同，主要是杆塔纵向荷载：1、两者断线张力的最大使用张力的X%不一样；2、耐张型杆塔要承受杆塔纵向的不平衡张力。例2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T1＝2500N，T2＝2000N,并且α1=α2，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。090解：根据题意有α1=α2,作用在下横担上的角度力（横向水平荷载标准值）为:PJ＝（T1＋T2）sin/2＝（2500＋2000）sin900/2＝3181.5N不平衡张力(纵向水平荷载标准值）为：△T＝（T1－T2）cos900/2=(2500-2000)cos900/2＝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3已知某220kV线路耐张自立铁塔，地线采用：1×7－6.6－1370－A－YB/T5004-2001型，试求该地线断线张力。kNKTTCP41.127.250.33max解：查表得破坏拉断力TP＝33.50kN，安全系数取2.7，地线最大使用张力百分比值为80%。地线最大使用张力：地线断线张力：TD＝TDmax.X%＝12.41×80%＝9.93kN问题：该张力是标准值还是设计值？三、风荷载的计算(风荷载引起的为横向水平荷载)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②风向与导线不垂直时风荷载计算（1）风向垂直于导线的风荷载计算:无冰时P=γ4ALPcosα/2N覆冰时P=γ5ALPcosα/2N式中γ4、γ5分别为无冰、覆冰风压比载N/m.mm2A导、地线截面面积，mm2LP水平档距，m；α线路转角。注意：新标准规定重冰还要乘以风载增大系数B。5mm冰区取1.1，10mm冰区取1.2。图4（2）风向不垂直于导线的风荷载计算:Px=Psin2N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，按式（2-9）、（2-10）计算；θ—实际风荷载的风向与导、地线的夹角。图52．绝缘子串风荷载的计算Pj=n1(n2+1)AJμZW0BkN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“１”表示金具受风面相当于１片绝缘子；μZ－风压随高度变化系数；AＪ－每片的受风面积，单裙取0.03m2，双裙取0.04m2；W0－其本风压标准值，kN/m2。W0=V2/1600，V基准高度为10m的风速。例4绝缘子串采用7片x－4.5，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15m，正常情况Ⅰ的风速为25m/s,计算作用在绝缘子串上的风压。解：绝缘串高度约15m，查表2－4得风压高度变化系数μZ=1.0PJD=n1(n2+1)μZAJW0=1×(7+1)×1.0×0.03×252/1.6=94N例5．同例1，已知某输电线路直线杆塔水平档距为350m，垂直档距为368m，正常情况下最大风、无冰，导线的垂直比载r1D=35.80×10-3,绝缘子串风载PJD=94N,导线截面积AD=181.62mm2,导线风比载r4D(25)=35.19×10-3,试求作用在杆塔导线上的水平荷载标准值。问题：设计荷载是多少？解：水平荷载标准：P=r4D(25)ADLp+PJD=35.19×10-3×181.62×350+94＝2330.9N3.杆塔塔身风荷载的计算风向作用在与风向垂直的结构物表面的风荷载用下Pg=μZμSβZAfW0B式中（1）μZ—风压高度变化系数(查表2-5)，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。（2）μS－构件体形系数,采用下列数值环形截面钢物理意义：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。钢筋混凝土杆0.7圆断面杆件：当W0d2≤0.002时1.2；当W0d2≥0.015时0.7(上述中间值按插入法计算)d－圆断面杆件直径，m；由圆断面杆件组成的塔架(0.7－1.2)×(1+η)构件体形系数μS的确定：型钢(角钢、槽钢、工字型和方钢)1.3由型钢杆件组成的塔架1.3(1+η)η－塔架背风面荷载降低系数，按表2-6选用。物理意义：修正背风面产生的负压多边形截面μS按表2-7选用。（3）βZ—杆塔风荷载调整系数(表2-8查取)。物理意义：风压将随着风速、风向的紊乱变化而不停的改变，风压产生的波动分量(波动风压)，使结构在平均侧移附近产生振动效应，致使结构受力增大。（4）Af—杆塔塔身构件承受风压的投影面积计算值对电杆、钢管杆杆身：Af=h(D1＋D2)/2h—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；对铁塔铁身：Af=h(b1+b2)/2b1、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，一般窄基塔身和塔头取0.2～0.3，宽基塔塔身可取0.15～0.2,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。例6已知拉线等径电杆高度21m，埋深2m，电杆外径D=500mm,内径d=400mm,电压等级110kV，Ⅳ级气象区，试计算作用在杆身上的风荷载标准值。解查表由高度20m，电压110kV，地面粗糙度B类风压高度变化系数取μZ=1.10杆塔风荷载调整系数βZ=1.0环形截面钢筋混凝土电杆构件体形系数取μS=0.7P=μZμSβZAfW0=1.10×0.7×1.0×0.5×252/1.6=236.7N/m答：作用在杆身上的风荷载标准值为236.7N/m例7已知某110kV上字型窄基铁塔塔顶宽D1＝0.4m,下横担处宽D5＝0.839m，根开D9＝1.75m,塔头高h1=6m，塔身高h2=13.5m,计算塔身风荷载，线路经过乡村,运行情况Ⅰ时风速30m/s解：一、塔头风荷载1、风压随高度变化系数μZ110kV,高度19.5m粗糙程度为B类，查表2－5得μZ＝1.102、风荷载调整系数βZ查表2－8得βZ＝1.03、构件体形系数μs由型钢杆件组成的塔架μs＝1.3（1+η）填充系数＝Af/A,塔头取＝0.3*1.2=0.36塔头b/h=((0.4+0.839)/2)/6=0.103查表2－6得η＝0.58μs＝1.3（1+η）＝1.3*（1+0.58）＝2.0544、投影面积Af（塔身面积）12()2fbbAh=0.36*6*((0.4+0.839)/2)=1.34m25、塔头风压qq=μZμSβzW0Af/h=(1.1*2.054*1.0*(30*30/1600)*1.34)/6=0.284kN/m二、塔身风荷载1、风压随高度变化系数μZ110kV,高度13.5m粗糙程度为B类，查表2－5得μZ＝0.9642、风荷载调整系数βZ查表2－8得βZ＝1.03、构件体形系数μs由型钢杆件组成的塔架μs＝1.3（1+η）填充系数＝Af/A,塔头取＝0.3*1.2=0.36塔身b/h=