第二章--杆塔荷载分析计算(第二版)

输电杆塔及基础设计主讲：陈祥和电话：[phone]第一节杆塔荷载分类第三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、杆塔安装荷载习题第二节杆塔设计原则主要内容：1、荷载分类2、荷载组合的原则3、各类标准荷的计算方法１．永久荷载：导线及地线、绝缘子及其附件、杆塔结构、各种固定设备、基础、以及土石方等的重力荷载；拉线或纤绳的初始张力，土压力及预应力等荷载。２．可变荷载：风和冰(雪)荷载；导线、地线及拉线的张力；安装检修的各种附加荷载；结构变形引起的次生荷载以及各种振动动力荷载。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。据计算需要，将它们分解成作用在杆塔上三个方向的力,即1、垂直荷载G：（垂直地面方向的力）如图2－1（1）导线、地线重量；（2）绝缘子串和金具的重量等重量）。（3）杆塔自重荷载；（4）安装、检修时的垂直荷载（包括工人、工具及附件2、横向水平荷载P：（与横担方向平行的力）如图2－1（1）导线、地线风压；（2）绝缘子串和金具的风压（3）杆塔身风载;（4）转角杆塔上导线及地线的角度力。3、纵向水平荷载T：（垂直横担方向的力）如图2－1（1）导线、地线的不平衡张力（对无转角的杆塔不平衡张力为顺线路方向，对有转角的杆塔不平衡张力则与杆塔横担垂直）；图2－1荷载示意图（2）导线、地线的断线张力和断导线时地线对杆塔产生的支持力；（3）安装导线时的紧线张力特别说明:荷载有荷载标准值和荷载设计值之分:1、荷载标准值（用于变形和裂缝计算）按照荷载标准规定公式计算而得的荷载叫标准荷,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（用于强度计算）荷载标准值乘分项系数，得荷载设计值一般分项系数取:永久荷载取1.2可变荷载取1.4杆塔设计除了要保证合理的结构外，还要保证结构的强度、刚度符合要求等，其计算内容有：①结构承载能力极限状态计算，该计算是用来核算结构或构件在各种不同荷载作用下会不会发生破坏。它包括强度、稳定与承载重复荷载时的疲劳计算。显然此项计算是非常重要的。②结构正常使用极限状态计算该计算是用来核算结构或构件是否满足正常使用情况下的各项规定的限值。比如变形、裂缝等。荷载组合是荷载效应组合的简称，是根据杆塔特性、使用要求及杆塔所处的自然条件、荷载发生频率等，由《规范》规定，在设计时应考虑可能发生在结构上同时出现的若干荷载。杆塔荷载组合要考虑以下四种情况：a、正常运行情况的荷载组合b、断线情况的荷载组合C、不均匀覆冰情况的荷载组合d、安装情况的荷载组合1、正常运行情况（各类杆塔都要考虑）《规范》规定三种组合：（1）基本风速、无冰、未断线(包括最小垂直荷载和最大水平荷载组合)。（2）设计覆冰、相应风速及气温、未断线。（3）最低气温、无冰、无风、未断线(适用于终端和转角杆塔)。以上看出：正常组合主要是气象条件的变化。2、断线情况(不含大跨越直线型杆塔)气象条件：均应按有冰、无风、-5℃的气象条件（1）直线型塔（四种情况的荷载组合）1）单回路杆塔，单导线断任意一相导线(分裂导线任意一相导线有纵向不平衡张力）,地线未断；断任意一根地线，导线未断。2）双回路杆塔，同一档内，单导线断任意两相导线（分裂导线任意两相导线有纵向不平衡张力）；同一档内，断一根地线，单导线断任意一相导线（分裂导线任意一相导线有纵向不平衡张力）。3）多回路杆塔，同一档内，单导线断任意三相导线（分裂导线任意三相导线有纵向不平衡张力）；同一档内，断一根地线，单导线断任意两相导线（分裂导线任意两相导线有纵向不平衡张力）。(2)耐张型杆塔1）单回路和双回路杆塔，同一档内，单导线断任意两相导线（分裂导线任意两相导线有纵向不平衡张力）、地线未断；同一档内，断任意一根地线，单导线断任意一相导线（分裂导线任意一相导线有纵向不平衡张力）。2）对多回路塔，同一档内，单导线断任意三相导线（分裂导线任意三相导线有纵向不平衡张力）、地线未断；同一档内，断任意一根地线，单导线断任意两相导线（分裂导线任意两相导线有纵向不平衡张力）。以上看出：断线情况组合主要是断线数量的的变化。（注意与直线杆塔的区别）3、安装情况安装情况气象条件：各类杆塔的安装情况，应考虑10m／s风速、无冰，同时还要考虑附加荷载（附加荷载见表2－14、其它规定（1）10mm及以下冰区断导、地线情况的垂直冰荷载取100％设计覆冰荷载。（2）10mm冰区不均匀覆冰情况的导、地线的垂直冰荷载按75%设计覆冰荷载计算。相应的气象条件按－5℃、10m/s风速的气象条件计算。（3）对地线，除无冰区段外，设计冰厚应较导线冰厚增加5mm。1、新老标准的重大区别（1）老标准：断线为无冰无风新标准：断线为有冰无风（2）对地线，除无冰区段外，设计冰厚应较导线冰厚增加5mm。2、其它规定详见规范说明！！！1、承载能力极限状态表达式0S≤R结构、构件的抗力设计值。荷载效应组合设计值结构重要性系数强度计算表达式（1）结构重要性系数0按安全等级分三级:一级：特别重要的杆塔结构，应取0＝1.1。二级：各级电压线路的各类杆塔，应取0＝1.0。三级：临时使用的各类杆塔，应取0＝0.9（2）结构构件的抗力设计值R。分别在第四章第六章介绍！！！（3）荷载效应组合设计S(荷载产生内力设计值)S＝γG⋅CK⋅GK+ψΣγQi⋅CQi⋅QKi第一项第二项第i项可变荷载标准值第i项可变荷载的分项系数，取1.4可变荷载组合系数，按规范规定取值永久荷载标准值永久荷载分项系数，不利时取1.2可变荷载产生的效应设计值永久荷载产生的效应设计值以上是计算荷载引起的内力设计值的格式荷载效应系数荷载效应系数2.结构和构件正常使用极限状态表达式CGGK+ψΣCQiQKi≤C可变荷载产生的效应值永久荷载产生的效应值式中C－结构或构件的裂缝宽度或变形的规定限值，其它符号与承载力表达式相同。（挠度和裂缝计算）例1已知某110kV上字型电杆如图2－1所示，导、地线风荷载PB＝914N，PD＝1954N，导、地线自重荷载GB＝1142N，GD＝2416N，a0=250mm，a1=1000mm，a2=2500mm，地线与上横担间的距离hB=2400mm，上横担与下横担之间的距离为h2=3400mm，暂不计杆身的风荷载，求正常运行情况下时下横担处的设计弯矩（注：荷载均为标准值，安全等级二级）。解根据已知条件查得：γ0＝1.0γG＝1.2，γQ＝1.4，ψ＝1.00()GGKQiQiiKMCGCQ＝γ0γG（GBa0+GDa1）+γ0ψγQ[PB(hB+h2)+PDh2]＝1.0×1.2(1142×0.25＋2416×1.0)＋1.0×1.0×1.4[914×(2.4+3.4)+1954×3.4]＝19.91kN.m图2－1如果求下横担处的标准弯矩值上式如何变化？1．导线、避雷线的自重荷载无冰时：覆冰时：VALnG1VALnG2式中n每相导线子导线的根数；LV导线、地线垂直档距，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。（导线自重）（附在导线上的冰重）2．绝缘子串、金具的垂直荷载无冰时GJ（自重）绝缘子串、金具自重GJ可查绝缘子及各组合绝缘子串的金具重量表。覆冰时'JGJjKGG'式中K覆冰系数当：设计冰厚5mm时，取K＝1.075设计冰厚10mm时，取K＝1.150设计冰厚15mm时，取K＝1.225（自重.冰重）3．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。4、附加荷载考虑施工时施加在相应部位的重量，如加在横担上施工人员和所带工具引起的附加荷载，其荷载标准值按下表取值。例2-1已知正常情况Ⅱ(覆冰情况)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），安全等级二级，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GDK：已知：单导线n＝1，覆冰厚b=5mm,K=1.07512)[((1)]DkDDVDDVJDJDGGnAnALKGL导线自重绝缘串金具自重附在导线上的冰重附在绝缘子串上的冰重3(135.810181.62368520)12)[((1)]DGDDVQDDJDJDGQVGnALnALGKG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=1.4=(1.2×1×3.58×10-3181.62×368+1.2×520)+[1.4×1.0×1×17.5×10-3×181.62×368+1.4×520×(1.075－1）]=5188N3[117.510181.62368520(1.0751)=（2913+1209）N＝4122N1、直线型杆塔：（1）正常运行情况直线型杆塔导线、地线张力不产生不平衡张力，但当气象条件发生变化时（不均匀覆冰）、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。2、转角、耐张型杆塔：导、地线张力引起的荷载是角度荷载和不平衡张力。（1）角度荷载（为横向水平荷载）角度荷载－所有张力在横担方向失量和，如图2－2。一相导线角度荷载：图2－2导线角度荷载计算示意图PJ＝T1sinα1＋T2sinα2ααα1≠α2α1＝α2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。当α1＝α2＝α／2时，（α为线路转角）则PJ=(T1+T2)sinα/2当α＝0时PJ＝0为无转角耐张型杆塔（2）不平衡张力（为纵向水平荷载）不平衡张力－所有张力在垂直横担方向的失量和图2－3导线不平衡张力计算示意图ααα1≠α2α1＝α2△T=T1COSα1-T2COSα2一相导线不平衡张力：式中符号以角度荷载相同当α1＝α2＝α／2时△T=（T1-T2）cosα／2当T1=T2时，△T=0；当α=0时，T1≠T2，为无转角耐张型杆塔△T=（T1-T2）3.断线张力荷载（为纵向水平荷载）《规范》规定：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。即TD＝TDmax.X%式中TD－断线张力NTDmax－导、地线最大使用张力，TDmax＝TP/KN；TP－导、地线的拉断力，N（查导、地线手册）；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《规范》规定选用（如表2－7～8）；特别说明：直线型杆塔与耐张型杆塔的重要区别是承受的荷载不同，主要是杆塔纵向荷载：1、正常情况：耐张型杆塔要承受杆塔纵向的不平衡张力，如下图2、断线情况：两者断线张力的最大使用张力的X%不一样。。PPGG△T△T杆塔耐张型杆塔正常运行情况例2－2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。解：根据题意有α1=α2,1、角度力（横向水平荷载标准值）为:PJ＝（T1＋T2）sin（/2）＝（2500＋2000）sin（900/2）＝3181.5N2、不平衡张力(纵向水平荷载标准值）为：△T＝（T1－T2）cos（900/2）＝(2500-2000)cos（900/2）＝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2－3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。解：查地线规格