电力线路杆塔荷载计算[共58页]

1、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 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。 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,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

2、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；

3、1 导线、地线无冰垂直比载， N/m.mm2； 2 导线、地线覆冰垂直比载，N/m.mm2； A 导线、地线截面面积 mm2,2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， K1.075 设计冰厚10mm时，K1.150 设计冰厚15mm时，K1.225 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,例1 已知正常情况下某导线自重比载1D 35.810-3 N/m.mm2,导线冰比载2D =17.510-3N/m.

4、mm2，导线覆冰厚度b5mm,导线垂直档距LV368m，导线水平档距为LP350m，导线采用LGJ150/35，截面面积为AD181.62mm2 ，绝缘子串和金具的总重量为520N（7片x4.5），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,垂直荷载设计值GD,永久荷载分项系数G=1.2,可变荷载分项系数Q=1.4,(1.210.0358181.62368) +(1.410.0175181.62368)+(1.2520) +1.45200.075 =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

5、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） PJT1sin1T2sin2 式中 、杆塔前后导、地线张力 ； 、导、地线与杆塔横担垂线间的夹 角（）。 当122时，（为线路转角）则 PJ=(T1+T2)sin/2 当0时PJ0为直线型杆塔,2不平衡张力：产生纵向荷载（如图3） T=T1COS1-T2COS2 当122时 则： T=（T1-T2）cos2 当T1=T2时，T=0；当=0时，为直线

6、型杆塔,图3a图3b,3. 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。 TDTDmax.X% 式中 TD断线张力 N TDmax导、地线最大使用张力， TDmax TP/KC N； 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K2.7； X%最大使用张力百分比值，按规程 规定选用；参照表2-12-3。 （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

7、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T12500N，T22000N,并且 1=2 ，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1=2 , 作用在下横担上的角度力（横向水平荷载标准值）为: PJ（T1T2）sin /2 （25002000）sin900/2 3181.5N 不平衡张力(纵向水平荷载标准值）为： T（T1T2）cos900/2 =(2500-2

8、000) cos 900/2353.5N 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： 176.61370AYB/T5004-2001型，试求该地线 断线张力,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： TDTDmax.X%12.4180%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 风向垂直于导线的风荷载计算 风向与导线不垂直时风荷载计算,1）风向垂直

9、于导线的风荷载计算,无冰时 P=4ALPcos/ 2 N 覆冰时 P=5ALPcos/2 N,式中4、5分别为无冰、 覆冰风压比载N/m.mm2,A导、地线截面面积，mm2 LP水平档距，m； 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=Psin2N,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； 实际风荷载的风向与导、地线的夹角,图5,2绝缘子串风荷载的计算 Pj=n1(n2+1) AJZ W0 B kN 式中 n1一相导线所用的绝缘子

10、串数； n2每串绝缘子的片数,加“”表示金具受 风 面相当于片绝缘子； Z风压随高度变化系数； A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x4.5，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24得风压高度变化系数Z=1.0 PJD=n1(n2+1)Z AJW0 =1(7+1) 1.00.03252/1.6=94N,例 5同例 1

11、，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=35.8010-3 , 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 =35.1910-3 181.62350+94 2330.9N,3. 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=ZSZAfW0 B 式中 （1）Z风压高度变化系数(查表2-5)， 物理意义：

12、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）S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W0d20.002时 1.2；当W0d20.015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 (0.71.2)(1,构件体形系数S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,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

13、产生的负压,多边形截面S按表2-7选用,3）Z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(D1D2)/2 h计算段的高度 m,D1、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)/2 b1、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0.20.3，

14、宽基塔塔身可取 0.150.2,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， 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Z=1.10 杆塔风荷载调整系数Z=1.0 环形截面钢筋混凝土电杆 构件体形系数取S=0.7 P=ZSZAfW0=1.100.71.00.5252/1.6 =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

15、基铁塔塔顶宽 D10.4m,下横担处宽D50.839m，根开D91.75m,塔头高h1=6m，塔身高h2=13.5m,计算塔身风荷载，线路经过乡村,运行情况时风速30m/s,解：一、塔头风荷载,1、风压随高度变化系数Z,110kV,高度19.5m粗糙程度为B类，查表25 得Z1.10,2、风荷载调整系数Z,查表28得Z1.0,3、构件体形系数s,由型钢杆件组成的塔架s1.3（1,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26得0.58,s1.3（1+）1.3*（1+0.58）2.054,4、投影面积Af（塔身面积,0.36*

16、6*(0.4+0.839)/2)=1.34m2,5、塔头风压q,q=ZSzW0Af/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Z,110kV,高度13.5m粗糙程度为B类，查表25 得Z0.964,2、风荷载调整系数Z,查表28得Z1.0,3、构件体形系数s,由型钢杆件组成的塔架s1.3（1,填充系数Af/A,塔头取0.3*1.2=0.36,塔身b/h=(0.839+1.75)/2)/6=0.215,查表26得0.58,s1.3（1+）1.3*（1+0.58）2.054,4、投影面积Af （塔身面积,

17、0.36*13.5*(0.839+1.75)/2)=6.291m2,5、塔身风压q,q=ZSzW0Af/h=(0.964*2.054*1.0* (30*30/1600)*6.291)/13.5=0.519kN/m,b/h=1.75/19.51/12为窄基塔,四、杆塔安装荷载 直 线 型 杆 塔；吊线作业和锚线 耐张转角杆塔: 牵引作业和挂线作业 安装荷载组合：无冰有相应的风 1直线型杆塔安装荷载计算 (1)吊线荷载 将导线从地面提升到杆塔上或从杆塔上将导线 放下来所引起的荷载叫吊线荷载。 有两种方式： a.双倍吊线 b.转向滑车吊线如图5所示,图6,采用双倍吊线（如图6a）作用在滑轮上的力：

18、垂 直 荷 载：G2KG N 横向水平荷载 : N 式中 K动力系数，考虑滑动阻力和牵引倾斜等 因素，取K1.1； G被吊导线、绝缘子串及金具的重力，N； 考虑相应部位横担上施工人员和工具所引起的附 加荷载，N。按表29取值； 导线风荷载，N。 采用转向滑车吊线（图6b）作用在滑轮上的力： 垂 直 荷 载 : GKG+ N 横向水平荷载: Px=KG+P N,2）锚线荷载 在直线型杆塔上放线、紧线,当一边导线已按要求架好，由于直线型杆承受纵向水平荷载能力较小，相邻档导线用临时拉线锚在地上的过程叫锚线，如图26所示： 作用在横担上的力： 垂直荷载： GnG+KTsin N 横向水平荷载： PnP

19、 N 纵向不平衡张力： TKT（1-cos）N 式中 G、P分别为所锚导线或地线的垂直荷载和横向荷载 N； T安装时导线或地线的张力； 临时锚线与地面的夹角； n垂直荷载或横向荷载的分 配系数，当相邻档距和高差 相等时，一般取n0.5,图7,2耐张型杆塔安装荷载计算 在耐张、转角杆塔上架线施工作业有两种方法：紧线和挂线 图8耐张、转角杆塔紧线示意图 (a) 相邻档尚未挂线；（b）相邻档已挂线,1）紧线荷载 架设导线和地线过程中，要通过设在杆塔上的滑车将导线、地线拉紧到设计张力，此过程叫紧线（如图8）。紧线时作用在杆塔上的荷载分相邻档未挂线和相邻档已挂线两种情况。 相邻档尚未挂线时作用在横担上的

20、力: 垂直荷载 G=nG+T1sin+KTsin+GF N 横向水平荷载 P=nP N 纵向不平衡张力 T=0 相邻档已挂线作用在横担上的荷载： 垂直荷载 G=nG+KTsin+GF N 横向水平荷载 P=nP 纵向不平衡张力 T=0,式中 n导线垂直荷载或横向水平荷载分配系数； G、P该根（或相）导线或地线的垂直荷载 和横向水平荷载,N； K动力系数，取K1.2； 临时拉线与地面的夹角； 牵引钢丝绳与地面的夹角； T1临时拉线的初张力， 一般T1500010000 N； T导线或地线安装张力,N,2）挂线荷载 当紧线达到导线弧垂的设计要求后，把导线与 绝缘子串连接起来挂到杆塔上的作业过程叫挂

21、线。 这种操作也只考虑在耐张、转角杆塔上进行。如图 9所示，导线挂到杆塔上后松开牵引钢绳，使杆 塔受到一个突加的张力荷载。在实际施工中，这种 施工操作一般只能逐根(相)进行。由于荷载较大， 杆塔设计中可考虑设置临时拉线平衡部分荷载,图8耐张、转角杆塔挂线荷载示意图 （a）相邻档的导线未挂（b）相邻档的导线已挂,相邻档导线未架设时： 垂直荷载 G=nG+T0tg+GF N 横向水平荷载 Px=nP+(KT-T0)sin1 N 纵向水平张力T=(KT-T0)cos1 N 式中 T导线安装张力，N； T0临时拉线平衡的导线张力，对220k 和500kV线路一般取T0=1000020000N； 1转角

22、杆塔导线方向与横担垂线方向间 的夹角，当横担方向垂直于线路夹角内角 平分线上时1/2(为线路转角) 临时拉线与地面间的夹角， ； n导线垂直荷载或横向水平荷载分配系数； K动力系数，取1.2,相邻档导线已架设时： 垂直荷载 G=nG+GF N 横向水平荷载 Px=nP+KTsin1 N 纵向水平张力T=KTcos1 N,例 8试计算110KV线路无拉线直线电杆上的安装 荷载。电杆总高度21m，埋深3m，下横担长度 2.6m。导线为LGJ150/35型，地线为177.8 1470A。水平档距为245m，垂直档距为368m，绝缘 子串和金具的总重量为530N（7片x4.5），地线金具重 量为90N

23、，安装荷载组合情况为有相应风10m/s、无冰。 导、地线的风压比载为4D(10）=6.6210-3， 4B(10）=15.7410-3， 地线自重比载1B85.6510-3 导线自重比载1D35.810-3 导线截面积AD181.62 ， 地线截面积 AB37.15 mm2,解:吊上导线时荷载: 1、挂好的导、地线的荷载 地线重量：GB=1BABLV+GJB =85.6510-337.15368+90=1260 N 地线风压：PB4B（10）ABLP =15.7410-337.15245=142N 导线重量：GD=1DADLV+GJD =35.810-3181.62368+520=2913N

24、绝缘子风载： 上导线绝缘子约在18m,查表得Z 1.06 PJD=n1(n2+1)Z AJW0 =1(7+1) 1.060.03102/1.6=16N,导线风压：PD4D（10）ADLP+PJD 6.6210-3181.62245+16 =311N 2、正在挂的导线荷载 （1）吊上导线时，导线越过下横担须向外拉 开（如图所示）其拉力T2与水平线的夹角为, 并假定上下横担间导线水平拉出1.3m。 问题是：导线以角度拉出远离下横担1.3m时，作用在横担上的力是多少（如图9）,图9,T1,T2,200,3.5,1.3,GT1,如图，x=0得：T2cos T1sin sin1.3/3.74,得T12.

25、7T2 （1,T1cosGD+T2sin 得 （2） 联立解（1）、（2）式得：T21333N T12.7T22.713333599N 由T1引起垂直荷载GT1： GT13599 cos 3599 N,1.1（29133368）150010009409N 总的横向水平荷载PKPT1+PD=1.1 1251+311=1687N 荷载如图10 （2）吊下导线 吊下导线时横担处的总重量为 GKGD+GF+10001.1 2913+1500+1000 5704N 荷载如图,由T1引起的横向水平荷载PT1,吊上导线吊下导线,图10,第三节杆塔设计原则,杆塔设计除了要保证合理的结构外，还要保证结构的强度、刚度等，其计算内容有： 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。 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,一、杆塔结构和构件设计表达式,1.结构和构件承载能力极限状态表达式,0SR,式中各符号的意义,2