1第一讲杆塔荷载.docx

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1第一讲杆塔荷载

第一讲　杆塔荷载

第一节杆塔分类

荷载按随时间的变异可分

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,人工和工具等附加荷载。

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、安装荷载和验算荷载等

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。

荷载按作用在杆塔上方向分

根据计算需要，将它们分解成作用在杆塔上的垂直荷载、横向水平荷载、纵向水平荷载（如图2－1）。

1.垂直荷载垂直荷载G包括：

（1）导线、避雷线、绝缘子串和金具的重量；

（2）杆塔自重荷载；

（3）安装、检修时的垂直荷载（包括工人、工具及附件等重量）。

2．横向水平荷载横向水平荷载P包括：

（与横担方向一致）

（1）导线、避雷线、绝缘子串和金具的风压；

（2）杆塔身风载;

（3）转角杆塔上导线及避雷线的角度力。

3.纵向水平荷载纵向水平荷载T（垂直横担方向的张力）包括：

（1）导线、避雷的不平衡张力（对直线型杆塔和耐张型杆塔不平衡张力为顺线路方向，对转角杆塔的不平衡张力则与杆塔横担垂直）；

（2）导线、避雷线的断线张力和断线导线时避雷线对杆塔产生的支持力；

（3）安装导线时的紧线张力

第二节　杆塔荷载计算方法

一、自重荷载

1．导线、避雷线的自重荷载

无冰时G=r1ALchN

覆冰时G=r3ALchN

式中LCh−杆塔的垂直档距m；

r1、r3−分别为导线、避雷线无冰、覆冰的垂直比载N/m.mm2；

A−导线、避雷线截面面积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，可查单片绝缘子及各组合绝缘子串的金具重量表。

覆冰时

式中GJ、GJ’−分别为无冰、覆冰时绝缘子串、金具的重量

K−覆冰系数：

设计冰厚5mm时，

K＝1.075

设计冰厚10mm时，K＝1.15

设计冰厚15mm时，K＝1.225

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。

二、导线、避雷线张力引起的荷载计算

张力引起的荷载是不平衡张力

直线型杆塔：

（1）正常运行情况

不出现不平衡张力，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。

转角杆塔、耐张型杆塔：

张力分解成横向荷载（称角度荷载）和纵向荷载（称不平衡张力）。

1．角度荷载：

产生的横向荷载如下

PJ＝T1sinα1＋T2sinα2

式中Ｔ１、Ｔ２−杆塔前后导线张力Ｎ；

α１、α２−导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

（a）夹角不相同情况；（b）夹角相同情况

2．不平衡张力：

产生的纵向荷载

（a）夹角不相同情况（b）夹角相同情况

△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，△T=T1-T2。

3．断线张力荷载

直线杆塔：

按《规程》规定了直线杆塔的导线、避雷线的断线张力分别取各自最大使用张力乘以一个百分数

TD＝TDmax.X%

式中TD－断线张力N

TDmax－导线、避雷线最大使用张力，

TDmax＝

N；

T－导线、避雷综合拉断力N（查导线手册）；

K－安全系数，一般取K＝2.5；

X%－最大使用张力百分数（查规程）。

耐张杆塔、转角杆塔及终端杆塔：

导线：

　最大使用张力的70%；

避雷线：

最大使用张力的80%。

对于特殊情况，需要进行精确计算断线张力时，应按照线路力学介绍的计算公式及图解法进行精确计算。

冲击系数：

冲击系数采用表2-4中的数值（以新规程为准）。

三、风荷载的计算

各类杆塔、导线及避雷线的风荷载的计算按《规程》规定有下列三种情况的风向：

（1）风向与线路方向垂直

（2）风向与线路方向的夹角成600和450；

（3）风向与线路方向相同。

1．导线、避雷线风荷载的计算

（1）风向垂直于导线的风荷载计算

导线、避雷线的风荷载用下式计算：

无冰时P=r4ALshcosα/2

覆冰时P=r5ALshcosα/2N

式中r4、r5−分别为无冰、覆冰风压比载N/m⋅mm2；

A−导线、避雷线总截面积mm2；

Lsh−水平档距m；

α−线路转角。

（2）风向与导线不垂直时风荷载计算

当风向与线路方向的夹角θ成450、600时（图2－4），此时导线风荷载应按下式计算

Px=Psin2θ

式中Px−垂直导线方向风荷载分量N；

P—垂直导线方向风荷载，按式（2-7）、（2-8）计算；

θ—实际风荷载的风向与导线的夹角。

2．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式计算：

Pg=KKZβAcV2/1.6

式中KZ—风压高度变化系数（物理意义：

修正风速不同高度的衰减程度），

β—风压调整系数（物理意义：

修正地形变化而引起的风速变化）

Ac—杆塔塔身构件侧面（或正面）的投影面积m2；

对电杆杆身：

Ac=h（D1＋D2）/2

对铁铁身：

Ac=ϕh（b1+b2）/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为

D2=D1+h/75；

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

ϕ—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；

K—风压体形系数,采用下列数值（修正挡风面形状不同引起的阻力变化）:

环形截面电杆:

K＝0.6

矩形截面电杆:

K＝1.4

角钢铁塔:

K＝1.4（1+η）

圆钢铁塔：

K＝1.2（1+η）

η−空间桁架背风面风载降低系数，一般按表2－8选用。

《规程》规定，60m以上的杆塔，应考虑阵风的振动作用，杆塔塔身风荷载应乘以风振系数。

铁塔的风振系数取1.5，拉线杆塔取１.25。

3．绝缘子串风荷载的计算

Pj=n1n2AZKzV2/1.6

式中n1−一相导线所用的绝缘子串数；

n2−每串绝缘子的片数

AZ−每片的受风面积，单裙取0.03m2，双裙取0.04m2;

Kz−风压随高度变化系数，

四、杆塔安装荷载

1．直线杆塔安装荷载计算

吊线作业和锚线引起的荷载；对钢筋混凝土电杆还要校核整体吊装时的强度和开裂问题

（1）吊线荷载

架设导线或避雷线时，需要将其从地面提升到杆塔上，此工作过程所引起的荷载叫吊线荷载。

在施工中常采用双倍吊线或转向滑车吊线两种方

式，

（a）双倍吊线方式（b）转向滑车吊线方式

采用双倍吊线时:

∑G＝2KG＋GF

式中K−动力系数，考虑滑动阻力和牵引倾斜等因素，取K＝1.1；

G−被吊导线、绝缘子及金具的重力N；

GF−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2－10取值。

吊线时，还要考虑相应风荷载引起对导线横向水平荷载。

采用转向滑车吊线时:

垂直荷载∑G＝KG+GFN

水平荷载∑P=KG+PN

式中P−导线或避雷风荷载N；

其它符号与上式相同。

（1）锚线荷载

在高压输电线路中经常采用张力放线、紧线。

由于施工场地的要求，放线、紧线不一定在耐张杆塔或者转角杆塔上进行，这时就会出现在直线杆塔上紧线、锚线等作业。

也就是在直线杆塔的相邻两档中，一档的导线已按要求架好，相邻档导线用邻时拉线锚在地上，如图

作用在横担上的垂直荷载、横向水平荷载及纵向不平衡张力为

垂直荷载∑G＝nG+GF+KTsinβ

横向水平荷载∑P＝nPN

纵向不平衡张力∆T＝KT（1-cosβ）N

式中G、P−分别为所锚导线或避雷线的垂直荷载和横向荷载N；

T−安装时导线或避雷线的张力N；

β−锚线钢丝绳与地面的夹角；

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n＝0.5；

GF−附加荷载N；

K−动力系数，考虑滑动阻力和牵引倾斜等因素，取K＝1.1。

2．耐张杆塔安装荷载计算

在耐张、转角杆塔上架线施工作业有两种方法：

即牵引和挂线。

牵

引和挂线时对耐张、转角杆塔要产生牵引荷载和挂线荷载。

（1）牵引荷载

架设导线和避雷线过程中，要通过设在杆塔上的滑车将导线、避雷线拉紧到设计张力，此过程叫紧线。

紧线时作用在杆塔上的荷载分

（a）相邻档尚未挂线（b）相邻档已挂线

相邻档未挂线和相邻档已挂线两种情况

a相邻档尚未挂线时作用在横担上的荷载:

垂直荷载∑G=nG+T1sinβ+KTsinγ+GFN

横向水平荷载∑P=nPN

纵向不平衡张力∆T=0

b相邻档已挂线作用在横担上的荷载：

垂直荷载∑G=nG+KTsinγ+GFN

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）导线或避雷线的垂直荷载和横向水平荷载；

K—动力系数，取K＝1.2；

β−临时拉线与地面的夹角；

γ−牵引钢丝绳与地面的夹角；

T1—临时拉线的初张力，一般

T1＝5000～10000N；

T−导线或避雷线安装张力；

GF−附加荷载N。

（2）挂线荷载

挂线是指按设计要求的弧垂，把导线与绝缘子串连接好后挂到杆塔上去的作业过程。

导线挂到杆塔上后松开牵引绳，使杆塔受到的一个突加张力荷载。

在实际工中，这种一般只能逐根（即逐相）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。

此时作用杆塔上的荷载有：

垂直荷载∑G=nG+T0tgβ+GFN

横向水平荷载∑G=nP+（KT-T0）sinαN

第三节杆塔设计原则

杆塔设计除了要保证合理的结构外，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。

一、构件计算的各种理论：

按对安全度的分析及表达式不同分下列四种

A许用应力计算法：

以弹性理论为基础，只考虑材料的弹性，不考虑材料实际存在的塑性质，因此没充分发挥产承载能力，不经济；

B破坏阶段计算法：

根据经验采用一个笼统的单一安全系数，故没反映各种荷载、不同材料对构件存在能力的变异性。

C多系数分析单一安全系数表达：

（材料、荷载、构件工作条件）

D近似概率极限状态计算法（分项系数法）：

二、近似概率极限状态计算法（分项系数法）

对杆塔的设计，应根据《建筑结构统一标准》GBJ68-84（简称《标准》）规定的极限状态（分项系数法）计算原则进行计算。

其表达式如下：

1．承载能力极限状态设计表达式

γ0S≤R

相当

S＝

式中S−荷载效应组合设计值（采用荷载设计值计算而得）；

γ0−结构重要性系数（按构件破坏后的影响大小分别乘以1．1、1．0、0．9）；

γG−永久荷载分项系数（取1．2）；

γQi−第i个可变荷载分项系数（风、冰取1．4。

安装取1．3）；

GK−永久荷载标准值（没乘荷载分项系数时的荷载）；

QK−可变荷载标准值（没乘荷载分项系数时的荷载）；

CG、CQi－分别为永久荷载和第i个可变荷载的荷载效应系数（计算各种内力的常数

）；

ψ－荷载组合系数；

R－结构或构件的抗力设计值（采用材料的设计值计算而得）。

2．正常使用极限状态设计表达式

正常使用极限状态，结构或构件应按下式计算荷载效应标准值，并保证变形、裂缝等计算值不超过相应的规定限值。

Sl＝CGGK＋ψ∑CQiQIk（注意两公式的差别）

式中Sl－荷载效应标准值，其它符号与式相同。

一、荷载组合的基本原则

作用在杆塔上的荷载很多，这些荷载不是同时出现的。

因此，各类杆塔在设计计算时，必须考虑各种不同荷载的组合，并乘以相应的荷载组合系数。

《规程》规定见表2－12

二、荷载组合系数

按正常、断线、安装、特殊四种不同情况组合成四种不同的荷载作用在杆塔上，因为各种荷载作用状态不同，所以各自要求有各自不同的可靠度。

如运行情况的荷载是经常作用在杆塔上，要求有较高的可靠度；断线和安装等情况的荷载，出现的机率较小，对可靠度的要求相应要低；杆塔受断线情况荷载作用，由于杆塔种类的不同，对可靠度的要求也有所不同，耐张杆塔要求应能限制事故的范围，可靠度应高些。

直线杆塔断线时允许绝缘子串偏移，杆稍发生挠度，可靠度可以低些。

对杆塔进行强度计算时，为了使杆塔结构在相应四种情况荷载作用下有统一的可靠度，《规程》规定了各种情况下的荷载组合系数ψ。

荷载组合系数列于表2－13中。

三、结构重要性系数

《标准》规定，按极限状态设计时，必须考虑结构安全等级而设立的结构重要性系数。

《建筑结构统一标准》根据结构破坏后果的严重性，其安全等级划分为一级、二级、三级，并规定如下：

安全等级为一级时γ0＝1.1

安全等级为二级时γ0＝1.0

安全等级为三级时γ0＝0.9

在杆塔设计中，安全等级宜按输电线路的电压等级及杆塔在线路中的重要性划分为：

一级：

500kV线路和220kV及以上的大型大跨越线路的各种杆塔，大型经济区中330kV主杆线路中的各种杆塔；

二级：

普通330kV线路的各种杆塔和220kV线路中的承力杆塔；

三级：

除去一、二级的杆塔以外的各种杆塔。

四、荷载分项系数

《标准》规定,在承载能力极限状态设计中计算构件的内力时,为充分考虑荷载的离散性及计算内力时进行简化所带来的不利影响，必须对荷载标准值乘以一个大于1的系数称为荷载分项系数。

考虑到可变荷载比永久荷载的离散性更大一些，因而对可变荷载的分项系数取得更大一些，各种荷载分项系数《标准》规定如下：

永久荷载：

γG＝1.2

风荷载：

γQ1＝1.4

冰荷载：

γQ2＝1.4

安装及检修荷载：

γQ3＝1.3

在设计中，得到荷载标准值，并乘以相应荷载分项系数后称为设计荷载值，用设计荷载进行内力计算和截面设计。

当然也可用荷载标准值计算出内力，然后将所得内力乘以荷载分项系数后进行截面设计。

但应注意，在正常使用极限状态设计中不应考虑荷载分项系数。

五、杆塔荷载图

通过荷载组合并经线路力学计算，可得到各种情况下的导线、避雷线风压、重量、张力等荷载。

按杆塔强度计算的要求，可把它们分解成作用在杆塔平面内的横向荷载和作用在与杆塔平面相垂直的纵向荷载和垂直荷载，并乘以各自的荷载组合系数后，分别用荷载图表示出来，供计算时使用（如图2－16）。

例2－1已知某上字电杆杆头作用的荷载标准值为PB=914N,PD=1954N,导线、避雷线自重荷载GB=1142N,GD=2416N,a0=250mm,a1=1000mm,a2=2500mm,hB=2400,上横担与下横担之间的距离为h2=3400mm,不计杆身的风荷载，求正常运行情况下时上横担处的设计弯矩。

解正常运行情况下

γG=1.2,γQ=1.4,ψ=1.0

M=γG（GBa0+GDa1）+γQψ[（PB（hB+h2）+PDh2）

=1.2（1142×0.25+2416×1.0）+1.4×1.0（914×5.8+1954×3.4）=19.91KN.m

第四节杆塔外形尺寸的确定

杆塔外形尺寸的确定，除要求满足电气条件外，同时要求满足结构的合理性、经济性以及外形的美观。

一、杆塔高度的确定

1．杆塔总高度

杆塔的总高度与档距、地理条件、电压等级、气候及电气条件等因素有关。

杆塔的总高度等于呼称高度加上导线间的垂直距离和避雷线支架高度，对于钢筋混凝土电杆还要加上埋地深度h0。

2．杆塔呼称高度

杆塔下横担的下弦边缘线到地面的垂直距离H称为杆塔呼称高度，杆塔的呼称高度是杆塔的基本高度，它对杆塔的安全性、经济性好坏起着重要作用，影响它的因素也很多，呼称高度用以下公式计算：

H=λ+fmax+hx+∆（2-31）

式中λ−绝缘子串的长度（包括金具的长度）；

fmax−导线的最大弧垂；

hx−导线到地面、水面及被跨越物的安全距离；

∆−考虑测量、施工误差等所预留宽度。

（见表2－14）。

3．杆塔经济呼称高度

杆塔的呼称高度是决定杆塔总高的重要因素。

杆塔总高又是决定材料用量的重要因素，显然总高越大，材料用量越多。

杆塔的呼称高度与档距有直接关系，档距越大，导线的弧

垂越大，杆塔的呼称高度也就越大。

但是档距增大时，使每公里的杆塔数量减少，因此对一定电压等级的线路来说，必定有一个最优的呼称高度，使得整个线路材料用量最少，把这个最优呼称高度称为经济呼称高度，或称标准呼称高度。

根据设计经验，总结出各种不同电压等级的标准呼称高度范围列于表2－15，供设计参考。

与杆塔标准呼称高度相应的档距，称为标准档距或经济档距。

在平地，当已知杆塔标准呼称高度H时，可按下式计算杆塔的经济档距：

m

式中σ−导线最大弧垂时的应力；

r−导线最大弧垂时的比载；

其它符号与式（2－31）相同。

二杆塔横担的确定

杆塔的横担长度可根据导线水平线间距和悬挂在横担上的导线间隙圆（图2－13）并考虑带电作业的要求来确定。

对1000m以下档距，导线水平线间距《规程》规定按以下公式计算：

（2-33）

式中D−导线水平线间距m；

λ−悬垂绝缘子串长度m；

U−线路电压等级kV；

2－13横担长度示意图图2－14直线电杆外形示意图

f−导线最大弧垂m。

当悬垂绝缘子串长度和摇摆角、最小空气间隙确定后，导线的水平线间距也可用下式计算：

上字型杆塔的上横担长度：

Ds＝R＋λsinϕ＋b（2-34）

上字型杆塔的下横担长度：

Ds＝2（R＋λsinϕ＋b）（2-35）

式中R−最小空气间隙，不应小于表2－16中相应的数值m；

λ−悬垂绝缘子串长度m；

ϕ−悬垂绝缘子串摇摆角（º）

b−杆塔上脚钉外露部分加杆径一半的长度m。

例2－1已知某上字电杆杆头作用的荷载标准值为PB=914N,PD=1954N,导线、避雷线自重荷载GB=1142N,GD=2416N,a0=250mm,a1=1000mm,a2=2500mm,hB=2400,上横担与下横担之间的距离为h2=3400mm,不计杆身的风荷载，求正常运行情况下时上横担处的设计弯矩。

解正常运行情况下

γG=1.2,γQ=1.4,ψ=1.0

M=γG（GBa0+GDa1）+γQψ[（PB（hB+h2）+PDh2）

=1.2（1142×0.25+2416×1.0）+1.4×1.0（914×5.8+1954×3.4）=19.91KN.m