500kV预应力高强度混凝土门型电杆设计

贾玉琢，单 明，刘红星

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林吉林132012;2.南京供电公司，江苏 南京210019;3.广东电网 门供电局，广东江门529000)

近年来500 kV送电线路中主要应用铁塔结构，其原因是一般混凝土电杆满足不了高电压等级的要求，一般在330 kV及以上线路上很少使用混凝土电杆。然而，混凝土电杆与铁塔相比具有免维护、耐腐蚀和经济等优点;随着高强混凝土的出现，尤其是活性粉末混凝土的出现，使得研制500 kV预应力高强混凝土门型电杆有了现实意义。

提高钢筋混凝土电杆强度的途径有2条［1］:一是提高混凝土强度;二是采用高强度钢筋和增加钢筋的数量。普通钢筋混凝土电杆受几何尺寸及构造的限制，电杆强度的增加有限;另外，普通钢筋混凝土电杆易产生横向裂纹，裸露的钢筋易锈蚀，影响电杆的使用寿命。普通预应力混凝土电杆在增加钢筋强度和数量的同时，施加在混凝土上的压力也随之增加了，过大的应力值容易使电杆上的混凝土产生纵向裂纹，同样影响电杆的强度及使用寿命。

活性粉末混凝土是一种新型高性能混凝土尤其是其高强度。用活性粉末混凝土生产的预应力电杆能够克服上述普通混凝土电杆和普通预应力混凝土的缺点。在这种背景下，研制和开发500 kV预应力活性粉末混凝土门型电杆，取代一部分500 kV送电线路常用的铁塔结构，对于降低输电线路投资有很强的现实意义。

1 高强混凝土简介

本研究采用的高强混凝土即活性粉末混凝土，它具有强度高、韧性高、耐久性和良好的体积稳定性，它是由法国布伊格公司在1993年率先研制成功的一种良好的水泥基复合材料，其抗压强度可达200～800 MPa，它的出现使混凝土的耐久性有了很大的提高［2-3］。这种混凝土同一般的高性能混凝土相比，其孔隙率低4～5倍，微孔率低10～30倍，透气性和吸水性低50倍，氯化物离子的扩散性低25倍，这些性能对电杆的抗冻和防腐具有很重要的意义。RPC的配置原理是，通过提高组分的细度与活性，使材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减小到最少，以获得超高强度与高耐久性［4］。

2 门型电杆形式及几何尺寸

电杆采用自立式门型杆，电杆采用直径为550 mm，壁厚为100 mm的等径双杆，中间用交叉梁系统连接，横担与避雷线支架采用钢结构，双杆与基础固接。混凝土杆由4.5 m、6.0 m长的杆段组成，分段用电焊连接。通过电气校验［5］得到电杆各部分几何尺寸，见图1。

3 门型电杆工程概况

导线为4分裂LGJ-400/35型钢芯铝绞线，采用GJ-150双避雷线，最大风速为30 m/s，水平档距为420 m，垂直档距为550 m，最高气温为+40℃，最低气温为-10℃，设计覆冰厚度为10 mm。

采用门型结构，导线水平排列，线间距离为12.0 m，横担外伸尺寸5.5 m，呼称高度为26.5 m，导线与避雷线的水平位移取2.0m，防雷保护角为10.8°。

4 全部预应力和部分预应力RPC电杆设计过程

图1 门型电杆几何尺寸

4.1 门型电杆承受的荷载

为了比较全部预应力和部分预应力活性粉末混凝土电杆的设计过程及强度、变形验算结果。两种电杆所承受的荷载设为相同，文章根据设计条件计算出电杆在各种工况下所承受的荷载，见表1。

表1 不同气象条件下的导线、地线荷载

4.2 门型电杆的内力计算

全部预应力和部分预应力活性粉末混凝土电杆的结构均采用带叉梁的门型结构;其结构体系属于超静定结构，假设地面为刚性，应用简化计算方法求解两种电杆的内力，见文献［6］。

文章计算了全部预应力和部分预应力活性粉末混凝土门型电杆在七种工况下的荷载及内力，比较计算结果可知，正常情况下电杆的内力受最大风速条件控制，得到电杆在根部承受最大弯矩为442.3 kNm，荷载分布见图2。事故情况下电杆的内力受断边导线条件控制，得到电杆承受最大弯矩为74.8 kNm，荷载分布见图3。由此可见，电杆设计由正常使用情况下的最大风条件控制。

4.3 门型电杆截面设计及配筋

根据目前电杆在工程中的应用情况，结合现有制造工艺，通过初步设计，选取杆段几何尺寸:总长(L)为39.5 m，外径(D)为550 mm，内径(d)为450 mm，且r1为225 mm，r2为275 mm，rp、rs为250 mm。

图4 电杆环形截面布置

全部预应力活性粉末混凝土电杆配筋:预应力筋初步选用:n=16根直径为12的高强度钢筋45Si2Cr，钢筋面积Ap=1808.6 mm2，抗拉设计强度fp=1000 MPa，抗压设计强度f'p=400 MPa。

部分预应力活性粉末混凝土电杆配筋:预应力主筋初步选用:n=12根直径为12的高强度钢筋45Si2Cr，Ap=1356.5 mm2，fp=1000 MPa，f'p=400 MPa;非预应力筋初步选用:n=12根直径为16的IV级冷拉钢筋，As=2411.5 mm2，fy=700 MPa，f'y=400 MPa。预应力钢筋和非预应力钢筋相间布置。

门型电杆截面布置如图4所示。

4.4 门型电杆的承载力及正常使用验算

4.4.1 电杆正截面受弯承载力验算

500 kV全部预应力和部分预应力活性粉末混凝土电杆的性能指标与普通预应力混凝土电杆相同，主要验算电杆正截面受弯承载力、抗裂度、挠度等。电杆的受弯承载力用极限状态法进行计算，计算参数应参照技术规定的要求进行选用［7-8］。

全部预应力活性粉末混凝土电杆正截面受弯承载力计算公式如下:

部分预应力活性粉末混凝土电杆正截面受弯承载力计算公式如下:

式中，M为弯矩设计值，单位为kN·m;A为构件截面面积，单位为mm2;Ap为全部预应力钢筋的截面面积，单位为mm2;As为全部非预应力钢筋的截面面积，单位为mm2;r1、r2分别为环形截面内、外半径，单位为mm;rp为纵向预应力钢筋所在圆周的半径，单位为mm;α为受压区混凝土截面面积与全截面面积的比值;αt为受拉纵向钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值;αc为受拉区活性粉末混凝土截面面积与全截面面积的比值;fcm为混凝土弯曲抗压设计值，单位为MPa;fp、f'p分别为预应力钢筋的抗拉、抗压强度设计值，单位为MPa;fy为非预应力钢筋的抗拉强度设计值，单位为MPa;δpo为预应力钢筋的有效预应力，单位为MPa。

由以上门型电杆正截面受弯承载力计算可知，部分预应力活性粉末混凝土电杆和全部预应力活性粉末混凝土电杆截面尺寸和配筋状况满足强度条件，并且前者较后者承载力有较大提高。

4.4.2 电杆抗裂度验算

全部预应力活性粉末混凝土电杆正截面开裂弯矩计算公式如下:

最大裂缝宽度的计算公式如下:

部分预应力活性粉末混凝土电杆正截面开裂弯矩计算公式如下:

最大裂缝宽度的计算公式如下

以上电杆的抗裂性能验算满足要求。

式中:Mcr为电杆正截面开裂弯矩，单位为kN·m;ftk为混凝土抗拉强度标准值，单位MPa;Wd换算截面

弹性抵抗矩，单位为m3;αL钢纤维对活性粉末混凝土抗拉强度的影响系数;βc活性粉末混凝土较普通混凝土抗拉强度增长系数;δfmax为最大裂缝宽度，单位为mm。

4.4.3 电杆抗挠度验算

全部预应力活性粉末混凝土电杆在水平力作用下，杆顶产生的挠度为:

部分预应力活性粉末混凝土电杆在水平力作用下，杆顶产生的挠度为:

以上挠度验算满足要求。

式中:ω为挠度;L为张拉端至锚固端的长度，单位为m。

5 全部预应力和部分预应力RPC电杆性能比较

为了对比全部预应力和部分预应力活性粉末混凝土门型电杆的受力性能，文章采用相同电压等级，相同的设计气象条件，相同的导线、地线和相同档距等情况下进行设计研究［9］，在同时满足承载能力和正常使用两种极限状态下，得到两种电杆的性能特点，见表2。

表2 全部预应力和部分预应力RPC电杆性能

由表2可知，部分预应力活性粉末混凝土门型电杆作为一种新型杆塔结构型式，与全部预应力活性粉末混凝土门型电杆相比，在许多方面存在着明显的优势，具体如下。

(1)当电杆的抗弯承载力设计值相近时，部分预应力活性粉末混凝土门型电杆采用的电杆直径较小，活性粉末混凝土的用量也大大降低，故可知部分预应力活性粉末混凝土门型电杆更适合应用于大线径、大档距、多回路输电线路中。

(2)部分预应力活性粉末混凝土门型电杆受弯时正截面开裂弯矩远远大于电杆在控制工况下产生的最大弯矩，也就是说在正常使用阶段是不会出现裂缝，所以裂缝宽度满足规范要求。

(3)经济性上，部分预应力活性粉末混凝土门型电杆的活性粉末混凝土用量只占全部预应力活性粉末混凝土门型电杆活性粉末混凝土用量的70%，活性粉末混凝土用量同比减少了30%，从而使得电杆的造价大大降低。

6 结 论

(1)500 kV部分预应力活性粉末混凝土门型电杆不仅能够满足强度要求，而且具有较大的安全储备，同时具有良好的韧性和抗裂性;这是目前超高压送电线路中常用的铁塔和钢管塔所不能达到的，因此部分预应力活性粉末混凝土门型电杆应用到500 kV送电线路中去是可行的。

(2)500 kV部分预应力活性粉末混凝土门型电杆降低了电杆的纵向压应力，也就是说减小了纵向裂缝宽度，因此，部分预应力活性粉末混凝土门型电杆比全部预应力活性粉末混凝土门型电杆的纵向抗裂性有较大提高。

(3)500 kV部分预应力活性粉末混凝土门型电杆和全部预应力活性粉末混凝土门型电杆相比，当电杆的抗弯承载力设计值相近时，部分预应力活性粉末混凝土门型电杆采用的电杆直径减小，活性粉末混凝土的用量也大大降低，只占全部预应力活性粉末混凝土门型电杆活性粉末混凝土用量的70%，这也降低了电杆基础的设计要求，从而大大降低了电杆造价。因此，500 kV部分预应力活性粉末混凝土门型电杆在送电线路工程中具有很高的应用价值和广阔的市场前景，必将广泛应用到超高压送电线路中。

［1］方强.高强度环形部分预应力混凝土电杆的设计［J］.电力建设，1999，20(5):29-31.

［2］谢友均，刘宝举，龙广成.掺超细粉煤灰活性粉末混凝土的研究［J］.建筑材料学报，2001，4(3):280-284.

［3］黄承逵，丁一宁，何化南.纤维混凝土的技术进展与工程应用—第十一届全国纤维混凝土学术会议论文集［C］.大连:大连理工大学出版社，2006.

［4］覃维祖，曹峰.一种超高性能混凝土—活性粉末混凝土［J］.工业建筑，1999(5):18-20.

［5］刘振亚.国家电网公司输变电工程典型设计［M］.北京:中国电力出版社，2005.

［6］鞠彦忠.超高压部分预应力活性粉末混凝土电杆的设计［J］.沈阳工程学院学报，2009，5(4):382-386.

［7］张殿生.电力工程高压送电线路设计手册［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［8］中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T5154-2002架空送电线路杆塔结构设计技术规程［S］.北京:中国电力出版社，2002.

［9］鞠彦忠.500kV输电线路RPC双杆的实用设计方法研究［D］.吉林:东北电力大学，2009.