混凝土电杆设计风荷载计算分析

2020-08-02王希伟吴丽萍

黑龙江交通科技 2020年7期

王希伟，吴丽萍，刘红

(哈尔滨职业技术学院，黑龙江哈尔滨 150081)

1 研究背景

东南地区由于靠近沿海，是台风经常光顾的地区，因此受台风影响非常大。环形混凝土电杆作为一种高柔结构，因台风造成的倒杆、断杆、倾杆破坏很多。给工农业生产和人民生活造成很大的损失，例如“苏迪罗”台风期间，东南某省低压用户共停电364.70万户，占全省总户数的24.41%。因此研究电杆的破坏类型、破坏过程、破坏机理非常有必要。

2 混凝土电杆设计风荷载计算

2.1 导线、地线和杆的风荷载计算

混凝土电杆的风荷载计算涉及导线、地线的风荷载计算和杆身的风荷载计算。

(1)导线、地线的风荷载计算

风向与线路垂直情况的导线或地线风荷载的标准值，应按下式计算：

Wx=αμsdLwWo

式中：α-为风荷载档距系数；us-导线或地线的体型系数；d-导线或地线覆冰后的计算外径；对分裂导线，不应考虑线间的屏蔽影响，取所有子导线外径的总和(m)；A-导线或地线的截面积(mm)；Wo-基本风压，KN/m2；Lw-风力档距(m)；

(2)杆身风荷载计算

风向作用在与风向垂直的结构物表面的风荷载计算式为(单位为KN)

Pa=μzμsβzAfWo

式中：Wo-基本风压，KN/m2；μs-构件的体型系数；μz-风压高度变化系数；βz-杆塔风荷载调整系数(m)，主要是考虑脉动风的作用；Af-构件承受风压的投影面积，m2；

对杆承受风压的投影面积Af，可按以下公式计算

式中：h-计算段的高度，m；D1、D2-杆身计算风压段的顶径和根径，m；

2.2 内力计算方法

内力计算主要包括任意截面的弯矩计算。算例采用10 KV线路，选取最常见的杆型，具体参数可参见图1和表1，电杆锥度都是1/75，B类粗糙度。

图1 190X10XIXG(IXY)

表1 导线设计参数表格

环形混凝土电杆具有结构简单、耗钢量少、占地面积少、便于施工、运输维护方便，因此广泛用于110 KV及以下的输电线路。电杆因埋入土中较少，所以计算时可视为一端嵌固的悬臂梁构件。

见图2，由外力作用在杆柱任意截面x处的弯矩：

图2 单杆直线电杆计算简图

Mx=∑Gα+∑ph+pxhxZ

∑Gα=∑GBαB+GD1α1+GD2α2-GD3α3=GBαB+GD1α1

∑ph=PBh1+PD1h2+PD2h3+PD3h3=PBh1+PD1h2+2PD3h3

式中：Px-任意截面x处以上杆身的单位长度风压，N/m；Do-锥形电杆杆柱的顶径，m；Dx-任意截面x处的杆径，m；hx-杆顶至任意截面x处的垂直距离，m；Z-锥形杆杆x截面以上风压力作用点至x截面处的力臂，m。

计算风速V=30 m/s～60 m/s风荷载的响应。以10 m杆，V=30 m/s为例，计算简图如图3所示。不同风速条件下的弯矩图如图4～图6所示。

图3 30 m/s弯矩图图4 35 m/s弯矩图

图5 40 m/s弯矩图图6 45 m/s弯矩图

3 强度计算

3.1 混凝土电杆正截面抗弯强度计算方法

虽然混凝土电杆有一定的锥度，随着角度的变化，电杆截面从上到下截面积不断增大，但是真正影响混凝土电杆承载力大小的因素主要是纵向普通钢筋和纵向预应力钢筋的数量。

公式的适应条件：为了保证受拉钢筋应力能达到屈服极限，公式应满足以下条件:

预应力混凝土电杆正截面抗弯强度计算方法，构件中只采用预应力纵筋

以上公式相关参数解释请参照架空输电线路杆塔结构设计技术规定

根据设计院配筋资料，表2非预应力杆钢筋混凝土抵抗弯矩表，h是从电杆最底部算起。

表2 非预应力杆钢筋混凝土抵抗弯矩表MR

表3 Ø190X10XG预应力杆钢筋土抵抗弯矩表MR

表4 Ø190X10XI预应力杆钢筋混凝土抵抗弯矩表MR

当风速达到30 m/s的时候，与非预应力抵抗弯矩图对比，此类型的杆将发生受弯破坏。至于具体的破坏点，可以通过弯矩图和抵抗弯矩对比，重合点就是首先破坏的位置，不一定是地面处，很多情况也不是地面处。

对于预应力钢筋混凝土电杆由于具有优越的抗裂性能，其承载力要比非预应力混凝土电杆高，但是当风速超过35 m/s的时候，杆将发生正截面受弯破坏。

预应力构件出现裂缝的荷载值与破坏荷载值比较接近，故延性较差。预应力就是给钢筋施加一个预先拉力，利用这部分预应力抵消自重和部分恒荷载。预应力混凝土改善的是正常使用极限状态的情况，对承载能力极限状态没有任何改变。

3.2 混凝土电杆斜截面承载力计算方法

对于矩形截面钢筋混凝土受弯构件受力后，在主要承受弯矩的区段内产生垂直裂缝，如果它抗弯能力不足，构件将会沿着正截面发生破坏。所以，设计钢筋混凝土梁时，必须进行正截面的强度计算。但是，受弯构件除承受弯矩外，往往还同时承受剪力，构件在弯矩M和剪力V的共同作用下，还可能出现斜裂缝，并且沿着斜裂缝发生破坏，这种破坏称为剪切破坏。为了防止这种破坏，梁除了具有一定的合理尺寸外，应在梁内布置箍筋和弯起钢筋。

开裂前V=1.2tDft式中ft-混凝土抗拉设计强度；t-环形截面的壁厚；D-环形截面径。

开裂后则剪力的80%由螺旋钢筋承受，20%由纵向受力钢筋承受。螺旋钢筋的面积计算式为

同时纵向受力钢筋也将提供插销力作为受剪承载力的一部分，根据规范要求，它将承担计算截面处剪力的20%。

式中：fy-纵向钢筋的抗拉强度设计值。

混凝土电杆斜截面承载力计算结果:

电杆斜截面受剪承载力计算如下。以风速V(m/s)=30.00 m/s为例子，开裂前全部由混凝土承担剪力，受剪承载力为未考虑箍筋斜截面受剪承载力(KN)=36.82 KN，开裂后由钢筋承受，混凝土退出工作，电杆开裂后斜截面受剪承载力(KN)=269.84 KN。

从以上计算结果来看，电杆的未开裂斜截面承载力全部由混凝土承担，在台风作用下很难发生受剪切破坏，开裂后斜截面承载力完全由箍筋和纵筋来承担，如果箍筋的间距变小，则箍筋所提供的斜截面承载力提高，但是纵筋提供的斜截面承载力更大，纵筋在斜截面受剪承载力中发挥的是类似于插销的抗剪能力。从计算结果看，开裂后斜截面承载力比未开裂混凝土提供的斜截面承载力大很多，综上所述，电杆斜截面的破坏是很难发生的，在斜截面破坏之前正截面受弯就先破坏了。因此，就没必要验算所有杆型的斜截面受剪了。