林麗

【摘 要】采用SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件，設計了兩種500kV部分預應力活性粉末混凝土門型電桿的橫擔，并將兩種橫擔方案的門型電桿進行了設計對比。結(jié)果表明，三角桁架組合橫擔具有良好的受力性能、改善了主材的受力狀態(tài)，使得門型電桿高度降低10m。通過結(jié)構(gòu)計算分析可知，這種橫擔在運行狀況下的安全可靠程度較高，可以在目前500kV送電線路中使用；在經(jīng)濟技術(shù)性能方面，這種方案的門型電桿綜合造價大大降低了，同時加快了施工進度，提高了電桿在輸電線路中的綜合效益。

【關(guān)鍵詞】橫擔；輸電線路；電桿；活性粉末混凝土

Analysis of Two Cross Arm of Reactive Powder Concrete Pole Design

LIN Li

（ Changchun Radio and Television University， Changchun Jilin 130000，China）

【Abstract】SAP2000 structural analysis software is used to designed two of 500kV partially prestressed reactive powder concrete pole cross arm； moreover， poles of the two cross arm program have been compared. The results show that the triangular truss cross arm has good mechanical properties， improving the main material of the stress state， the pole reduced height 10m， by the analysis of the structure shows， this cross arm has higher reliability under the operating conditions， which can be used in 500kV transmission line； from economic and technical performance， the pole cost of this program is greatly reduced， while speeding up the construction progress and improving the comprehensive benefits of the poles in the transmission line.

【Key words】Cross arm；Transmission line；Poles；Reactive powder concrete

近年來高強混凝土在工程中得到廣泛的應用，它為預應力混凝土電桿的發(fā)展開辟了新的途徑。活性粉末混凝土是目前一種新型高性能混凝土，它的強度高而且耐久性好。普通混凝土電桿的缺點能夠用活性粉末混凝土電桿來克服。在這種情況下，研制500kV部分預應力活性粉末混凝土門型電桿（以下稱RPC電桿），對于降低輸電線路造價有很強的現(xiàn)實意義。

橫擔在桿塔結(jié)構(gòu)總起非常重要的作用，它是用來安裝絕緣子及金具，以支承導線、避雷線，并使之按規(guī)定保持一定的安全距離。對于500kV部分預應力RPC電桿的橫擔設計，分別采用導線橫擔及地線支架分離式梯形桁架橫擔、三角桁架組合橫擔，分析兩者之間的耗材量、門型電桿的強度、剛度及經(jīng)濟性能指標。

1 門型電桿形式及幾何尺寸

電桿的設計采用自立式門型桿，直徑為400mm，壁厚為100mm的等徑型門式雙桿，中間用交叉梁系統(tǒng)連接，其中橫擔以及避雷線支架均采用鋼結(jié)構(gòu)形式，雙桿與基礎固接?；炷翖U由4.5m、6.0m長的桿段組成，分段用電焊連接。通過電氣校驗[2]得到電桿各部分幾何尺寸，初步設計出兩種橫擔方案，如圖1圖2所示。

2 門型電桿工程概況

導線為4分裂LGJ-400/35型鋼芯鋁絞線，采用GJ-150雙避雷線，水平檔距為420m，垂直檔距為550m，最大風速為30m/s，最高氣溫為+40℃，最低氣溫為-10℃，設計覆冰厚度為10mm。導線水平排列，線間距離為12.0m，橫擔外伸尺寸5.5m，呼稱高度為26.5m，導線與避雷線的水平位移取2.0m，防雷保護角為10.8°。

3 部分預應力RPC電桿橫擔設計

3.1 橫擔承受的荷載

橫擔結(jié)構(gòu)設計應計算各種工況下的荷載。橫擔所承受的荷載一般分為縱向荷載、橫向荷載及垂直荷載。為了比較這兩種橫擔方案的耗鋼量及橫擔對門型電桿強度、變形驗算的結(jié)果。兩種方案所承受的荷載設為相同，文章根據(jù)設計條件計算出電桿桿頭在各種工況下所承受的荷載，如圖3所示。

3.2 門型電桿橫擔設計

本文應用SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件對兩種形式的橫擔進行設計，并得出結(jié)果。首先將兩種橫擔的三維CAD模型分別導入SAP2000，施加最不利工況下的組合荷載，橫擔所選材料為Q235，計算出桿件內(nèi)力及確定橫擔的角鋼規(guī)格。然后比較桿件內(nèi)力結(jié)果可知，正常情況下受最大風速條件控制，并對最不利桿件進行強度及穩(wěn)定的校驗。得出第一種橫擔下弦主材選用L125X14，斜主材選用L80X6，斜材選用L70X6，耗鋼量為3292kg；第二種橫擔上弦主材選用L80X6，下弦主材選用L160X12，斜主材選用L70X6，斜材選用L50X4，耗鋼量為3481kg，兩種橫擔鋼材消耗量相差189kg。

3.3 門型電桿的內(nèi)力計算

由于該結(jié)構(gòu)體系屬于超靜定結(jié)構(gòu)，假設地面為剛性；應用簡化計算方法求解電桿的內(nèi)力，見文獻[3]。計算出RPC電桿在各種工況下的荷載及內(nèi)力，比較計算結(jié)果得出，正常情況下電桿的內(nèi)力受最大風速條件控制，得到第一種橫擔方案電桿在根部承受的最大彎矩為442.3kN·m，第二種橫擔方案電桿在根部承受的最大彎矩為458.9kN·m，荷載分布如圖4所示；事故情況下電桿的內(nèi)力受斷邊導線條件控制，得到第一種橫擔方案電桿承受的最大彎矩為74.8kN·m，第二種橫擔方案電桿承受的最大彎矩為43.58kN·m，荷載分布如圖5所示。通過以上可知，電桿設計由正常使用情況下的最大風條件控制。

（a）第Ⅰ種運行情況，（b）第Ⅱ種運行情況，

（c）斷左導線情況，（d）斷中導線情況，

（e）避雷線不平衡張力，（f）安裝情況

3.4 門型電桿截面及配筋

通過目前電桿在工程中的應用情況，結(jié)合現(xiàn)有制造工藝，通過初步設計，選取桿段幾何尺寸：總長（L）為39.5m（29.5m），內(nèi)徑（d）為300mm，外徑（D）為400mm，即內(nèi)外壁半徑分別為r1=150mm，r2=200mm，預應力及非預應力鋼筋所在圓周的半徑rp、rs為175mm。

部分預應力活性粉末混凝土電桿配筋：預應力主筋初步選用：n=12根直徑為12的高強度鋼筋45Si2Cr，Ap=1356.5mm2，fp=1000MPa，fp=400MPa；非預應力筋初步選用：n=12根直徑為16的IV級冷拉鋼筋，As=2411.5mm2 ，fy=700 MPa，fy=400 MPa。預應力鋼筋和非預應力鋼筋相間布置。

3.5 門型電桿的承載力及正常使用驗算

3.5.1 電桿正截面受彎承載力驗算

500kVRPC電桿的性能指標與普通預應力混凝土電桿相同，主要驗算電桿正截面受彎承載力、抗裂度、撓度等。電桿的受彎承載力用極限狀態(tài)法進行計算，計算參數(shù)應參照技術(shù)規(guī)定的要求進行選用[4-5]。

部分預應力活性粉末混凝土電桿正截面受彎承載力計算如下：

式中，Mp1為第一種橫擔方案中電桿彎矩設計值，單位為kN.m；Mp2為第二種橫擔方案中電桿彎矩設計值，單位為kN·m；根據(jù)以上對門型電桿正截面受彎承載力的計算可知，RPC電桿截面尺寸和配筋狀況均滿足強度條件，并且后者較前者承載力有很大提高。

3.5.2 電桿抗裂度驗算

部分預應力活性粉末混凝土電桿正截面開裂彎矩計算如下：

最大裂縫寬度的計算公式如下

以上電桿的抗裂性能驗算滿足要求。

式中δ（1）fmax為第一種橫擔方案電桿最大裂縫寬度，單位為mm；δ（2）fmax為第二種橫擔方案電桿最大裂縫寬度，單位為mm。

3.5.3 電桿撓度驗算

部分預應力活性粉末混凝土電桿在水平力作用下，桿頂產(chǎn)生的撓曲度為：

以上撓度驗算滿足要求。

式中ω1為第一種橫擔方案電桿撓曲度；ω2為第二種橫擔方案電桿撓曲度。

4 兩種橫擔方案的部分預應RPC電桿經(jīng)濟性能比較

為了對比兩種橫擔方案，文章采用相同電壓等級，相同的設計氣象條件，相同的導線、地線和相同檔距等情況下進行設計研究[6]，在同時滿足承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)下，得到兩種橫擔的性能特點如表1所示。

表1 兩種橫擔設計方案性能比較

從表1可以看出，第二種三角桁架組合橫擔方案相比第一種導線橫擔及地線支架分離式梯形桁架橫擔方案存在一定的優(yōu)勢，具體如下。

（1）在設計條件相同時，第二種橫擔雖在耗鋼量上有所增加，但是部分預應力活性粉末混凝土電桿的總高度降低10m，能夠使電桿在施工過程中容易吊裝，同時結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定合理。

（2）第二種橫擔方案中的部分預應力活性粉末混凝土門型電桿抗彎承載力遠遠大于第一種橫擔方案中電桿抗彎承載力，同時第二種方案中電桿的抗裂能力較大。

（3）經(jīng)濟性能上，第二種方案部分預應力活性粉末混凝土電桿造價比第一種減少了27%，第二種橫擔方案中鋼材用量造價比第一種增加5.4%，但第二種方案電桿的綜合造價降低了19.2%，節(jié)約工程成本。

5 結(jié)語

（1）500kV部分預應力活性粉末混凝土門型電桿采用三角桁架組合橫擔在結(jié)構(gòu)上更加穩(wěn)定、合理，除了降低了電桿高度，還使得電桿的抗彎強度大幅度提高；不僅能夠滿足強度要求，而且具有較大的安全儲備，同時部分預應力活性粉末混凝土門型電桿具有良好的耐久性和抗裂性。故此，這種橫擔設計方案結(jié)合到500kV部分預應力活性粉末混凝土門型電桿中更加有效的提高在送電線路中的應用可行性。

（2）這兩種橫擔方案從經(jīng)濟技術(shù)指標方面，在滿足設計條件的同時，第二種方案的部分預應力活性粉末混凝土電桿造價比第一種減少了27%，雖然鋼材的用量略有增加，但是它的綜合造價卻大大降低了，而且加快了施工進度，提高了綜合效益。因此，采用三角桁架組合橫擔生產(chǎn)的500kV部分預應力活性粉末混凝土門型電桿，將在送電線路工程中具有很高的應用價值和廣闊的市場前景。

【參考文獻】

[1]郭紹宗.我國500kV預應力電桿的技術(shù)經(jīng)濟分析[J].電力建設，1993，8（14）：33-36.

[2]劉振亞.國家電網(wǎng)公司輸變電工程典型設計[M].北京：中國電力出版社，2005.

[3]鞠彥忠.超高壓部分預應力活性粉末混凝土電桿的設計[J].沈陽工程學院學報，2009（5）：383-386.

[4]張殿生.電力工程高壓送電線路設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2004.

[5]中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委會.DL/ T5154- 2002架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設計技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2002.

[6]鞠彥忠.500kV輸電線路RPC雙桿的實用設計方法研究[D].吉林：東北電力大學，2009.

[責任編輯：張濤]