關(guān)于水泥桿在架空配電線路中選型問(wèn)題的探討--電工知識(shí)
關(guān)于水泥桿在架空配電線路中選型問(wèn)題的探討--電工知識(shí)
摘 要：水泥桿具有制造工藝簡(jiǎn)單、立桿方便、經(jīng)濟(jì)性好、安全可靠、持久耐用等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于10kV及以下架空配電線路中。加工廠按規(guī)范相關(guān)要求即可生產(chǎn)出定型的水泥桿；而線路設(shè)計(jì)時(shí)，我們?cè)鯓觼?lái)合理選用水泥桿呢？本文對(duì)水泥桿的選型問(wèn)題進(jìn)行探討。
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概述
水泥桿由于具有制造工藝簡(jiǎn)單、立桿方便、造價(jià)較低、性能可靠、耐久性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于10kV及以下架空配電線路中。
對(duì)于架空配電線路來(lái)說(shuō)，要使單公里造價(jià)最優(yōu)，除可從排桿方面挖掘潛力外，提高水泥桿的使用占比是最為直接有效的辦法，因?yàn)闂U塔在架空配電線路投資中占比較大(約占30～40%)，而單基水泥桿的造價(jià)一般僅有鐵塔的一半不到。如何把水泥桿恰到好處地應(yīng)用好，是配電線路設(shè)計(jì)中值得深入研究的問(wèn)題。
2 砼桿的標(biāo)準(zhǔn)化 2.1 砼桿的分類
配電線路中常用的水泥桿從外形來(lái)分，有錐形桿和等徑桿兩種。錐形桿隨著彎矩荷載在桿上向下遞增，桿體的截面也按一定錐度(通常為1:75)相應(yīng)遞增，該結(jié)構(gòu)型式充分發(fā)揮了材料力學(xué)性能，可到達(dá)較好的經(jīng)濟(jì)效益；在對(duì)強(qiáng)度有較高要求、錐形桿選型困難的情況下可采用等徑桿(桿徑一般在300mm及以上；大彎矩桿）。
水泥桿從鋼筋的受力狀態(tài)來(lái)分，有預(yù)應(yīng)力、半預(yù)應(yīng)力、普通桿三種。預(yù)應(yīng)力桿較普通桿具有抗裂性好、抗彎能力強(qiáng)、材料消耗少等優(yōu)點(diǎn)，在架空配電線路中，宜優(yōu)先選用預(yù)應(yīng)力桿(國(guó)網(wǎng)典設(shè)是按普通桿設(shè)計(jì)的；云南電網(wǎng)則主要使用預(yù)應(yīng)力桿)。
2.2 砼桿的定型
為方便使用并確保質(zhì)量，GB 4623-2014《環(huán)形混凝土電桿》(以下簡(jiǎn)稱：“電桿規(guī)”)按強(qiáng)度等級(jí)序列對(duì)常用的錐形鋼筋混凝土桿進(jìn)行了劃分，篩選出最具代表性的水泥桿規(guī)格，供工程在此標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上選用。
對(duì)照“電桿規(guī)”，并結(jié)合《云南電網(wǎng)10kV及以下配電線路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)V5.0》的近年使用情況，列出云南地區(qū)常用的錐形預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土桿主要使用的規(guī)格如下：
表1 預(yù)應(yīng)力混凝土錐形桿開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩（kN.m）
注1：本表所列開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩(Mk)為用懸臂式試驗(yàn)時(shí)，取梢端至荷載點(diǎn)距離(L3)為0.25m、在開(kāi)裂檢驗(yàn)荷載作用下假定支持點(diǎn)(L1)斷面處的彎矩。電桿實(shí)際設(shè)計(jì)使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程需要確定梢端至荷載點(diǎn)距離和支持點(diǎn)高度，并按相應(yīng)計(jì)算彎矩進(jìn)行檢驗(yàn)；
注2：根據(jù)電桿的埋置方式，其埋置深度應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定，并采取有效加固措施。
上表中，同一幾何尺度的預(yù)應(yīng)力錐形桿根據(jù)開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩的不同劃分為不同的強(qiáng)度等級(jí)。按照“電桿規(guī)”生產(chǎn)工藝參數(shù)及力學(xué)參數(shù)制造的混凝土桿，經(jīng)蒸汽養(yǎng)護(hù)，在混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后拆模，然后戶外灑水養(yǎng)護(hù)，在齡期達(dá)到14 天之后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)標(biāo)后，最終形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的水泥桿桿型。
預(yù)應(yīng)力錐形桿的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)按下圖進(jìn)行布置（各參數(shù)與表1對(duì)應(yīng)）：
2.3 砼桿的力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
（1）鋼筋混凝土電桿加荷至表1規(guī)定的開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩時(shí)：裂縫寬度不應(yīng)大于0.20mm，錐形桿桿長(zhǎng)不小于10m時(shí)，桿頂撓度不應(yīng)大于(L1+L3)/35；桿長(zhǎng)等于或大于10m、小于或等于12m時(shí)，桿頂撓度不應(yīng)大于(L1+L3)/32；桿長(zhǎng)大于12m、小于或等于18m時(shí)，桿頂撓度不應(yīng)大于(L1+L3)/25。加荷至開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩卸荷后，殘余裂縫寬度不應(yīng)大于0.05mm。
（2）預(yù)應(yīng)力混凝土電桿加荷至表1規(guī)定的開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩時(shí)：不應(yīng)出現(xiàn)裂縫，錐形桿桿長(zhǎng)小于或等于12m時(shí)，桿頂撓度不應(yīng)大于(L1+L3)/70；桿長(zhǎng)大于12m、小于或等于18m時(shí)，桿頂撓度不應(yīng)大于(L1+L3)/50；
（3）加荷至承載力檢驗(yàn)彎矩(開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩的2倍)時(shí)，不應(yīng)出現(xiàn)下列任一種情況:
a)受拉區(qū)混凝土裂縫寬度達(dá)到1.5mm或受拉鋼筋被拉斷；
b)受壓區(qū)混凝土破壞；
c)撓度：按懸臂式試驗(yàn)的錐形桿，桿頂撓度大于(L1+L3)/10。按簡(jiǎn)支式試驗(yàn)的等徑桿:直徑小于400mm，撓度大于L0/50；直徑等于或大于400mm，撓度大于L0/70。
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桿型的選用
水泥桿加工廠按“電桿規(guī)”的要求即可生產(chǎn)出標(biāo)準(zhǔn)的定型水泥桿，而線路設(shè)計(jì)時(shí)，我們?cè)鯓雍侠磉x用水泥桿呢？經(jīng)查閱相關(guān)資料，有以下幾種理解：
（1）國(guó)網(wǎng)典設(shè)選用法
在《國(guó)網(wǎng)公司配電網(wǎng)工程典型設(shè)計(jì)10kV架空線路分冊(cè)(2016年版)》(第7～10章)中，詳細(xì)列出了所用各型桿的技術(shù)參數(shù)。以Z-I-10型單回路直線桿及ZJ-M-12型單回路耐張桿為例，來(lái)看一下：
注1：根據(jù)DL/T 5220-2005《10kV及以下架空配電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中第10.0.17條的要求，直線水泥單桿的根部彎矩計(jì)算點(diǎn)在水泥桿底部之上的2/3水泥桿埋深處，承力桿根部彎矩計(jì)算點(diǎn)在水泥桿埋深處；
注2：附加彎矩:單回路10kV無(wú)低壓線直線水泥單桿取根部彎矩的8%，其它桿型均取根部彎矩的10%，其中包含橫擔(dān)構(gòu)件、爬梯、絕緣子及金具產(chǎn)生的風(fēng)荷載。無(wú)拉線承力桿取根部彎矩的15%；
注3：根部下壓力包含該桿型最大荷載受控工況的導(dǎo)線垂直荷載，橫擔(dān)、絕緣子、金具及水泥桿自重力(估算值)。
結(jié)論：國(guó)網(wǎng)典設(shè)是依據(jù)根部彎矩標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)選用水泥桿規(guī)格的，根部彎矩除包括水泥桿、導(dǎo)線、橫擔(dān)、絕緣子、金具等的風(fēng)載、重力、張力荷載外，還包括了附加彎矩。
彎矩驗(yàn)算式為：
Mx（計(jì)入附加彎矩的根部彎矩標(biāo)準(zhǔn)值）≤Mk
Mx：電桿根部彎矩標(biāo)準(zhǔn)值（計(jì)入附加彎矩）,kN·m；
Mk：開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩值,kN·m。
（2）安全系數(shù)法1
《大彎矩混凝土電桿的設(shè)計(jì)計(jì)算與選擇》一文中，對(duì)于電桿允許彎矩驗(yàn)算式為：
KMx/βu≤Mk 代入數(shù)值，則得：
Mx（計(jì)入附加彎矩的根部彎矩標(biāo)準(zhǔn)值）≤0.85Mk
K：鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的強(qiáng)度安全系數(shù)（取2.0）；
Mx：電桿根部彎矩標(biāo)準(zhǔn)值（計(jì)入附加彎矩）,kN·m；
βu：電桿承載力綜合檢驗(yàn)系數(shù)（取1.7）；
Mk：開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩值,kN·m。
（3）安全系數(shù)法2
《中低壓配電網(wǎng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》一書(shū)中，關(guān)于鋼筋混凝土桿的強(qiáng)度校驗(yàn)問(wèn)題的介紹如下：
為保證配電線路安全運(yùn)行，電桿必須能承受一定的荷載而不致?lián)p壞。架空配電線路桿一般不必驗(yàn)算斷線應(yīng)力，配電線路的檔距較小，電桿一般都能滿足垂直荷載的要求。只有轉(zhuǎn)角桿、終端桿才考慮橫向受力，這些力一般通過(guò)拉線平衡。架空配電線路桿塔的強(qiáng)度計(jì)算，一般要求電桿承受的最大彎矩不能超過(guò)電桿的允許彎矩，即在最大風(fēng)速時(shí)，作用在桿塔上橫線路方向水平力對(duì)電桿造成的力矩不能超過(guò)電桿的允許彎矩。
結(jié)論：彎矩驗(yàn)算式為：
KMa≤[M] 代入數(shù)值，則得：
Ma（地面處彎矩標(biāo)準(zhǔn)值）≤Mk
Ma：電桿在地面處的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值（不計(jì)附加彎矩），kN·m；
K：電桿強(qiáng)度校驗(yàn)時(shí)安全系數(shù)，一般取2.0，最小不小于1.7；
[M]：電桿承載力檢驗(yàn)彎矩，取開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩的2倍；
Mk：開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩值,kN·m。
（4）極限狀態(tài)法
有相關(guān)資料曾提出以下驗(yàn)算式：
Md（計(jì)入附加彎矩的地面處彎矩設(shè)計(jì)值）≤Mk
Md：電桿在地面處的彎矩設(shè)計(jì)值（計(jì)入附加彎矩），kN·m；
Mk：開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩值,kN·m。
（5）筆者個(gè)人的理解
根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件需滿足兩種結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的相關(guān)要求：
① 正常使用極限狀態(tài)：這種極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值。如：影響正常使用或耐久性能的局部損壞(包括裂縫)。
對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合或準(zhǔn)永久組合，并應(yīng)按下列設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)：
Sd≤C
式中：C—結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用要求的規(guī)定限值，例如變形、裂縫、振幅、加速度、應(yīng)力等的限值，應(yīng)按各有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定采用。
對(duì)于荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值Sd應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算:
上式中，荷載效應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值，且“電桿規(guī)”中的開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩值源自所加荷載標(biāo)準(zhǔn)值與力臂乘積的結(jié)果。理論上，只要實(shí)際受到的短期荷載對(duì)電桿根部的彎矩值不超過(guò)電桿的開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩值，電桿的裂縫就不會(huì)超限。在水泥桿選型的問(wèn)題上，筆者更贊同國(guó)網(wǎng)典設(shè)選用法，即：
彎矩驗(yàn)算式為：
Mx（計(jì)入附加彎矩的根部彎矩標(biāo)準(zhǔn)值）≤Mk
Mx：電桿根部彎矩標(biāo)準(zhǔn)值（計(jì)入附加彎矩）,kN·m；
Mk：開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩值,kN·m。
② 承載能力極限狀態(tài)：這種極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。
對(duì)于承載能力極限狀態(tài)，應(yīng)按荷載效應(yīng)的基本組合或偶然組合進(jìn)行荷載(效應(yīng))組合，并應(yīng)采用下列設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì):
γ0Sd≤Rd
式中：γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；
Sd—荷載組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；
Rd—結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計(jì)值。
水泥桿的力學(xué)性能試驗(yàn)中，在滿足①正常使用極限狀態(tài)相關(guān)要求情況下，還必須滿足②承載能力極限狀態(tài)的要求，水泥桿才算合格。也就是說(shuō)，在選用水泥桿時(shí)，認(rèn)為電桿已滿足承載能力極限狀態(tài)的要求，此階段滿足了①，選出的電桿也就必然能滿足②。
上述極限狀態(tài)法中，電桿在地面處的彎矩設(shè)計(jì)值可用于對(duì)水泥桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，拿它與電桿承載力檢驗(yàn)彎矩比較后進(jìn)行水泥桿選型，概念上有些混淆。
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砼桿根部彎矩計(jì)算
水泥桿根部彎矩主要由三部分荷載產(chǎn)生：
①導(dǎo)線風(fēng)載；
②電桿、桿上附件及金具風(fēng)載；
③導(dǎo)線張力的角度荷載(此外，還需加入附加荷載的彎矩)。
（1）導(dǎo)線風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值
Wx—垂直于導(dǎo)線及地線方向的水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN。
α—風(fēng)壓不均勻系數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，按照下表2的規(guī)定選定。
表2 風(fēng)壓不均勻系數(shù)α取值表
βc—風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，10kV及以下電壓級(jí)線路取1.0。
μz—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，一般按B類粗糙度計(jì)算，μz=(Z/10)0.32；Z：對(duì)地高度，m。
μsc—導(dǎo)線或地線的體型系數(shù)：線徑小于17mm或覆冰時(shí)(不論線徑大小)應(yīng)取μsc=1.2；線徑大于或等于17mm時(shí)，μsc取1.1。
d—導(dǎo)線外徑或覆冰時(shí)的計(jì)算外徑，m。
Lp—桿塔的水平檔距，m。
B1—導(dǎo)線絕緣子串覆冰風(fēng)載增大系數(shù),5mm冰區(qū)取1.1，10mm冰區(qū)取1.2，15mm冰區(qū)取1.3，20mm及以上冰區(qū)取1.5～2.0。
θ—風(fēng)向與導(dǎo)線或地線方向之間的夾角，度。
W0—基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值=V2/1600，kN/m2。
V—基準(zhǔn)高度的風(fēng)速，m/s。
（2）電桿風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值
Ws—電桿風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN。
μs—構(gòu)件體型系數(shù)，取0.7。
B2—電桿覆冰風(fēng)載增大系數(shù),5mm冰區(qū)取1.1，10mm冰區(qū)取1.2，15mm冰區(qū)取1.6，20mm冰區(qū)取1.8，20mm以上冰區(qū)取2.0～2.5。
As—迎風(fēng)面構(gòu)件的投影面積計(jì)算值，m2。
注：計(jì)算桿塔風(fēng)載的作用點(diǎn)高度時(shí)，迎風(fēng)面梯形形心高度按下式進(jìn)行計(jì)算：
等腰梯形形心距下底面的高度=(2*上底寬+下底寬)*梯形高/[3*(上底寬+下底寬)]
βz—桿塔風(fēng)荷載系數(shù)，一般取1.0。
（3）絕緣子串風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值
WI—絕緣子串風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN。
AI—絕緣子串承受風(fēng)壓面積計(jì)算值，m2。
（4）導(dǎo)線張力的角度荷載標(biāo)準(zhǔn)值
當(dāng)線路轉(zhuǎn)角時(shí)，電桿承受順橫擔(dān)向的合力T為：
T＝（T1＋T2）Sinθ
T1、T2—電桿兩側(cè)張力標(biāo)準(zhǔn)值；斷線時(shí)，斷線側(cè)張力為0，kN。
θ—線路轉(zhuǎn)角，度。
最后，算出各荷載標(biāo)準(zhǔn)值（包括附加荷載）與相應(yīng)力臂的乘積后再求和，即可求得水泥桿根部彎矩標(biāo)準(zhǔn)值。
