林丽

【摘 要】采用SAP2000结构分析软件，设计了两种500kV部分预应力活性粉末混凝土门型电杆的横担，并将两种横担方案的门型电杆进行了设计对比。结果表明，三角桁架组合横担具有良好的受力性能、改善了主材的受力状态，使得门型电杆高度降低10m。通过结构计算分析可知，这种横担在运行状况下的安全可靠程度较高，可以在目前500kV送电线路中使用；在经济技术性能方面，这种方案的门型电杆综合造价大大降低了，同时加快了施工进度，提高了电杆在输电线路中的综合效益。

【关键词】横担；输电线路；电杆；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

近年来高强混凝土在工程中得到广泛的应用，它为预应力混凝土电杆的发展开辟了新的途径。活性粉末混凝土是目前一种新型高性能混凝土，它的强度高而且耐久性好。普通混凝土电杆的缺点能够用活性粉末混凝土电杆来克服。在这种情况下，研制500kV部分预应力活性粉末混凝土门型电杆（以下称RPC电杆），对于降低输电线路造价有很强的现实意义。

横担在杆塔结构总起非常重要的作用，它是用来安装绝缘子及金具，以支承导线、避雷线，并使之按规定保持一定的安全距离。对于500kV部分预应力RPC电杆的横担设计，分别采用导线横担及地线支架分离式梯形桁架横担、三角桁架组合横担，分析两者之间的耗材量、门型电杆的强度、刚度及经济性能指标。

1 门型电杆形式及几何尺寸

电杆的设计采用自立式门型杆，直径为400mm，壁厚为100mm的等径型门式双杆，中间用交叉梁系统连接，其中横担以及避雷线支架均采用钢结构形式，双杆与基础固接。混凝土杆由4.5m、6.0m长的杆段组成，分段用电焊连接。通过电气校验[2]得到电杆各部分几何尺寸，初步设计出两种横担方案，如图1图2所示。

2 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，水平档距为420m，垂直档距为550m，最大风速为30m/s，最高气温为+40℃，最低气温为-10℃，设计覆冰厚度为10mm。导线水平排列，线间距离为12.0m，横担外伸尺寸5.5m，呼称高度为26.5m，导线与避雷线的水平位移取2.0m，防雷保护角为10.8°。

3 部分预应力RPC电杆横担设计

3.1 横担承受的荷载

横担结构设计应计算各种工况下的荷載。横担所承受的荷载一般分为纵向荷载、横向荷载及垂直荷载。为了比较这两种横担方案的耗钢量及横担对门型电杆强度、变形验算的结果。两种方案所承受的荷载设为相同，文章根据设计条件计算出电杆杆头在各种工况下所承受的荷载，如图3所示。

3.2 门型电杆横担设计

本文应用SAP2000结构分析软件对两种形式的横担进行设计，并得出结果。首先将两种横担的三维CAD模型分别导入SAP2000，施加最不利工况下的组合荷载，横担所选材料为Q235，计算出杆件内力及确定横担的角钢规格。然后比较杆件内力结果可知，正常情况下受最大风速条件控制，并对最不利杆件进行强度及稳定的校验。得出第一种横担下弦主材选用L125X14，斜主材选用L80X6，斜材选用L70X6，耗钢量为3292kg；第二种横担上弦主材选用L80X6，下弦主材选用L160X12，斜主材选用L70X6，斜材选用L50X4，耗钢量为3481kg，两种横担钢材消耗量相差189kg。

3.3 门型电杆的内力计算

由于该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电杆的内力，见文献[3]。计算出RPC电杆在各种工况下的荷载及内力，比较计算结果得出，正常情况下电杆的内力受最大风速条件控制，得到第一种横担方案电杆在根部承受的最大弯矩为442.3kN·m，第二种横担方案电杆在根部承受的最大弯矩为458.9kN·m，荷载分布如图4所示；事故情况下电杆的内力受断边导线条件控制，得到第一种横担方案电杆承受的最大弯矩为74.8kN·m，第二种横担方案电杆承受的最大弯矩为43.58kN·m，荷载分布如图5所示。通过以上可知，电杆设计由正常使用情况下的最大风条件控制。

（a）第Ⅰ种运行情况，（b）第Ⅱ种运行情况，

（c）断左导线情况，（d）断中导线情况，

（e）避雷线不平衡张力，（f）安装情况

3.4 门型电杆截面及配筋

通过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39.5m（29.5m），内径（d）为300mm，外径（D）为400mm，即内外壁半径分别为r1=150mm，r2=200mm，预应力及非预应力钢筋所在圆周的半径rp、rs为175mm。

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=1356.5mm2，fp=1000MPa，fp=400MPa；非预应力筋初步选用：n=12根直径为16的IV级冷拉钢筋，As=2411.5mm2 ，fy=700 MPa，fy=400 MPa。预应力钢筋和非预应力钢筋相间布置。

3.5 门型电杆的承载力及正常使用验算

3.5.1 电杆正截面受弯承载力验算

500kVRPC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[4-5]。

部分预应力活性粉末混凝土电杆正截面受弯承载力计算如下：

式中，Mp1为第一种横担方案中电杆弯矩设计值，单位为kN.m；Mp2为第二种横担方案中电杆弯矩设计值，单位为kN·m；根据以上对门型电杆正截面受弯承载力的计算可知，RPC电杆截面尺寸和配筋状况均满足强度条件，并且后者较前者承载力有很大提高。

3.5.2 电杆抗裂度验算

部分预应力活性粉末混凝土电杆正截面开裂弯矩计算如下：

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δ（1）fmax为第一种横担方案电杆最大裂缝宽度，单位为mm；δ（2）fmax为第二种横担方案电杆最大裂缝宽度，单位为mm。

3.5.3 电杆挠度验算

部分预应力活性粉末混凝土电杆在水平力作用下，杆顶产生的挠曲度为：

以上挠度验算满足要求。

式中ω1为第一种横担方案电杆挠曲度；ω2为第二种横担方案电杆挠曲度。

4 两种横担方案的部分预应RPC电杆经济性能比较

为了对比两种横担方案，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[6]，在同时满足承载能力和正常使用两种极限状态下，得到两种横担的性能特点如表1所示。

表1 两种横担设计方案性能比较

从表1可以看出，第二种三角桁架组合横担方案相比第一种导线横担及地线支架分离式梯形桁架横担方案存在一定的优势，具体如下。

（1）在设计条件相同时，第二种横担虽在耗钢量上有所增加，但是部分预应力活性粉末混凝土电杆的总高度降低10m，能够使电杆在施工过程中容易吊装，同时结构更加稳定合理。

（2）第二种横担方案中的部分预应力活性粉末混凝土门型电杆抗弯承载力远远大于第一种横担方案中电杆抗弯承载力，同时第二种方案中电杆的抗裂能力较大。

（3）经济性能上，第二种方案部分预应力活性粉末混凝土电杆造价比第一种减少了27%，第二种横担方案中钢材用量造价比第一种增加5.4%，但第二种方案电杆的综合造价降低了19.2%，节约工程成本。

5 结语

（1）500kV部分预应力活性粉末混凝土门型电杆采用三角桁架组合横担在结构上更加稳定、合理，除了降低了电杆高度，还使得电杆的抗弯强度大幅度提高；不仅能够满足强度要求，而且具有较大的安全储备，同时部分预应力活性粉末混凝土门型电杆具有良好的耐久性和抗裂性。故此，这种横擔设计方案结合到500kV部分预应力活性粉末混凝土门型电杆中更加有效的提高在送电线路中的应用可行性。

（2）这两种横担方案从经济技术指标方面，在满足设计条件的同时，第二种方案的部分预应力活性粉末混凝土电杆造价比第一种减少了27%，虽然钢材的用量略有增加，但是它的综合造价却大大降低了，而且加快了施工进度，提高了综合效益。因此，采用三角桁架组合横担生产的500kV部分预应力活性粉末混凝土门型电杆，将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。

【参考文献】

[1]郭绍宗.我国500kV预应力电杆的技术经济分析[J].电力建设，1993，8（14）：33-36.

[2]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.

[3]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）：383-386.

[4]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.

[5]中华人民共和国国家经济贸易委会.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.

[6]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.

[责任编辑：张涛]