關于水泥桿在架空配電線路中選型問題的探討--電工知識
關于水泥桿在架空配電線路中選型問題的探討--電工知識
摘 要：水泥桿具有制造工藝簡單、立桿方便、經(jīng)濟性好、安全可靠、持久耐用等諸多優(yōu)點，被廣泛應用于10kV及以下架空配電線路中。加工廠按規(guī)范相關要求即可生產(chǎn)出定型的水泥桿；而線路設計時，我們怎樣來合理選用水泥桿呢？本文對水泥桿的選型問題進行探討。
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概述
水泥桿由于具有制造工藝簡單、立桿方便、造價較低、性能可靠、耐久性好等諸多優(yōu)點，被廣泛應用于10kV及以下架空配電線路中。
對于架空配電線路來說，要使單公里造價最優(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，因為桿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一般僅有鐵塔的一半不到。如何把水泥桿恰到好處地應用好，是配電線路設計中值得深入研究的問題。
2 砼桿的標準化 2.1 砼桿的分類
配電線路中常用的水泥桿從外形來分，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)相應遞增，該結(jié)構(gòu)型式充分發(fā)揮了材料力學性能，可到達較好的經(jīng)濟效益；在對強度有較高要求、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)來分，有預應力、半預應力、普通桿三種。預應力桿較普通桿具有抗裂性好、抗彎能力強、材料消耗少等優(yōu)點，在架空配電線路中，宜優(yōu)先選用預應力桿(國網(wǎng)典設是按普通桿設計的；云南電網(wǎng)則主要使用預應力桿)。
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》(以下簡稱：“電桿規(guī)”)按強度等級序列對常用的錐形鋼筋混凝土桿進行了劃分，篩選出最具代表性的水泥桿規(guī)格，供工程在此標準基礎上選用。
對照“電桿規(guī)”，并結(jié)合《云南電網(wǎng)10kV及以下配電線路標準設計V5.0》的近年使用情況，列出云南地區(qū)常用的錐形預應力鋼筋混凝土桿主要使用的規(guī)格如下：
表1 預應力混凝土錐形桿開裂檢驗彎矩（kN.m）
注1：本表所列開裂檢驗彎矩(Mk)為用懸臂式試驗時，取梢端至荷載點距離(L3)為0.25m、在開裂檢驗荷載作用下假定支持點(L1)斷面處的彎矩。電桿實際設計使用時，應根據(jù)工程需要確定梢端至荷載點距離和支持點高度，并按相應計算彎矩進行檢驗；
注2：根據(jù)電桿的埋置方式，其埋置深度應通過計算確定，并采取有效加固措施。
上表中，同一幾何尺度的預應力錐形桿根據(jù)開裂檢驗彎矩的不同劃分為不同的強度等級。按照“電桿規(guī)”生產(chǎn)工藝參數(shù)及力學參數(shù)制造的混凝土桿，經(jīng)蒸汽養(yǎng)護，在混凝土強度達到70%后拆模，然后戶外灑水養(yǎng)護，在齡期達到14 天之后進行力學性能試驗，試驗驗證達標后，最終形成標準規(guī)格的水泥桿桿型。
預應力錐形桿的標準試驗按下圖進行布置（各參數(shù)與表1對應）：
2.3 砼桿的力學性能試驗標準
（1）鋼筋混凝土電桿加荷至表1規(guī)定的開裂檢驗彎矩時：裂縫寬度不應大于0.20mm，錐形桿桿長不小于10m時，桿頂撓度不應大于(L1+L3)/35；桿長等于或大于10m、小于或等于12m時，桿頂撓度不應大于(L1+L3)/32；桿長大于12m、小于或等于18m時，桿頂撓度不應大于(L1+L3)/25。加荷至開裂檢驗彎矩卸荷后，殘余裂縫寬度不應大于0.05mm。
（2）預應力混凝土電桿加荷至表1規(guī)定的開裂檢驗彎矩時：不應出現(xiàn)裂縫，錐形桿桿長小于或等于12m時，桿頂撓度不應大于(L1+L3)/70；桿長大于12m、小于或等于18m時，桿頂撓度不應大于(L1+L3)/50；
（3）加荷至承載力檢驗彎矩(開裂檢驗彎矩的2倍)時，不應出現(xiàn)下列任一種情況:
a)受拉區(qū)混凝土裂縫寬度達到1.5mm或受拉鋼筋被拉斷；
b)受壓區(qū)混凝土破壞；
c)撓度：按懸臂式試驗的錐形桿，桿頂撓度大于(L1+L3)/10。按簡支式試驗的等徑桿: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)出標準的定型水泥桿，而線路設計時，我們怎樣合理選用水泥桿呢？經(jīng)查閱相關資料，有以下幾種理解：
（1）國網(wǎng)典設選用法
在《國網(wǎng)公司配電網(wǎng)工程典型設計10kV架空線路分冊(2016年版)》(第7～10章)中，詳細列出了所用各型桿的技術參數(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，來看一下：
注1：根據(jù)DL/T 5220-2005《10kV及以下架空配電線路設計技術規(guī)程》中第10.0.17條的要求，直線水泥單桿的根部彎矩計算點在水泥桿底部之上的2/3水泥桿埋深處，承力桿根部彎矩計算點在水泥桿埋深處；
注2：附加彎矩:單回路10kV無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%，其中包含橫擔構(gòu)件、爬梯、絕緣子及金具產(chǎn)生的風荷載。無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線垂直荷載，橫擔、絕緣子、金具及水泥桿自重力(估算值)。
結(jié)論：國網(wǎng)典設是依據(jù)根部彎矩標準值來選用水泥桿規(guī)格的，根部彎矩除包括水泥桿、導線、橫擔、絕緣子、金具等的風載、重力、張力荷載外，還包括了附加彎矩。
彎矩驗算式為：
Mx（計入附加彎矩的根部彎矩標準值）≤Mk
Mx：電桿根部彎矩標準值（計入附加彎矩）,kN·m；
Mk：開裂檢驗彎矩值,kN·m。
（2）安全系數(shù)法1
《大彎矩混凝土電桿的設計計算與選擇》一文中，對于電桿允許彎矩驗算式為：
KMx/βu≤Mk 代入數(shù)值，則得：
Mx（計入附加彎矩的根部彎矩標準值）≤0.85Mk
K：鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的強度安全系數(shù)（取2.0）；
Mx：電桿根部彎矩標準值（計入附加彎矩）,kN·m；
βu：電桿承載力綜合檢驗系數(shù)（取1.7）；
Mk：開裂檢驗彎矩值,kN·m。
（3）安全系數(shù)法2
《中低壓配電網(wǎng)規(guī)劃與設計基礎》一書中，關于鋼筋混凝土桿的強度校驗問題的介紹如下：
為保證配電線路安全運行，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算斷線應力，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，這些力一般通過拉線平衡。架空配電線路桿塔的強度計算，一般要求電桿承受的最大彎矩不能超過電桿的允許彎矩，即在最大風速時，作用在桿塔上橫線路方向水平力對電桿造成的力矩不能超過電桿的允許彎矩。
結(jié)論：彎矩驗算式為：
KMa≤[M] 代入數(shù)值，則得：
Ma（地面處彎矩標準值）≤Mk
Ma：電桿在地面處的彎矩標準值（不計附加彎矩），kN·m；
K：電桿強度校驗時安全系數(shù)，一般取2.0，最小不小于1.7；
[M]：電桿承載力檢驗彎矩，取開裂檢驗彎矩的2倍；
Mk：開裂檢驗彎矩值,kN·m。
（4）極限狀態(tài)法
有相關資料曾提出以下驗算式：
Md（計入附加彎矩的地面處彎矩設計值）≤Mk
Md：電桿在地面處的彎矩設計值（計入附加彎矩），kN·m；
Mk：開裂檢驗彎矩值,kN·m。
（5）筆者個人的理解
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)的相關要求：
① 正常使用極限狀態(tài)：這種極限狀態(tài)對應于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(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)。
對于正常使用極限狀態(tài)，應根據(jù)不同的設計要求，采用荷載的標準組合、頻遇組合或準永久組合，并應按下列設計表達式進行設計：
Sd≤C
式中：C—結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用要求的規(guī)定限值，例如變形、裂縫、振幅、加速度、應力等的限值，應按各有關建筑結(jié)構(gòu)設計規(guī)范的規(guī)定采用。
對于荷載標準組合的效應設計值Sd應按下式進行計算:
上式中，荷載效應取標準值，且“電桿規(guī)”中的開裂檢驗彎矩值源自所加荷載標準值與力臂乘積的結(jié)果。理論上，只要實際受到的短期荷載對電桿根部的彎矩值不超過電桿的開裂檢驗彎矩值，電桿的裂縫就不會超限。在水泥桿選型的問題上，筆者更贊同國網(wǎng)典設選用法，即：
彎矩驗算式為：
Mx（計入附加彎矩的根部彎矩標準值）≤Mk
Mx：電桿根部彎矩標準值（計入附加彎矩）,kN·m；
Mk：開裂檢驗彎矩值,kN·m。
② 承載能力極限狀態(tài)：這種極限狀態(tài)對應于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。
對于承載能力極限狀態(tài)，應按荷載效應的基本組合或偶然組合進行荷載(效應)組合，并應采用下列設計表達式進行設計:
γ0Sd≤Rd
式中：γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；
Sd—荷載組合的效應設計值；
Rd—結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設計值。
水泥桿的力學性能試驗中，在滿足①正常使用極限狀態(tài)相關要求情況下，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，在選用水泥桿時，認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計值可用于對水泥桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行計算，拿它與電桿承載力檢驗彎矩比較后進行水泥桿選型，概念上有些混淆。
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砼桿根部彎矩計算
水泥桿根部彎矩主要由三部分荷載產(chǎn)生：
①導線風載；
②電桿、桿上附件及金具風載；
③導線張力的角度荷載(此外，還需加入附加荷載的彎矩)。
（1）導線風載標準值
Wx—垂直于導線及地線方向的水平風荷載標準值，kN。
α—風壓不均勻系數(shù)，根據(jù)設計基準風速，按照下表2的規(guī)定選定。
表2 風壓不均勻系數(shù)α取值表
βc—風荷載調(diào)整系數(shù)，10kV及以下電壓級線路取1.0。
μz—風壓高度變化系數(shù)，一般按B類粗糙度計算，μz=(Z/10)0.32；Z：對地高度，m。
μsc—導線或地線的體型系數(shù)：線徑小于17mm或覆冰時(不論線徑大小)應取μsc=1.2；線徑大于或等于17mm時，μsc取1.1。
d—導線外徑或覆冰時的計算外徑，m。
Lp—桿塔的水平檔距，m。
B1—導線絕緣子串覆冰風載增大系數(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—風向與導線或地線方向之間的夾角，度。
W0—基準風壓標準值=V2/1600，kN/m2。
V—基準高度的風速，m/s。
（2）電桿風載標準值
Ws—電桿風荷載標準值，kN。
μs—構(gòu)件體型系數(shù)，取0.7。
B2—電桿覆冰風載增大系數(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—迎風面構(gòu)件的投影面積計算值，m2。
注：計算桿塔風載的作用點高度時，迎風面梯形形心高度按下式進行計算：
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—桿塔風荷載系數(shù)，一般取1.0。
（3）絕緣子串風載標準值
WI—絕緣子串風荷載標準值，kN。
AI—絕緣子串承受風壓面積計算值，m2。
（4）導線張力的角度荷載標準值
當線路轉(zhuǎn)角時，電桿承受順橫擔向的合力T為：
T＝（T1＋T2）Sinθ
T1、T2—電桿兩側(cè)張力標準值；斷線時，斷線側(cè)張力為0，kN。
θ—線路轉(zhuǎn)角，度。
最后，算出各荷載標準值（包括附加荷載）與相應力臂的乘積后再求和，即可求得水泥桿根部彎矩標準值。
