《输电线路基础》第4章-杆塔受力分析-第四节-杆塔内力计算(精)
输电杆塔计算说明书
关键词:500kV，输电线路设计，金具设计，杆塔结构设计，防雷接地设计
I
东北电力大学毕业设计说明书（论文）
目 录
摘 要......................................................................................................................................................................I 概 述................................................................................................................................................................ - 1 第 1 章 导地线设计..........................................................................................................................................- 3 1.1 导线设计.............................................................................................................................................- 3 1.1.1 导线的比载..............................................................................................................................- 4 1.1.2 导线的机械物理特性..............................................................................................................- 6 1.1.3 确定控制气象..........................................................................................................................- 6 1.1.4 计算临界档距..........................................................................................................................- 7 1.1.5 计算各条件下的应力弧垂......................................................................................................- 7 1.1.6 各种气象条件下的导线的应力弧垂数据............................................................................. - 8 1.1.7 安装曲线计算........................................................................................................................- 10 1.2 地线设计...........................................................................................................................................- 12 1.2.1 地线比载................................................................................................................................- 13 1.2.2 地线机械物理特性................................................................................................................- 15 1.2.3 确定控制气象........................................................................................................................- 15 1.2.4 计算临界档距........................................................................................................................- 15 1.2.5 计算各条件下的应力弧垂....................................................................................................- 16 1.2.6 各种气象条件下的应力弧垂数据....................................................................................... - 17 第 2 章 杆塔定位............................................................................................................................................ - 20 2.1 定位的原则要求...............................................................................................................................- 20 2.2 估计耐张段代表档距.......................................................................................................................- 20 2.3 计算应力...........................................................................................................................................- 20 2.4 计算 K 值.......................................................................................................................................... - 20 2.5 制作 K 值模板.................................................................................................................................. - 21 2.6 用模板排定直线杆塔塔位...............................................................................................................- 21 2.7 在杆塔定位图中定各档距值...........................................................................................................- 22 -
杆塔设计 受力分析
如图8 - 4 (c)所示为八字拉线门型杆受横向 和纵向荷载联合作用，存在以下三种受力情 况。
输电杆塔结构及其基础设计
8.3 拉线电杆主杆挠度和弯矩的计 算
拉线电杆的主杆和拉门塔的主柱实际上是在轴向力 与横向荷载共同作用下工作的，由于横向荷载、主 杆或主柱初弯曲以及轴向压力初偏心的作用，致使 主杆或主柱产生了横向挠度。轴向压力N的作用将 使横向挠度进一步增大，从而使弯矩加大。它们属 于压弯构件（梁-柱）。
输电杆塔结构及其基础设计
输电杆塔结构及其基础设计
8.7.3 拉线应力状态方程式
输电杆塔结构及其基础设计
8.7.4 梁柱单元刚度矩阵
输电杆塔结构及其基础设计
8.7.6 拉线分布荷载计算 拉线通常所受的荷载有
自重荷载、风荷载、覆冰 重力荷载及拉线上的集中 荷载等。 (1)垂直于拉线的分布风荷 载
输电杆塔结构及其基础设计
8.7.1 塔柱总节点刚度矩 阵方程
塔柱的总节点位移有： ①自由位移；②拉线节 点位移；③约束位移。按 照三种位移对总节点力向 量、总节点刚度矩阵进行 分块，得到塔柱总节点刚 度矩阵方程的分块形式如 下
输电杆塔结构及其基础设计
8.7.2 相互作用力转换矩阵Ty和变形协调转 换矩阵T建立
输电杆塔结构及其基础设计
8.4.2 纵向对称荷载作用下的内力计算
如断中导线或0度大风时，杆塔受纵向对称 荷载荷载作用，拉线和主柱的受力按下式计算
输电杆塔结构及其基础设计
8.5 外拉线门型塔考虑门形构架侧 移时的计算
8.5.1 拉门塔的工作特点和简化假设 拉线杆塔结构在横向、垂直荷载作用下，产生一定侧移△后而保
输电杆塔结构及其基础设计
线路理论基础学习指导
《线路理论基础》课程学习指导（2011级，三年制，教学计划）课程名称：线路理论基础课程编号：204BL241课程性质：必修适用专业：高压输配电线路施工运行与维护总学时数： 80学分： 5一、课程性质和任务线路理论基础是高压输配电线路施工运行与维护专业的专业骨干（核心）课程之一，综合性和理论性非常强，主要学习输电线路的基本知识、导线应力弧垂分析、导线安装计算、杆塔受力分析及强度校核、杆塔基础、输电线路的路径选择和杆塔定位等知识。
二、课程教学目标学生通过本课程的学习，能对110KV及以下的输电线路的组成和机械特性有一定实质性的认识；熟悉设计要求，能分析导线，杆塔，基础等的受力特点；能熟练地应用设计成果和进行基本的实用计算，为全面掌握输电线路施工、检修和运行技能打下技术理论基础；学生能运用线路设计的基本方法、理论，按照电力勘测设计企业线路设计流程进行线路初步设计，具体线路初步设计的能力三、课程教学内容和要求第一章输电线路的基本知识1、教学内容（1）输电线路的概述。
（2）架空输电线路导线及导线型号。
（3）避雷线（4）输电线路金具。
（5）线路绝缘子和绝缘子串。
（6）杆塔及杆塔基础。
（7）架空线路的运行环境及要求。
（8）输电线路施工图。
2、重点、难点重点：架空线路的组成元件的作用；导线型号；气象条件三要素。
难点：架空线路的运行环境及要求。
3、教学基本要求（1）掌握：架空线路的组成元件的作用；架空输电线路设计气象条件：气象三要素；导线的机械物理特性查取。
（2）了解：架空线路的分类；输电线路施工图。
第二章导线应力弧垂分析1、教学内容（1）导线的比载。
（2）导线应力的概念。
（3）悬点等高时导线弧垂、线长和应力的关系。
（4）悬点不等高时导线的应力与弧垂。
（5）水平档距和垂直档距。
（6）导线的状态方程。
（7）临界档距。
（8）最大弧垂的计算及判别。
（9）导线应力、弧垂计算步骤。
（10）导线机械特性曲线。
（11）避雷线最大使用应力的确定。
电力线路杆塔荷载计算
例 3 已知某220kV线路耐张自立铁塔，地线采用： 1×7－6.6－1370－A－YB/T5004-2001型，试求该地线 断线张力。 解：查表得破坏拉断力TP ＝33.50kN，安全系数取2.7， 地线最大使用张力百分比值为80%。 地线最大使用张力：
TP 33.50 Tmax 12.41kN KC 2.7
图5
2．绝缘子串风荷载的计算 Pj=n1(n2+1) AJμZ W0 B kN 式中 n1－一相导线所用的绝缘子串数； n2－每串绝缘子的片数,加“１”表示金具受 风 面相当于１片绝缘子； μZ－风压随高度变化系数； AＪ－每片的受风面积，单裙取0.03m2，双裙 取0.04m2； W0 －其本风压标准值， kN/m2。 W0=V2/1600，V基准高度为10m的风速。
α2 T2 T2
T2
α 2
图 3a
图 3b
3. 断线张力荷载 产生纵向水平荷载 （1）直线杆塔： 按《规程》规定了直线杆塔的导线、地线的断线 张力分 别取各自最大使用张力乘以一个百分比值。 TD＝TDmax.X% 式中 TD－断线张力 N TDmax－导、地线最大使用张力， TDmax＝ TP/KC N； TP－导、地线的拉断力，N（查导线手册）；
二、导线、避雷线张力引起的荷载计算
直线型杆塔： （1）正常运行情况 导线、避雷线张力不产生不平衡张力，但当 气象条件发生变化时，或因档距、高差不等引起 荷载改变，从而产生纵向不平衡张力。 （2）事故断线时 在纵向产生断线张力。
转角杆塔： 导线、避雷线会产生张力，分解成横向水平荷载 （称角度荷载）和纵向水平荷载（称不平衡张力） 。
式中γ4、γ5分别为无冰、 覆冰风压比载N/m.mm2 A导、地线截面面积，mm2 LP水平档距，m； α线路转角。
大风作用下输电铁塔受力计算及模态分析
大风作用下输电铁塔受力计算及模态分析摘要:本文在已知工况的情况下，自主进行特高压输电杆塔整体建模以及详细计算外部荷载，并在建立模型的基础上，通过赋材、施加外部荷载和约束等操作对输电杆塔进行静力求解、模态分析与地震谱分析。
在静力求解中，着重对杆塔中的地线支架以及其他部位的危险杆件进行强度校核；在模态分析中，通过读取各阶频率对应的振型，简单剖析杆塔的振型规律，以发现在杆塔建模中存在的问题并加以改进；在地震谱分析中，在合并模态的前提下，主要提取杆塔的前几阶有效频率，并简单分析其振型。
另外，通过利用两种不同的设计规范对同一杆件的不同材料分别进行强度校核，简单分析材料的选取对杆件强度的影响。
关键词：特高压输电杆塔静力求解模态分析1 引言输电塔是一种柔度较大的高耸结构，一般为较高的格构式钢析架塔，作为重要生命线工程的电力设施，输电塔的破坏会导致供电系统的瘫痪，造成严重的后果。
然而输电塔受风载破坏发生倒塔等事故屡有发生。
因此,确保风荷载、振动荷载作用下输电线路的正常工作,己成为电力工程与输电工程一个重要的研究课题。
本文对铁塔在平均风载荷下的受力情况进行分析计算，通过分析计算输电塔在平均风荷载下的位移和受力以及形变情况，对输电塔受风力作用的承载能力进行一定的分析和了解。
2 研究对象及对应荷载计算2.1 研究对象及对应工况本文对5C-ZJ1铁塔进行载荷计算，建模，使用 ansys 软件进行内力分析，模态分析以及动载分析。
该类型杆塔的设计条件、使用条件及杆塔单线图可以通过铁塔设计手册查询。
2.2 荷载计算计算设计工况下的输电塔受力荷载，除了考虑塔身角钢所受的风荷载，还需要考虑导地线、金具自重以及所受风荷载对塔身所施加的力。
计算出各部分受力后，将其加载到仿真模型的各个节点上。
其中，按着计算风荷载公式计算各节点受力情况。
（2-1）3 杆塔仿真模型的建立3.1 有限元建模思想本文采用桁梁混合模型对500KV超高压输电角钢塔500ZJ1进行有限元建模。
杆塔受力分析(2009.09.21)
(2-11)
(2-12)
K=1.15；冰厚b=15mm时，K=1.225；
安装时，垂直荷载还应包括工人、工具和附件质量。
杆塔受力分析与计算
2、电杆荷载计算 （2）导线、避雷线的风荷载W： 无冰时： W1=g4SLh· cosα/2+PJ1 覆冰时： W1=g5SLh· cosα/2+PJ2 式中 α——线路转角0； PJ1——无冰时绝缘子串风压， PJ1=n(v/25)2η，N； n——每串绝缘子个数； η——屏蔽系数，绝缘子串为单串时取1.0，双串 时取1.5； PJ2——覆冰时绝缘子串风压， PJ2=n(v/25)2，N；
杆塔受力分析与计算
2、电杆荷载计算 （5）式中： ψ——试验系数，当主材为单肢构件时取1.1，当主材 为组合构件时，取1.2。 对高杆杆身的风荷载应分段进行计算，以离地面 15m高度为基准，按不同高度分风压高度增大系数K2， K2值取下表所列数值；而导线、避雷线的曲荷载则应 按其平均高度考虑，配电线路架空线的平均高度一般 取10m。
F η 0.1 1.0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 1.0
0.85 0.66 0.50 0.33 0.15 0.15
杆塔受力分析与计算
2、电杆荷载计算 （5）式中： F——杆身构件侧面（或正面）的投影面积，m2，对 于电杆杆身：F=h〔（D1+D2）/2〕，对塔身： F=K1h〔（b1+b2）/2〕； D1、D2——电杆计算风压段的梢径和根径，m,锥度为 1/75锥形杆，D2=D1+h/75； b1、b2——塔身计算风压段内侧面桁架（或正面桁 架）的上宽和下宽，m； K1——铁塔构架的填充系数，窄塔身和塔头一般取 0.2-0.3宽塔身一般取0.15-0.2，但考虑到 节点板挡风面积的影响，应乘以风压增大系 数，则窄塔身取1.2，宽塔身取1.1；
输电线路工程杆塔基础
输电线路工程杆塔基础输电线路杆塔的地下部分的总体统称为基础。
它的作用是用来输电线路的杆塔输电线路基础施工的任务就是按设计进行施工。
普通土坑的开挖前都必须做好复测和分坑工作。
输电线路施工复测是指线路施工前，施工单位对设计部门已测定线路中心线上的各直线桩，杆塔位中心桩及转角塔位桩位置，档距和断面高程进行全面复核测量。
若偏差超过允许范围时，必须查明原因并予以纠正。
其后，根据定位的中心桩位，根据基础类型依照设计图纸规定的尺寸进行坑口放样工作，称次为分坑测量。
通常把这两步工作统称为复测分坑。
分坑，可用经纬仪及皮尺进行分坑。
基础形式可分为以下几种：1．岩石嵌固基础该基础型式适用于覆盖层较浅或无覆盖层的强风化岩石地基，其特点是底板不配筋，基坑全部掏挖。
上拔稳定，具有较强的抗拔承载能力。
需要时，可将主柱的坡度设置与塔腿主材坡度相同，以减小偏心弯矩，还可省去地脚螺栓。
由于该基型充分利用了岩石本身的抗剪强度，混凝土和钢筋的用量都较小，同时减少了基坑土石方量，浇制混凝土不需要模板，施工费用较低。
2．岩石锚杆基础该基型适用于中等风化以上的整体性好的硬质岩。
该基础型式是在岩石中直接钻孔、插入锚杆，然后灌浆，使锚杆与岩石紧密粘结，充分利用了岩石的强度，从而大大降低了基础混凝土和钢材量。
但岩石锚杆基础需逐基鉴定岩石的完整性。
3．掏挖基础该基型分全掏挖和半掏挖两种，适用无地下水的硬塑粘性土地基。
在基坑施工可成型的情况下，开挖基坑时不扰动原状土，避免大开挖后再填土。
基础承受上拔荷载时，原状土的内摩擦角和凝聚力得以充分发挥作用。
这种基础型式也显示了较高的经济效益和环境效益，根据以往工程的统计，由于各线路地质条件的不同等原因，采用全掏挖基础比用阶梯型基础节约钢材和混凝土分别为3～7%和8～20%。
掏挖基础有直柱式和斜插式两种型式。
斜插式掏挖基础将主柱的坡度设置与塔腿主材坡度相同，减小了基础水平力产生的偏心弯矩，还可省去地脚螺栓4．阶梯型基础该基础是传统的基础型式，适用各类地质、各种塔型，其特点是大开挖，采用模板浇制，成型后再回填土，利用土体与混凝土重量抗拔，基础底板刚性抗压，不配钢筋。
输配电线路杆塔基础抗倾覆能力计算方法分析
输配电线路杆塔基础抗倾覆能力计算方法分析输配电线路杆塔基础的抗倾覆能力关系到杆塔的牢固度、稳定性，也影响到杆塔架线功能的發挥。
实际的杆塔基础稳定性受到多种因素的影响，要将多种影响性因素纳入考虑范围。
文章分析了输配电线路杆塔基础抗倾覆能力计算方法。
标签：输配电线路；杆塔基础；抗倾覆能力；计算方法杆塔基础的基本作用就是将杆塔的重力逐渐伸向地下土体，其主体作用力同导线向绝缘子传递力量大致相同。
参照相似的原理，绝缘子应该按照线路的具体特征来选择规格、精心审计，以此来满足各个类型导线的张力。
与此类似，杆塔基础的设计也要确保满足各类载荷，这样才能真正提高杆塔基础的牢固度。
1 输配电线路杆塔基础设计的依据1.1 地质条件输配电线路杆塔基础上设计首先要明确杆塔地基所处地理环境、地质条件、岩土特征、地下水位等，根据这些客观条件来设计杆塔基础。
1.2 载荷特点输配线路杆塔基础需承受多种载荷条件，具体见图1所示。
Z方向存在竖方向的载荷，与此相对应的X/Y则存在水平载荷，其中Z-Y.Z-X 面上也存在倾覆力矩，X-Y平面则存在扭矩。
实际的输电线路杆塔基础设计要考虑到多种变化性因素，例如：不同载荷的变化、载荷频率、分布等。
同时，也要考虑到杆塔基础的型号、大小、质量等因素。
1.3 地基与岩石的承载特征地基自身是否达到标准的承重水平，能承受的载荷大小，重载荷是否将带来破坏面，破坏的深度、程度等。
破坏面的类型不同对应的地基岩土载荷传递模式也有所差异。
1.4 土与岩石的承载特征重点从土体、岩石等的强度、变形特点、空隙水应力等方面出发，以及土体的排水性能等来综合得出杆塔基础的承载特征。
1.5 施工方案实际的杆塔地基施工中所采用的施工方法也至关重要，方法的选择将影响到地基系统的承载能力，所采取的方法不当或者未能正确履行施工程序，都可能影响地基承载力。
2 杆塔基础于土体的抗拔能力2.1 地基受损的主要模式杆塔基础包括多种类型，例如：直轴型基础、直埋式基础、底板型基础等。
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第四章 杆塔受力分析
第四节 杆塔内力计算
杆塔的设计过程，一般是在确定杆型以后，首先根据各种设计 条件下的荷载，分别计算杆塔构件的内力，然后以此为依据选择断 面或配筋(见第五章)，以满足各种设计条件下的强度和稳定要求。 在计算杆塔构件的内力时，均按设计荷载计算． 一、无拉线拔梢单杆 无拉线拔梢单杆一般用作35kV～110kV线路的直线杆，其典型尺 寸如前所示。 无拉线拔梢单杆具有结构简单、施工方便、运行维护简便、占地 面积少、对机耕影响小的特点。主要缺点为抗扭性差，荷载大时杆 顶容易倾斜，故一般用于JL/G1A-200型以下的导线及平地或丘陵地 带较适宜，荷重大的重冰区不宜采用。 1．正常情况计算 由于不打拉线，所以采用深埋式基础以保证电杆基础稳定可靠。 这种杆型的主杆属一端固定，另一端自由的变截面压弯构件，其嵌 固点一般假定在地面下1／3埋深处。如图4-4-1所示。
式中 Mx——任意截面x-x处的总外弯矩(Nm)； K0——断线时对主杆的冲击系数，单导线时取K0=1.1； TD——断线张力(N)； ΔTn——避雷线最小支持力(N)； GB——避雷线重力(N)； ' ——断线相导线重力(N)。 GD
在校验下横担以上主杆各截面强度时，应取断线发生在下导线左 边相，且取避雷线有最大支持力ΔTn，如图4-4-2(c)，这时主杆A点 的最大弯矩为。 2 2 ' h1 h2 2 GB a0 a1 a2 GD M A Tm a2 (4-4-5)
这时对电杆截面x一x处产生的弯矩，除顺线路方向(ΔT和T)引起的 弯矩Mzx外，还有不平衡垂直荷载引起的弯矩Mqx，故截面x—x处总 弯矩为 2 2 M x M zx M qx (4-4-3) 当计算主杆强度时，应按最不利情况考虑。如图4-4-2(b)所示的弯 矩图，在校验下横担以下杆段强度时，取断上导线且有最小避雷线 支持力 2 2 ' M x K 0TD h2 Tn h1 GB a0 GD a1 (4-4-4)
Ph P h P h
B 1
D 2
2PD h3 PB h1 PD h2 2h3
D0 Dx hx 对环形截面构件，风载体 2
Dx——主杆x—x处外径(m)； 2D0 Dx 3t hx hx——计算截面x—x以上主杆高度(m)。 z D D 2 t 3 z——计算截面x—x以上风压合力作用点的高度。按拔稍杆的重心高， 式中 0 x D0是稍径；Dx是根径或任意计算直径；t是混凝土电杆壁厚；h是电杆杆高。 对等径杆取z=hx/2，拔梢 杆取z≈0.45hx，或为安全计也取0.5hx。
因为无拉线杆各截面所受弯矩愈接近嵌固点愈大，嵌固点将产生 最大弯矩，所以无拉线直线杆多采用拔梢杆，且根部配筋量也最大。 由于电杆的柔度(长细比)很大，在计算时，除考虑电杆承受水平 和不平衡垂直荷载所产生的弯矩(称主弯矩外)，还必须考虑由于挠 度和垂直荷载而产生的附加弯矩。此附加弯矩一般为主弯矩的l2 ％～l5％。在工程设计中，均取主弯矩的15％计算．所以单杆任意 截面处的计算弯矩为
图4-4-1无拉线拔梢单杆
在正常运行情况下，水平和不平衡垂直荷载作用在单杆任意截面 处的弯矩为 M Ga Ph P z (4-4-1)
x
x
式中
Ga G a
B 0
GD a1
9.81C 2 Px——计算截面x-x以上主杆杆身风压(N)，并 Px 16 形系数c=0.6；
(4-4-9)
求得电杆截面的扭矩和剪力后，可按第五章第二节讲述的方法选 配螺旋筋。 二、拉线单柱直线杆 拉线单拄直线杆通常由等径杆组成。 110kV及以下线路采用φ300mm等径杆段。 优点：拉线单杆具有经济指标低、材料消耗小、施工方便、基础 浅埋可充分利用杆高等。 缺点：是由于打拉线不便农田机耕，抗扭性差，往往需要转动横 担以降低扭矩，故使用范围受到一定限制。 当导线截面较小，电杆抗扭及抗剪能力满足要求时，可采用固定 横担，否则采用转动横担。但对于检修困难的山区、重冰区以及相 邻两档档距或标高相差很大，使用转动横担容易发生误转动的地方， 不得采用转动横担。
式中 MA——主杆A点的最大弯矩(Nm)； GD——未断相导线重力(N)。
断导线时电杆还受到扭力矩Mn和剪力Q的作用，可分别计算如下 断上导线时 M n K 0Ta1 （4-4-6） 断下导线时 M K Ta (4-4-7)
n 0 2
断线点以上截面的剪力 Q Tm
(4-4-8)
断线点以下截面的剪力 Q K 0TD Tn
图4-4-3拉线单柱直线杆
拉线对地向夹角β的布置，主要由正常情况的荷载和挠度要求控制。 从理论上讲，β越小越好。但由于电气间隙和占地面积限制，通常β 角以不超过60°为宜。 拉线水平夹角α，习惯采用45°。但从正常和事故情况下等强度 原则考虑，α角宜在35°左右，故建议采用40°，这对于发挥拉线 作用和减少正常情况下的挠度都是可取的。 (一)拉线内力及截面选择 拉线在正常情况下的受力为 1.05Rx （4-4-10） T 2 cos cos 断线情况，忽略不平衡垂直荷载影响，拉线受力为 1.05R y T （4-4-11） 2 sin cos
M x 1.15 Ph Ga Px z
(4-4-2)
2．断导线情况计算
由于杆的柔度大，在断线张力作用下，将使杆顶发生位移，致使 一侧避雷线拉紧，另一侧避雷线放松，从而产生避雷线的支持力ΔT， 如图4-4-2所示。
图4-4-2 拔梢单杆断线情况及弯矩图 (a)受力图；(b)断上导线；(c)断下导线
单杆加拉线后(如图4-4-3所示)， 改变了拉线点以下杆段的受力情 况，将杆身所受弯矩转化为压力。 进行强度计 算时，拉线点 以上主杆段可 忽略轴向力的 影响，按纯弯 构件计算；拉 线点以下的主 杆段按压弯构 件计算，如图 4-4-4所示。
A
图4-4-4拉线单杆受力图 (a)拉线点以上；(b)拉线点以下