普通钢筋混凝土电杆杆塔设计-毕业论文.doc

摘要

本课程设计是设计普通钢筋混凝土电杆。先查有关《规程》得到譬如气象、导线、地线及土壤的有关参数，再用列表法求得临界档距，并判断有效临界档距和控制气象条件；以设计条件为已知状态，查阅相关资料、文献，确定出电杆的外形尺寸，计算出电杆的7种情况下的荷载，最后对所设计的电杆进行强度校验及配筋计算。本课程设计的重点和难点内容是关于电杆7种情况下的荷载的计算，还要利用有关CAD方面的知识进行绘图，这对于我是一个很大的挑战，对我以后的学习与工作都有很好的指导意义。
关键词：混凝土电杆；电杆荷载；强度校验

目录

摘要 I
1 设计条件和相关参数 1
1.1 气象条件 1
1.2 导线和地线的相关参数 1
1.3 绝缘子的相关参数 2
1.4 电杆的相关参数 2
1.5 土的相关参数 2
2 各种气象条件下的比载计算 3
2.1 导线比载的计算 3
2.2 地线比载的计算 4
3 计算临界档距 5
3.1 判断控制气象条件 5
3.2 判断最大弧垂气象 7
4 电杆外形尺寸的确定 9
4.1 电杆的总高度 9
4.2 横担长度的计算 10
4.3 电杆外形尺寸校验 11
5 电杆荷载计算 13
6 电杆杆柱的强度验算及配筋计算 18
6.1 正常情况下电杆弯矩计算 18
6.2 断导线情况 19
6.3 电杆安装时强度验算 21
6.4 杆柱弯矩验算 21
6.5 电杆正常运行的裂缝宽度验算 22
总结 23
参考文献 24

1、设计条件和相关参数
1.1气象条件
表1.1-1：Ⅰ级典型气象区的气象条件
大气温度(℃)
风速(m/s)
覆冰（㎜）
最高温
最低温
覆冰
最大风
安装
雷 电过电压
操作过电压、年均气温
最大风
覆冰
安装
雷电过电压
操作过电压
覆冰厚度
+40
-5
-
+10
0
+15
+20
35
10
10
15
17.5
0

1.2导线和地线的有关参数
表1.2-1：LGJ120/20导线参数

根数/直径 （mm)
计算截面
（mm2）
外径（mm)
直流电阻不大于（Ω/km)
计算拉断力（N）
单位长度质量（kg/km)

铝
钢
铝
钢
总计
15.07
0.2496
41000
466.8
26/2.38
7/1.85
115.67
18.82
134.49
表1.2-2：GJ-35地线参数
型号
计算截面（）
计算直径（mm）
极限强度()
最大拉断力(N)
最小拉断力(N)
重量(kg/km)
GJ-35
37.2
7.8
1176~1372
47000
46000
300
1.3绝缘子相关参数
表1.3-1绝缘子X-4.5参数
型号
主要尺寸（mm）
工频电压KV r.m.s不小于
雷电全波冲击电压KV peak不小于
抗张机械负荷（KN）
重量
（kg）
结构高度H
盘径D
公称爬电距离L
连接形式标记
干闪络
湿闪络
1
min湿耐受
击穿
50%闪络
耐受
例行试验
1h机电试验
机电破坏不小于
X-4.5
146
254
285
16
80
45
40
110
120
100
36
45
60
5.0

1.4电杆的有关参数
主杆顶径为φ270mm，电杆的锥度为1/75，壁厚为50mm。绝缘子串和金具的总重力为324N（3片x-4.5），地线金具重力为90N。杆柱混凝土等级为C30，离心式制造。
1.5土的相关参数
土的状态为粘性土软塑，查《规程》得土的计算容重γs=15kN/m3，计算上拔角α=100，计算内摩擦角β=150，土压力系数m=26kN/m3。

2各种气象条件下的比载计算
2.1导线比载的计算（单位：MPa/m）
（1）自重比载
（MPa）
（2）冰重比载
由于该地区无覆冰，因此冰重比载为。
（3）垂直总比载
=34.014（MPa）
（4）无冰风压比载

①安装有风的情况下，=，，
=8.403（MPa/m）
②在最大风速情况下，=，计算强度时，，
=77.211（MPa/m）
（5）覆冰风压比载：

=，计算强度时，，则由于该地区无覆冰情况，那么b=0，则
=8.403（MPa/m）
（6）无冰综合比载
①外过电压、安装有风，则
（MPa/m）
②最大风速，计算强度时，有
（MPa/m）
（7）覆冰综合比载
（MPa/m）
2.2地线的比载计算
地线的比载计算同导线的比载计算，结算结果如下表
表2.2-1导线和地线荷载计算参数
名称
导线LGJ-120/20
地线GJ-35
截面面积(mm2)
Ad=134.49

外径(mm)
Dd=15.07

比载(MPa/m)
=34.014
=0
=34.014
=8.403
=77.211
=8.403
=35.036
=82.135
=35.036
=83.997
=0
=83.997
=15.442
=132.41
=15.442
=85.404
=156.813
=85.404

3计算临界档距
3.1判断控制气象条件
（1）可能成为控制条件的是最低气温、最大风速、覆冰有风和年均气温，整理该典型气象区四种可能控制条件的有关气象参数，如下表。
表3.1-1：可能控制气象条件有关参数
参数

气象

最低气温

最大风速

覆冰有风

年均气温
气温(℃)
-5
+10
-
+20
风速(m/s)
0
35
10
0
冰厚(mm)
0
0
0
0
（2）计算用气象条件
表3.1-2计算用气象条件
气象

项目
最高气温
最低气温
最大风速
最厚覆冰
内过电压
外过电压
外过有风
安装有风
事故气象
年均气温
气温
+40
-10
+10
-5
+15
+15
+15
0
-10
+15
风速
0
0
30
10
15
15
10
10
0
0
冰厚
0
0
0
5
0
0
0
0
0
0

（3）查规程得导线的有关参数如表。
表3.1-3：LGJ-120/20导线的有关参数
截面积A
(mm2)
导线直径d
(mm)
弹性系数E
(MPa)
温度系数a(1/℃)
计算拉断力Tj
(N)
单位长度质量q
(kg/km)
强度极限σp
(MPa)
安全系数k
许用应力[σo]
(MPa)
年均应力上限[σcp]
(MPa)
134.49
15.07
76000
18.5×10-6
41000
466.8
289.61
2.5
115.84
72.4
最低气温、最大风速、覆冰有风的许用应力为115.84MPa，年均气温的许用应力为72.4MPa。
（4）计算有关比载和比值γ/[σo]，计算结果列于下表。
表3.1-4：比值γ/[σo]计算结果及其排序表
气象条件
最低气温
最厚覆冰
年均气温
最大风速
γ(MPa/m)
34.014×
35.036×
34.014×
82.135×
[σo](MPa)
115.84
115.84
72.4
115.84
γ/[σo](1/m)
0.293×
0.302×
0.469×
0.709×
排序
a
b
c
d
（5）计算有效临界挡距，等高差，所以cosβ=1
利用上式得有效临界档距判别表如下表所示。

表3.1-5有效临界档距判别表
气象条件
a
b
c
d
临界档距(m)
=虚数 =132.5992
=44.1566
=190.75
=67.213
=虚数
-
因为临界档距为190.75m，为67.213m。由气象控制条件可以知道，实际有效临界档距为 =67.213m。我们设代表档距为=70m。
所以当0<<67.213时，控制气象条件为最厚覆冰。
当67.213<时，控制气象条件为年均气温。
3.2判断最大弧垂气象
因为第1气象区没有覆冰情况产生，所以最大弧垂一定出现在最高气温。
（1）由年均许用应力σ=72.40MPa ，设最高温度导线应力为。
由状态方程式

把已知参数代入A、B的公式中：

将A、B代入状态方程得

即最高气温时的导线应力
（2）最大弧垂计算：

最大弧垂为，代入各参数得

4电杆外形尺寸的确定
4.1电杆的总高度
杆塔的总高度与档距、地理条件、电压等级、气候及电气条件等因素有关。杆塔的总高度等于呼称高度加上导线间的垂直距离和避雷线支架高度，对于钢筋混凝土电杆还要加上埋地深度。
4.1.1电杆呼称高度
电杆下横担的下线边缘线到地面垂直距离H称为电杆的呼称高度，由悬垂绝缘子串长度λ、导线最大弧垂fmax、导线到地面及被跨越物安全距离hx及施工裕量Δh组成，即

35kV电杆采用3片X-4.5绝缘子λ=0.438，导线弧垂为2.987m, 电杆按居民区设计偏安全，设计导线到地面垂直距离为7.0m,档距为240m施工裕度为0.7m。
因此，电杆设计呼高H=11.123,选取呼高为13m。
4.1.2导线间的垂直距离
单回线路两相导线水平排列线间距，《规程》规定：导线间的水平线间距，可根据运行经验确定，1000m以下档距计算式为

在覆冰较少地区，《规程》推荐垂直线间距宜采用水平线间距的75%即

计算得Dm=1.797m，Dv=1.348m。设计导线间水平距离为4m，设计导线间垂直距离为3m。
4.1.3地线支架高度
设计35kV线路采用α=250防雷保护角，取地线支架向右侧偏移0.3m,避雷线支架高度为h，则地线对下横担左侧导线防雷保护为控制条件，由防雷条件知

求得 选取避雷线支架高度为3.0m。
综上，电杆设计总高H=3.0+4.0+13+3=23.0m。
4.2 横担长度计算
由以上计算出两相导线水平间距，可选取下横担长度为6m,上下导线垂直间距为4m,上下导线水平偏移距离1.2m,上横担长度为1.8m。电杆草图如下

图4.2 电杆草图

4.3电杆外形尺寸校验
（1）上下导线垂直线间距的校验。由《规程》得最小垂直线间距为3.5m, 小于实际线间距4.0m，合格。
（2）上下导线水平偏移校验。由《规程》规定水平偏移距离为0.5m,小于实际上下导线水平偏移距离1.0 m,合格。
（3）间隙圆校核。Ⅰ级气象区三种气象条件风速：正常运行情况v=35m/s,操作过电压v=17.5m/s,雷电过电压v=15m/s
①　 三种气象条件下绝缘子串风荷载为

因n1=1，n2=3，μs=1.0，Aj=0.03m2，μz=1.1，则
②　 三种气象条件下导线风荷载为

③　 导线重力荷载

④　 三种气象条件下绝缘子的风偏角为

⑤　 《规程》给出的最小空气间隙为：RZ=0.25，RC=0.70，RL=1.00。
根据λ=1.022m和φ、R值，用一定比例制作间隙圆校验图，三种气象条件下间隙校验合格。

图4.2 间隙圆校验图

5电杆荷载计算
（1）运行情况1：直线杆塔第一种荷载组合情况为最大设计风速、无冰、未断线。Ⅰ级气象区，从《规程》中查得：V=35m/s，t=+10℃，b=0。
①　 地线重力为

②　 地线风压为

③　 导线重力为

④　 绝缘子串风荷载：绝缘子串数n1=1，每串绝缘子片数n2=3，单裙一片绝缘子挡 风面积Aj=0.03m2，绝缘子串高度为20m,查表得风压高度变化系数μz=1.25，则

⑤　 导线风压为

（2）运行情况2：因为气象条件是典型气象区Ⅰ区，无覆冰，所以直线杆塔的第二种荷载组合为覆冰、有相应风速、未断线，不存在。
下图（a）为正常运行情况1的荷载图。
（3）断导线情况1、2：断一根导线的荷载组合为无风、无冰。
①　 地线重力：GB=840N
②　 导线重力
未断导线相：
断导线相为

③　 查表得导线计算拉断力为41000N取百分比为35％，导线断线张力：

地线支持力：
下图（b）、（c）为断上、下导线的荷载图。

(a)正常运行情况荷载图 （b）断上导线荷载图

（c）断下导线荷载图
（4）断地线情况：断地线荷载组合情况为无冰、无风、导线未断。
①　 导线重力：GD=1146(N)
②　 地线重力：

③　 地线断线张力。GJ-35最小破坏拉力 TP=47000N
地线最大使用张力为

地线最大使用张力百分比值为20%，则

下图（d）为断地线荷载图。

（d）断底线荷载图

（5）安装情况I（荷载图见图e）：起吊上导线，荷载组合情况为相应风速、无冰。查得，t=,b=0。
①　 地线重力：
②　 地线风压：
③　 导线重力：
④　 导线风压：
挂上导线时，导线越过下横担须向外拉开，存在拉力T1和T2。根据《输电杆塔及基础设计》（陈祥和）可得两个公式为：
……

……‚

由公式和‚可以算出：；所以它们引起的垂直荷载和横向荷载 为：
则

（6）安装情况II（f）：起吊下导线：
地线、导线的重力和风压同安装情况I，正在起吊下导线时下横担处的总重力为

（e）安装情况I荷载图 （f）安装情况II荷载图

（7）杆身风压计算。根据已知条件：风压高度变化系数取μz=1.25，构件体形系数取μs=0.7，电杆风荷载调整系数取βz=1.0 。
正常情况大风时
上横担处单位长度杆身风压为

下横担处单位长度杆身风压为

电杆接头处处单位长度杆身风压为

地面处单位长度杆身风压为

6 电杆杆柱的强度验算及配筋计算
6.1正常情况下电杆弯矩计算
(1)运行情况Ⅰ（大风）电杆荷载如图, 截面0，1，2 ,3，4，5处的弯矩为

图6.1弯矩计算草图
由于给定的荷载为标准值，因此要乘以荷载分项系数，永久荷载分项系数，可变荷载分项系数，结构重要性系数，正常运行情况组合系数。

(2)运行情况Ⅱ（覆冰）
运行情况Ⅱ的计算方法同上，因为为无冰区，故不是控制条件。
6.2断导线情况
(1)断上导线情况
因断上导线对杆身产生的弯矩比断下导线要大得多，即断上导线起着控制作用，故只计算断上导线时杆柱的弯矩。
首先计算断导线时的设计荷载。
①断导线张力为

②地线最大支持力为

③最小支持力为

④地线不平衡力为

⑤横担转动后断线张力为

⑥上横担处弯矩为

⑦嵌固点处的弯矩为

图6.2 断上导线弯矩图
(2) 地线不平衡张力引起的弯矩
因为电杆在嵌固点的的弯矩最大，故只计算电杆嵌固点的弯矩

6.3电杆安装时强度验算
(1)安装上导线时各处弯矩为
(2) 安装下导线时各处的弯矩为
安装时产生的最大弯矩M1=19635.2N.m，M2=42846.1N.m均在抵抗弯矩包络图内，安全。
6.4杆柱弯扭验算
上字型无拉线单杆直线电杆转动横担启动力取2500N，横担长度为3.0m,上导线断线，横担转动时主杆同时承受弯矩、剪力和扭矩的作用，剪力V=2500N，扭矩。电杆壁厚50mm ,C30级混泥土,
则

故螺旋钢筋需按计算配置。

6.5电杆正常运行的裂缝宽度验算
由配筋图的嵌固点出配制24φ14光面Ⅰ级纵向钢筋。采用φ6Ⅰ级螺旋钢筋， 螺距为s=100mm。嵌固点处r2=261mmm，r1=211mm，rs=236mm，Ac=3.14(r22-r12)=3.14(2612-2112)=74104(mm2),As=3696mm2，Ec=30kN/mm2，Es=210kN/mm2。光面钢筋υ=1，ftk=2.0N/mm2。
(1)验算裂缝宽度应采用弯矩标准值（即荷载标准值引起的弯矩）

=1.15×1.0[1.2（840×300+1146×1500）+1.4(1229×20000+2610×17000+2×2610×13000+0.0173×19000×10500)]
=228540753.5（）=228.5（）
===7
=A+(-1)=89019+(7-1)×3696=111195（）
=（+）×=7644760.4（）
=2-0.4=2-0.4×=1.565
(2)计算开裂弯矩.
==1.565×2.0×7644760.4=23928100（）=23.9（）
(3)计算裂缝宽度
==（200+100）××1
=0.16mm
=0.16mm<=0.2mm
故满足要求。

总结
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
通过这次对普通钢筋混泥土电杆设计，本人在多方面都有所提高。能够综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识对实际工程进行设计、计算以及校验，同时提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，并且各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。
作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，本次课程设计中就有要求用 Auto CAD制图，在整个设计过程中都用到了它。用CAD制图方便简洁，易修改，速度快，我的图片设计大部分尺寸都是在CAD上设计出来的，然后将图导入到文档中进行排版。这样，就可以更高效的完成课程设计。
另外，课堂上也有部分知识不太清楚，于是我又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作本次课程设计的第二大收获。
虽然这次课程设计结束了，但我相信这次设计带给我们的严谨的学习态度和一丝不苟的科学作风将会给我们未来的工作和学习打下一个更坚实的基础。

参考文献
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