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电气类（输电线路方向） 输电线路杆塔设计课程设计 设计说明书 题目：110KV门型直线电杆设计（直立无叉梁） 班级：2007148120姓名：学号：指导老师：文中 三峡大学电气与新能源学院 年 月目 录一、整理设计用相关数据. （1）气象条件表 （2）杆塔荷载组合情况表 （3）导线LGJ-150/8相关参数表 （4）地线GJ-35相关参数表 （5）绝缘子数据表. （6）线路金具的选配表. （7）电杆结构及材料. （8）地质条件.二、导地线相关参数计算 （1）导线比载的计算. （2）避雷线比载的计算. （3）导线最大弧垂的计算.三、电杆外形尺寸的确定. （1）电杆的总高度. （2）横担的长度.四、荷载计算五、电杆杆柱的强度验算及配筋计算. （1）正常情况的弯矩计算 （2）断线情况时的弯矩计算 （3）安装导线时的强度验算 （4）杆柱弯扭验算. （5）正常情况的裂缝宽度验算 （6）电杆组立时的强度验算六、电杆基础强度校验.七、拉线及附件设计.八、参考文献.九、附图1整理设计用相关数据1.1整理该典型气象区的计算用气象条件参数如下表1表1计算用气象条件最大风速覆冰有风最低气温年均气温最高气温内过电压外过有风外过无风安装有风气温（）-5-5-201040151515-10风速（m/s)25100001510010冰厚（m)0500000001.2杆塔荷载组合情况1.2.1正常运行情况的荷载组合如下表2表2正常情况荷载组合表运行情况一（大风）运行情况二（覆冰）运行情况三（低温）气温（）-5-5-20风速（m/s）25100冰厚（m）0501.2.2直线杆塔断线情况的荷载组合如下表3表3断线情况荷载组合单回线路与双回线路断导线各种回路断地线气温（）-5-5风速（m/s）00冰厚（m）00断线情况断一相或一相分裂导线，地线未断导线未断，有一根地线出现不平衡张力1.2.3安装情况的荷载组合其气象条件为：10m/s、无冰、相应气温。直线型荷载组合有：1）提升导线、地线及其附件时发生的荷载 2）导线及地线锚线作业时，导线及地线的锚线张力1.3导线LGJ-150/8相关参数，（参考架空线路设计）整理后列下表4表4导线LGJ-150/8参数截面积A(mm2)导线直径d(mm)弹性系数E(MPa)温度膨胀系数(1/C)计算拉断力(N)计算质量(Kg/km)抗拉强度MPa安全系数K许用应力Mpa年均应力上限MPa152.8166600021.210-632860461.4204.32.581.7251.0751.4地线GJ-35相关参数（参考架空线路设计）整理后列下表5表5 地线GJ-35参数截面积A(mm2)导线直径d(mm)弹性系数E(kg/)温度膨胀系数(1/C)公称抗拉强度(Mpa)计算质量(Kg/km)最小破断力KN)37.27.81850811.510-6147027554.631.5导线绝缘子串数据 根据任务书上的相关要求选有7片X4.5绝缘子， 根据参考书4，查得绝缘子串组装图和每组绝缘子串材料表分别如图1和表6 图1绝缘子串组装图表6每组绝缘子串材料表 件号名称质量(kg)数量型号(长度mm)1挂板0.561Z-7（60）2球头挂环0.271QP-7（50）3绝缘子57X-4.5（146）4悬垂线夹2.01CGU-3（102）5预绞丝0.21FYB-150/8绝缘子串长度1012mm绝缘子串重量35.0kg适用导线LGJ-150/81.6地线金具选配数据 根据参考书4，查得金具组装图和每组金具材料表分别如图2和表7 图2送电线路地线悬垂串组装图序号1名 称地 线个 数单 重（kg）长 度（mm）总 重(kg)长 度（mm）U型挂环10.5 802挂环 1 0.55 1003悬垂线夹 1 1.40 82.52.45 262.51.7电杆结构及材料 根据任务书上的要求，电杆的结构为：电杆采用离心法制造，选用顶径270mm，电杆根部埋深为3m，锥度为1/75的拔梢杆，电焊连接。电杆的材料：当壁厚大于35mm时，离心混凝土等级不得低于C40,钢筋宜采用级、级、冷拉级钢筋或冷拔钢丝（参考书5）。所以当选用壁厚为50mm的电杆时，可选用混凝土等级为C40，采用级钢筋。1.8地质条件一般电杆基础为粘性土，选用塑型指标，液性指数，空隙比e=0.8，计算容重。查参考书5可知，土的上拨角，土的计算内摩擦角,土的承载力特征值。其参数列于下表8表8地质参数表参数（kN/）(kN/)数值130.50.8 1725352202导地线相关参数计算2.1导线比载计算2.1.1导线的自重比载2.1.2冰重比载 2.1.3垂直比载 2.1.4水平比载 假设风向垂直于线路方向即，110kV线路。由下式可以得到不同情况下的水平比载。1）外过电压，安装有风：，所以 2）内过电压：， ，所以 3）最大风：，计算强度时， ，所以 计算风偏时，所以 4）覆冰风压比载：，计算强度和计算风偏时候的相同，所以 2.1.5事故比载事故情况：无冰无风，所以其比载为导线的自重比载。2.1.6无冰综合比载 1）外过电压，安装有风，有 2）内过电压，有 3）最大风：计算强度时，有 计算风偏时，有 2.1.7覆冰综合比载 计算强度和计算风偏时大小相等，有 将各种情况气象条件下的比载计算值汇于下表9表9 LGJ-150/8导线的比载(单位:)项目自重覆冰无风无冰综合无冰综合无冰综合用于强度无冰综合用于风偏覆冰综合用于强度数据29.612548.666430.636232.442751.162142.111450.3119备注2.2地线比载同理可得地线在各种情况下的比载，结果如表10表10地线GJ-35（）比载(单位:)项目136.935数据83.997131.76485.40490.899117.4132.3导线的最大弧垂计算2.3.1计算临界档距，并确定控制条件1）计算可能的应力控制气象条件的，并排序 ，如下表11。表11可能的应力控制条件最大风速最厚覆冰最低气温年均气温许用应力（MPa）81.719981.719981.719951.0749比载 0.0503120.0511620.0296120.029612（1/m）0.00061570.00062610.00036240.0005798温度t()-5-5-2010由小到大编号cdab 2）按等高悬点考虑，计算个临界档距为根据临界档距的计算公式： （1）如两种气象条件下架空线许用应力相等，则上式为 （2）由上述两式计算各临界档距为 3）判断有效临界档距，确定控制条件。 将各临界档距值填入有效临界档距判别表12，容易看出m为有效临界档距。实际档距，则年均气温为控制条件。表12有效临界档距判别表可能的控制条件a(最低气温)b(年均气温)c(最大风速)d(最厚覆冰)临界档距（m）1363.82332.3.2计算最大弧垂当档距为270.00m、高差为0时，控制气象条件：年均气温。最大弧垂出现的气象条件为最高温或覆冰无风。根据参考书（架空线路设计教材）中相关确定最大弧垂发生气象条件的方法可得，当控制比载、用应力、t=10时，计算的临界温度t_max,则最大弧垂发生在覆冰无风气状态：，f_max=7.432m求外过电压状态的弧垂，用于档距中央导线与地线的垂直距离计算：f_max= 5.283m 3杆塔外形尺寸的确定3.1电杆呼高计算根据参考书5中相应计算公式： （3）式中 绝缘子串的长度，；最大弧垂， ；导线考虑其对非居民区的高度，则；施工裕度（参考书5，表3-7）。所以电杆的呼高，可取电杆呼高H=15.5m。3.2电杆塔头尺寸3.2.1计算导线支架长度 由于为门型杆，则导线的排列方式为水平排列。单回路导线之间的水平距离由（4）式确定（参考书5）。 （4）根据条件有，考虑一定的裕度可选择导线之间的水平距离，导线支架长度。3.2.2电杆横担长度的确定1）计算外过电压、内过电压、运行电压、带电作业，四种情况绝缘子的风偏角这四种情况在110kV下，带电部分与杆塔构件间的最小间隙分别为：、（参考书3）。绝缘子风偏角的计算公式如下式（5） (5)这四种情况的气象条件为：按运行电压校验间隙，采用最大风速及相应气温；按内过电压和外过电压校验间隙，采用其相应风速和气温；校验带电作业间隙时，应采用风速10m/s及气温15 (参考书3)。绝缘子的水平分压荷载计算式为（参考书5式（2-13） （6） （7）根据（6）、（7）式计算这几种状况下的绝缘子的水平风压，式中，（参考书5），有根据5式计算四种状况的绝缘子风偏角分别为 2）计算导线横担长度根据电杆的横担计算式：（参考书5） （8）按（8）式计算上述四种状况时的横担长度分别为 所以横担的长度可取2m，即.所以最终确定导线支架的长度3.2.2地线支架高度 地线支架高度是指地线金具挂点到上横担导线绝缘子串挂点之间的高度，。计算公式为（5）式（参考书5） （9）根据参考书5，110kV其防雷保护角宜为25， 则可取电杆的保护角=25。由式（参考书5）得出地线与导线间的垂直投影距离， 按（9）式计算地线支架高度，有所以，地线支架的高度可取2.5m 地线之间的水平距离3.3确定电杆高度 电杆的总高度，。电杆的结构布置图如附图1，到此电杆的外形尺寸确定完毕，其总高度为21m；横担长度为2m3.4电气间隙校验 其电气间隙远如附图2所示。4荷载计算4.1计算荷载标准值4.1.1运行情况（1）运行情况：根据表2，其气象条件为：，。 1）地线重力为 24.03 =867.696（N） 2）地线风压为 3）导线重力为 4)导线的风压为 （2）运行情况：根据表2，其气象条件：，。 1）设计冰厚为5mm，覆冰系数取K=1.075，则地线重力为 2）地线风压为 3）导线重力为 4）导线风压 （3）运行情况：根据表2.其气象条件为，t=-20,b=0. 1）地线重力为 2）导线重力为 图3（a）、（b）分别表示运行情况、运行情况荷载图4.1.2断线情况（1）断线情况、，根据表2，气象条件为无冰、无风。 1）地线重力: 2）导线重力。 未断导线相: 断导线相为 3）断线张力。LGJ-150/8型导线的计算拉断力。 导线最大使用张力为 导线最大使用张力百分比值为35%，则 地线的支持力：,。 图3（c）、（d）为断导线荷载图。 （3）断地线情况：断地线荷载组合为无冰、无风、导线未断。 1）导线重力： 2）地线重力： 3）地线的断线张力。GJ-35的最小破坏力地线最大使用张力为 地线最大使用张力百分比值为20%，则 图3（e）为地线荷载图4.1.3安装情况安装情况：提升导线、地线及其附件时发生的荷载，荷载组合情况从规程查得：，t=-10，b=01）地线重力：2）地线风压： 3）导线重力：4）导线风压: 正在起吊导线时横担的重力（采用装向滑轮掉线方式）为4.1.4杆身风压的计算 根据已知条件：风压高度变化系数取，结构体形系数取，杆塔风荷载调整系数取（参考书5） 1）正常情况大风时 横担处单位长度杆身风压为 电杆接头处单位长度杆身风压为 地面处单位长度杆身风压为 2）安装情况。 横担处单位长度杆身风压为 电杆接头处单位长度杆身风压为 地面处单位长度杆身风压为 4.2荷载设计值计算 计算荷载分别以分项系数和荷载组合系数可由公式（10）计算 （10）（1）运行情况：其永久荷载分项系数,可变荷载组合系数，可变荷载分项系数，有 1）地线重力为 2）地线风压为 3）导线重力为 4)导线的风压为 （2）运行情况：1）地线重力为 2）地线风压为 3）导线重力为 4）导线风压 （3）运行情况： 1）地线重力为 2）导线重力为 图4（a）、（b）分别表示运行情况、运行情况荷载图4.1.2断线情况（1）断线情况、，其永久荷载分项系数,可变荷载组合系数，可变荷载分项系数，有 1）地线重力: 2）导线重力。 未断导线相: 断导线相为 3）断线张力。LGJ-150/8型导线的计算拉断力。 导线最大使用张力为 导线最大使用张力百分比值为35%，则 地线的支持力：,。 图4（c）、（d）为断导线荷载图。 （3）断地线情况：断地线荷载组合为无冰、无风、导线未断。 1）导线重力： 2）地线重力： 3）地线的断线张力。GJ-35的最小破坏力地线最大使用张力为 地线最大使用张力百分比值为20%，则 图4（e）为地线荷载图4.1.3安装情况安装情况：其永久荷载分项系数,可变荷载组合系数，可变荷载分项系数，有1）地线重力：2）地线风压： 3）导线重力：4）导线风压: 正在起吊导线时横担的重力（采用装向滑轮掉线方式）为5电杆杆柱的强度验算及配筋计算5.1计算条件（整理前面的结果）1）线路电压110kv2）导线型号LGJ-150/8,地线型号GJ-353） 设计水平档距270m,垂直档距390m4） 采用固定线夹和固定横担5） 主干采用离心法制造。全长21000mm,按（12mm+9mm）分段,壁厚50mm,主杆采用电焊连接，混泥土采用C40,级钢筋.6）杆塔的呼称高度15.5m7）荷载计算设计值如下表13所示 表13塔头荷载设计值情况气象，荷载及张力正常安装断线覆冰最大风最低温气象条件气温C5-520-10-20冰厚mm50000风速m/s10250100水平荷载(N)导线758.12887.93275.3地线495.51153.6垂直荷载(N)导线41932565.12565.15821.73606.34地线20141041.21041.2760地线张力(N)5098.8断导线残存张力(N)6440.565.2弯矩计算根据锥度1/75，则杆的根径。嵌固点的深度为3000/3=1000mm。计算荷载分别剩以分项系数和荷载组合系数所得有（1）运行情况运行情况（大风）时：,，（2）安装情况下：，5.2.1正常情况的弯矩计算杆头荷载如图4（a）所示，截面0、1、2、3、4、5处分别在地线支架处、导线横担处、连接处、地面处、嵌固点处和杆根处（见图5）。截面（见图5）0、1、2、3、4、5处的弯矩可由下式（）计算得 （）按梯形面积的重心高度计算，Z计算公式为 （12） 按（12）式计算各段风压作用点高度 ）运行情况（大风） 运行情况（大风）的弯矩图示于图6）运行情况（覆冰）因为运行情况的计算方法同，因为非重冰区，故不是控制条件，计算略去。5.2.2断线情况因为断边导线对杆身产生的弯矩比断中导线要大的多（即断边导线起控制作用），故只计算断边导线时杆柱的弯矩。计算门型电杆断线情况各点的弯矩可以根据下式（12）（参考书5） （12）根据参考书5，（表2-11）查得；（表2-4）查得则有。 1）断边导线情况首先计算断导线时的设计荷载。断导线张力为 地线最大支持力为 地线最大支持力为 地线的不平衡张力为 横担处的弯矩根据式（12） 嵌固点处的弯矩为 断边导线时的弯矩图示于图7 2）地线不平衡张力引起的弯矩 因为在嵌固点的弯矩最大，故只计算此点的弯矩为 弯矩示图85.3配筋计算从以上计算可知，主杆弯矩由运行情况（最大风）控制。考虑到主杆分段配筋，参考电杆抵抗弯矩图（参考书5图5-16），初步估算1、2、3、4、5截面的配筋分别为1214、1814、2414、2414、2414现分别验算1点及4点强度。1）上段（）主杆强度验算：，采用C40混凝土，混凝土的抗弯强度；级钢筋，;断面外半径，内半径，则混凝土断面面积断面钢筋为1214，则。据式（13）按受弯构件计算（参考书5（4-8） （13） 2）上段（）主杆强度验算：，采用C40混凝土，混凝土的抗弯强度；级钢筋，;断面外半径，内半径，则混凝土断面面积断面钢筋为2414，则。由此得 5.4安装导线时的强度验算根据导线安装情况时引起的荷载对杆柱进行强度验算，即检查杆柱在安装荷载作用下各处弯矩是否满足配钢筋的抵抗弯矩。安装导线时杆头设计荷载如图4所示。安装导线时各处的弯矩1）安装边导线时 2)安装中间相导线时 安装时产生的最大弯矩，故安全。5.5杆柱弯扭验算 横担内力有断边导线控制，断导线后会对1截面处杆柱产生剪力V和扭矩T1）计算剪力V和扭矩T 式中（参考书5表2-11），则 2）计算截面是否符合要求 其内径：由式参考书5中式（4-27）得 全部拉应力可由混凝土承担，螺旋钢筋可只按构造要求来配置。5.6正常情况的裂缝宽度验算 由5.3节可知嵌固点处配制2414光面级纵向钢筋。采用6级螺旋钢筋，螺距S=100mm。 嵌固点处外半径，内半径，光面钢筋=1， 1）验算裂缝宽度应采用弯矩标准值（即荷载标准引起的弯矩） 2）计算开裂弯矩 3）计算裂缝宽度 满足要求5.7电杆组立时的强度验算 电杆除了要进行各种工作状态下的强度和抗裂计算外，还应根据实际组立起吊方法进行起吊验算。各地的施工单位均有自己的起吊方法和成套经验，下面以单点起吊法进行强度验算。图9起吊图 如图9所示，以横担B点处为起吊点起吊电杆。已知横担B点的集中荷载为横担上部分和绝缘子重量，估计为900N；整个单电杆重30600N（电杆起吊布置如图9所示）。为了方便计算并注意安全，将锥形电杆的自重按等径电杆均匀荷载计算，即每米电杆自重 5.7.1支点反力 设作用O点的支持力为，作用B点的拉力为，则有由，有 5.7.2主杆起吊时各点截面的剪力： 1）O点截面处的剪力为 在OB段内的剪力位零的截面E点距离为 2）B点的剪力为 3）电杆起吊时各O、B、E的弯矩计算为 4）求零矩点的位置 1）OB断：设零矩点的位置距C点的距离为，则 解上面方程得 2）BA断：零距点位置离C点的距离为，同理可得 根据求出的各点弯矩和零弯矩的位置，画出弯矩图，如图9。从弯矩图中可以看出，安装引起的弯矩小于电杆的抵抗弯矩，安全。单杆安全，则门型杆安全。图9以横担B为起吊点剪力、弯矩图6电杆基础强度校验此处采用下压基础，基础型号为DP12-2，适合主径为400mm的杆，计算参考图见附图，基础图，下面进行强度验算计算6.1设计条件 1）工程土质： 一般电杆基础为粘性土，选用塑型指标，液性指数，空隙比e=0.8，计算容重。查参考书5可知，土的上拨角，土的计算内摩擦角,土的承载力特征值。 2）基础作用力： 基础上部结构传至基础的竖向力N N=地盘下压力为
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