高强度混凝土电杆的开发与应用

摘要：电力输配电线路的快速发展，对混凝土电杆产品提出了新的技术要求。本文详细介绍了研制开发高强度环形部分预应力混凝土电杆系列产品的规格形式、设计依据、计算方法和应用实例。

  关键词：混凝土电杆；高强度；大弯矩；部分预应力；开裂检验弯矩。

  0 前言

  随着我国电力工业的高速发展，高强度环形部分预应力混凝土电杆产品的开发和运用显得越来越重要，电压和容量的不断升级和提高，对输配电线路相关产品也提出了更高的技术要求，其中，混凝土电杆产品就是其中之一。

  在架空输配电线路设计中对杆型的选择类型一般分为三种：铁塔、钢管杆和混凝土电杆。就以上三种杆型而言，在线路的直线、转角位置均可选用铁塔；钢管杆一般可用于直线以及转角较小、受力较小的位置；混凝土电杆一般仅用于直线位置。目前，一般在35kV送电线路中，普通混凝土电杆常用规格为13m、15m、18m、21m。近年来，随着国内电力电网容量不断地扩容和加大，以上常规采用的电杆产品规格性能已完全不能适应当今电力架空输配电线路的发展需要，因此开发设计大弯矩、高强度的电杆产品已是放在我们技术人员面前的一个重要研究课题。

  1 开裂检验弯矩比较

  普通电杆产品开裂检验弯矩与高强度大弯矩电杆产品开裂检验弯矩的比较见表1－1。

  从表1－1中可以明显看出, 普通电杆产品的开裂检验弯矩无论从产品的规格和品种已远不能适应当今架空输配电线路的发展需求。例如：21m电杆，其杆高为19.8m，呼称高为14.3m，电杆杆段标准检验弯矩为140kN·m，就对地矩离来说，目前设计中线路对地矩离要求较以前严格，所以在较多的地方14.3m的呼称高已不能满足相关规范的要求。另外140kN·m的杆段标准弯矩使得电杆之间的档距无法拉大，比如在35kV双回路选用LGJ-185/30导线、选用GJ-35地线的线路中，其最大的水平档距为110m，所以势必在整条线路中需要增加电杆的数量，但同时对一般的交叉跨越也带来了相当大的困难。

  2   高强度电杆产品介绍

  2.1   24、27、30m高强度电杆设计举例

  2.1.1   开裂检验弯矩

  24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆产品分为A型、B型两种类型，产品为锥形组装杆（锥度为1:75），其开裂检验弯矩见表1－2：

  2.1.2   电杆梢径的设计

  普通21m电杆采用的是Φ230mm梢径，经过相关理论计算，选用同样锥度和混凝土强度的电杆，其梢径增加一倍，则电杆的抗弯荷载将增大4.8倍。所以在确定了杆段标准弯矩数据后，需对原有的架空输配电线路的设计进行相应的变动，但需要指出的是，在设计电杆梢径时，应同时考虑其它设计因素，因为电杆除了满足功能和结构强度外，还要受生产制造、生产工艺和起吊运输等各方面条件的限制影响，比如电杆需离心成型，过大的梢径需要较大功率的离心机设备及大规格的钢模配套；需要调整产品运输用的起吊设备等等。通过反复设计计算，最终确定了24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆的梢径为Φ270mm为最佳合理点。

  2.1.3  电杆的分段设计

  电杆分段设计的合理性是产品设计的重要环节。显然，从开裂检验弯矩来看，开裂检验弯矩大大提高以后，即满足了大弯矩、高强度的要求，同时在选用24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆在架空送电线路中亦取得了较满意的效果。例如：24m电杆，杆高22.6m，呼称高17.4m，对地距离加大，即扩大了选择该杆型的应用范围，另外由于杆段弯矩的增大，电杆之间的档距也相应加大，同样在选用LGJ-185/30导线、选用GJ-35地线的线路中，若选用A型24m电杆其最大的水平档距为160m,若用B型电杆则可达250m，效果显而易见，

电杆的分段设计不仅需要满足产品结构受力的要求，还必须满足相关国家标准要求，考虑到标准化、规范化、制造和运输等各方面的要求。通过反复设计计算，最终对产品进行了合理的分段，详情见表1－4：

  从表1－4中可以看出，24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆的分段数最多为四段，这主要是考虑到若电杆的杆段数过多，在杆段的组装中需增加组装的工作量和难度，同时过多的杆段接头会影响电杆的结构受力；若电杆的杆段数过少，则会增加杆段的重量，同时由于电杆需要离心成型，这样会增加电杆制造的难度，过长的杆段还会增加运输的难度。另外需要考虑的是直径较小的杆段长度较长，直径较大的杆段长度较短，通过这一规律可以解决个别杆段过重的问题，还有在设计时不仅要考虑生产、组装的通用性，还要考虑产品设计的标准化，所以综合各方面因素，通过多次计算和试验，24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆分段设计确定前三段均为公用段，这样既做到了产品的标准化和规范化，又便于厂家的生产制造，方便产品的组装。

  2.1.4    电杆结构计算

  根据《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 5154-2012）的要求对电杆进行结构计算，24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆的结构计算包括以下几个方面：

  2.1.4.1  预应力损失的计算

  预应力损失有以下四项因素组成：

  a) 张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失；

  b) 混凝土加热养护时张拉钢筋与钢模之间的温差引起的损失；

  c) 预应力钢筋的应力松弛损失；

  d) 混凝土收缩引起的损失。

  2.1.4.2   承载力计算

  2.1.4.3   极限状态裂缝宽度验算

  2.1.5   新材料应用

  2.1.5.1   高强度混凝土的应用

  当提高电杆的抗裂性和抗拉强度必须提高混凝土的强度等级，因此在24、27、30m（A型）高强度环形部分预应力混凝土电杆中采用混凝土强度等级为C60，24、27、30m（B型）高强度环形部分预应力混凝土电杆混凝土强度等级为C70。使原有电杆的普通混凝土变为高强度混凝土，这样即提高了电杆的抗裂性，同时电杆的抗拉弯矩也由普通级升变为高强级。

  2.1.5.2高强钢筋的应用

  在以往21m电杆的设计中，其采用的是常规的HRB335钢筋材料，但是24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆设计采用的是部分预应力、大弯矩、高强度，原有规格的钢筋材料已无法满足产品结构受力要求，当采用高强度混凝土无论是在强度匹配上还是在构造要求上都需要与高强钢筋来相匹配，也就是寻找高强钢筋和高强度混凝土二者之间的最佳合理设计点。通过市场调研和反复试验，在24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆设计中最终采用了高强刻痕钢丝（抗拉强度fpty=1420N/mm2）为预应力钢筋，HRB335热轧螺纹钢为非预应力钢筋，并运用了交叉配筋的结构方式用以提高电杆的强度和抗裂度，符合了产品设计要求，取得了比较理想的效果。

  2.1.6    高强度电杆的研发

  15、18、21、24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆按《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2012)电力标准设计，在经过多次技术方案的修改、试验以及通过了权威部门的检验合格后已批量生产。同时15、18、21、24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆建立了自己的知识产权，申请了相关的发明专利和实用新型专利，另外经中国科学院上海科技查新咨询中心的查新：15、18、21、24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆具有新颖性和广泛性，属于国内领先，达到国际同类产品先进水平。

  3   产品应用实例

  3.1  工程实例:上海振华港机二期项目35kV总降站进线工程

  项目名称：35kV同杆双回路架空线路；

  项目地点：上海长兴岛

  设计条件：

  导线选用JL/LBIA-400/25，安全系数9.0；

  地线选用OPGW-2S1/24B1，安全系数8.5。

  上海振华港机二期项目35kV总降站进线工程中，设计采用了24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆作为中间杆，最大水平档矩为130m。该工程已竣工并投入送电运行（见图1-2），取得了良好的社会效益和经济效益，受到了用户的好评。

4   社会效益

  15、18、21、24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆所产生的社会效益相当明显，它不仅解决了目前电力发展对输电线路电压等级和容量不断升级的需求，同时也填补了大弯矩、高强度混凝土系列电杆产品的空白。

  15、18、21、24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆和铁塔相比，外形简洁优美，和周围环境协调。电杆占地面积少，可以减少施工时的开挖面积，减少堆土，从而达到对周围环境的影响最小的目的。另外电杆可少征地（根据规划部门规定，电杆可不办理征地手续）。不仅可节省大量的宝贵土地资源和昂贵的征地费用，并可节省大量的工程投资，加快电力工程建设的速度。由于该产品具有的独特性能，在抗腐蚀和耐酸雨等方面要大大优于铁塔和钢管，可节省大量的维修工程费用，满足了电力工业高速发展的需求，为电力工业的发展作出了重要贡献。

  5   经济效益

  以下就35kV直线塔（35ZT203）和35kV直线杆（35SDZ-30）进行经济效益比较，见图1-3：

  和35ZT203铁塔相比，选用30m高强度环形部分预应力混凝土电杆作为上海振华港机二期项目35kV总降站进线工程中的中间杆，两者的呼称高相近，但是减少了占地面积（占地面积是铁塔占地面积的14%）。由于采用了混凝土电杆，因此减少了施工现场的组装工作量，缩短了工程施工周期，同时节约了大量的工程造价，据粗略统计计算，采用电杆造价与铁塔造价优势相当明显，见表1－5。

  6   结束语

  由上海电物器材有限公司与上海电力设计院有限公司共同研制开发的15、18、21、24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆系列产品项目已相继通过了上海市经委的产品鉴定，以及国家相关权威机构的项目检测，申请了自主知识产权专利，项目径中国科学院上海科技查新中心查新，获得了较高的评价，产品的适用范围见表1-6。

  高强度环形部分预应力混凝土电杆系列产品的研制开发，解决了高强度钢筋材料在电杆产品中的应用难题和途径，扩大了金属材料的应用范围；高强度混凝土配方的工艺设计，推动了混凝土配方工艺的发展。高强度环形部分预应力混凝土电杆系列产品不仅适应于上海电力的发展和需要，而且对推动长江三角地区乃至国内城乡电网改造具有深远的社会效益和经济效益。项目的研制对生产设备和生产工艺配制的使用和应用提出了新的要求，从而使产品的质量提高到了一个新的层次和水平。

  目前， 15、18、21、24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆已经成功开发，并取得了比较满意的效果，其中，24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆已经荣获了上海市高新技术成果转化项目（A级）和上海市电力公司科学技术进步二等奖。15、18、21、24、27、30m高强度环形部分预应力混凝土电杆是一种大弯矩、高强度的电杆产品，该系列产品在目前的输电线路中已得到广泛应用,受到了用户的好评，并且已经取得了良好的社会效益和经济效益。高强度环形部分预应力混凝土电杆该系列产品项目的成功研制开发，必将为我国电力工业的发展作出重要贡献。