При проектировании железобетонных опор линий электропередачи приходится решать ряд вопросов, основными из которых являются: 1) выбор и обоснование схемы опоры, 2) определение формы и размеров сечений элементов, 3) выбор марки стали для продольной и поперечной арматуры и вида армирования, 4) выбор марки бетона. Их решение осуществляется во взаимосвязи, а также с учетом технических возможностей заводов, погрузочно-разгрузочных механизмов и транспортных средств.
1. Выбор схемы опоры.
Почти всегда можно наметить несколько вариантов схем опоры, каждая из которых удовлетворяет техническим условиям на проектирование. Для выявления практической и экономической целесообразности отдельных схем производится сравнение вариантов, при котором учитываются все факторы, влияющие на экономический эффект от применения опор, запроектированных по той или иной схеме. .
Выполненное в процессе разработки проекта сравнение вариантов показало, что в качестве промежуточной, наиболее экономичной является схема одностоечной свободностоящей опоры с траверсами из стального проката, получившая широкое применение на линиях электропередачи 35, 110, 150 и 220 кВ. Для линий 35, 110 и 150 кВ такая опора применяется как в одноцепном, так и в двухцепном вариантах (рис. 3-7, 3-8 и 3-9), а на линиях 220 кВ — только в одноцепном варианте. Эти опоры просты в сборке и в монтаже, в то же время размеры и масса используемых для стоек опор железобетонных конических или цилиндрических труб допускают их перевозку но железным дорогам и развозку по трассе линии. Достоинством, способствовавшим массовому применению этих опор на линиях, является простота их закрепления в грунте. Закрепление большей части устанавливаемых на линиях опор достигается установкой стойки опоры в цилиндрический котлован, диаметр которого на 100—150 мм больше диаметра стойки, с последующим заполнением пространства между стенками котлована и стойкой гравийно-песчаной смесью или крупным песком, а в некоторых случаях и тощим бетоном. Образование цилиндрических котлованов осуществляется с помощью буровых машин, эти работы практически выполнимы не только в глинистых, но и в песчаных грунтах.
Рис-. 3-7. Промежуточная одноцепная одностоечная свободностоящая опора 110 кВ для 1 и II района гололедности (РГ)
Рис. 3-8. Промежуточная одноцепная одностоечная свободностоящая опора 110 кВ для III и IV РГ
Такой способ закрепления может быть применен при определенных действующих на опоры нагрузках и физико-механических характеристиках грунтов, служащих основанием закреплений. При значительных нагрузках закрепление опор в грунте этим способом при принятой глубине котлованов может оказаться недостаточным по условию прочности основания и должно быть усилено.
Рис. 3-9. Промежуточная двухцепная одностоечная свободностоящая опора 110 кВ для I и II РГ
В практике строительства линий электропередачи наиболее употребительным является усиление закреплений с помощью ригелей, имеющих форму железобетонных брусьев прямоугольного сечения (рис. 3-10). Ригели закрепляются на стойке опоры с помощью хомутов из полосовой стали. Площадь ригелей зависит от величин действующих нагрузок и характеристик грунта и определяется расчетом (см. гл. 8).
Схема одностоечной свободностоящей опоры наиболее целесообразна для прямых промежуточных опор линий 35—220 кВ, что объясняется характером и величиной действующих на них нагрузок. Прямые промежуточные опоры большую часть времени находятся под воздействием только вертикальных (весовых) нагрузок, которые при отсутствии горизонтальных нагрузок сравнительно слабо нагружают стойку опоры. Горизонтальные нагрузки на прямые промежуточные опоры создаются давлением ветра на провода, тросы, конструкции опоры и по своему характеру являются временными. Кроме того, направление ветра имеет переменный характер, а для целого ряда районов Советского Союза вероятность любого направления примерно одинакова.
Для угловых и концевых опор характерны постоянные по величине и направлению нагрузки, при действии которых проявляется ползучесть бетона, ухудшающая работу железобетонных элементов. При воздействии таких нагрузок происходит увеличение деформаций грунта основания, а следовательно и наклона установленной в грунте стойки во времени.
Условием затухания деформаций опор и оснований во времени при действии нагрузок нормальных режимов является надежное закрытие трещин при действии постоянных нагрузок этих режимов и выполнение закреплений стоек с большим количеством ригелей при большой глубине заделки или в массивных железобетонных фундаментных блоках. Практическая возможность осуществления свободностоящих одностоечных анкерно-угловых опор появилась после организации производства железобетонных стоек увеличенного диаметра (650 мм) и то только для ограниченного числа марок проводов.
Для большинства нагрузок, которые испытывают анкерно-угловые опоры на линиях 35—220 кВ, схема одностоечной свободностоящей железобетонной опоры непригодна. Одним из возможных решений данного вопроса является создание сложных стоек, состоящих из двух, трех или четырех железобетонных труб, связанных по длине жесткими железобетонными диафрагмами-ригелями. Такие стойки работают как жесткие многоярусные рамы, плоские или пространственные в зависимости от числа соединяемых труб, вполне удовлетворительно сопротивляясь как изгибу, так и кручению (рис. 3-11). Эти опоры сложны в изготовлении, требуют бетонирования на линии и поэтому нашли ограниченное применение в некоторых зарубежных странах.
Схемой опор, хорошо воспринимающей и практически исключающей остаточные деформации при действии постоянных нагрузок любой величины, является схема одностоечной анкерно-угловой опоры на оттяжках (рис. 3-12). В этой схеме используется основное качество железобетонных цилиндрических труб — высокая несущая способность (прочность и трещиностойкость) при работе на центральное или внецентренное с небольшими эксцентриситетами сжатие. Схема опоры выбрана так, что железобетонная труба, используемая в качестве стойки, работает главным образом на сжатие, а растягивающие усилия воспринимаются системой стальных оттяжек. Особенностью схемы является применение расщепленных оттяжек, ветви которых закрепляются по концам траверсы. Такие оттяжки воспринимают также действие горизонтальных моментных пар, освобождая стойку от. работы на кручение (см. гл. 4). Конструкция удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к анкерным угловым опорам: обладает жесткостью, прочностью, устойчивостью формы, транспортабельностью, имеет сравнительно простой фундамент и т. д.
Рис. 3-10. Усиление закрепления одностоечных свободностоящих опор с помощью одного (верхнего) ригеля
Рис. 3-11. Анкерная свободностоящая опора со стойкой из двух труб, связанных жесткими ригелями
2. Выбор формы сечения и размеров элементов.
Критерием наиболее целесообразных форм сечений применяемых железобетонных элементов является их экономичность. Нельзя указать универсальную форму сечения, которая была бы целесообразна для железобетонных элементов любого назначения, работающих в разных условиях нагружения. Так, например, стойки железобетонных опор для линий электропередачи разных напряжений изготавливаются различного поперечного сечения. Стойки свободностоящих промежуточных опор линий электропередачи напряжением ниже 35 кВ выполняются, как правило, двутаврового сечения с переменными по длине обоими (или только одним) основными размерами сечения (рис. 3-13). Такая форма сечения определяется значительной разностью действующих на них во взаимно перпендикулярных направлениях нагрузок; кроме того, стойки этих опор подвергаются сравнительно небольшому кручению. В настоящее время нашли применение стойки прямоугольного сечения как более простые в изготовлений.
Стойки одностоечных свободностоящих промежуточных опор 35, 110 и 220 кВ в соответствии с установленными ПУЭ сочетаниями нагрузок должны иметь примерно одинаковую несущую способность во взаимно перпендикулярных плоскостях. При воздействиях нагрузок аварийных режимов стойки могут подвергаться значительному кручению; как известно, недиафрагмированная двутавровая стойка плохо работает на кручение. Поэтому для стоек этих опор более целесообразны конические и цилиндрические железобетонные трубы кольцевого сечения с равномерным распределением продольной арматуры по периметру. Достоинством железобетонных труб является их весьма высокая сопротивляемость кручению.
Расчет и эксперименты показывают, что при прочих равных условиях, железобетонные трубы имеют наибольшую сопротивляемость кручению по сравнению с железобетонными элементами, имеющими другие формы сечения.
При сочетаниях нагрузок, действующих в одной плоскости, прочность и трещиностой кость изгибаемых железобетонных труб для тех же условий ниже, чем двутавровых балок. Однако при сочетаниях нагрузок, направление действия которых может изменяться, более прочной при том же расходе бетона и арматуры будет железобетонная труба.
Железобетонные трубы наиболее устойчивы против механических повреждений во время перевозок и погрузочно-разгрузочных работ, что объясняется отсутствием углов, выступов и т. д., а также против продавливания. Теоретический и экспериментальный анализ, а также многолетняя практика показывают, что на сегодня для опор линий электропередачи в большинстве случаев более выгодно кольцевое сечение железобетонных элементов. Применение стоек других форм сечений для опор 35 кВ и выше объясняется, как правило, конъюнктурными причинами, Для одностоечных свободностоящих промежуточных опор линий напряжением ниже 35 кВ при больших поперечных и небольших продольных нагрузках и крутящих моментах может оказаться целесообразным применение стоек двутаврового или прямоугольного (квадратного) сечений.
3. Выбор марки стали и вида армирования.
Марка арматурной стали назначается с учетом получающегося при ее применении экономического эффекта. Применению новых арматурных сталей предшествует техно-экономический анализ, особенно если это связано с необходимостью переоборудования старых или разработки новых технологических схем заводов железобетонных конструкций. В настоящее время имеются стержневые и проволочные арматурные стали с очень высокими механическими характеристиками.
Площадь продольной арматуры стоек прямых промежуточных опор ВЛ определяется горизонтальными (ветровыми) и вертикальными (весовыми) нагрузками. Часть площади продольной арматуры, обусловленная горизонтальными нагрузками (F а, г), определяется только величиной нагрузок. Часть площади продольной арматуры, обусловленная вертикальными нагрузками (F a, в), зависит как от величины нагрузок, так и от прогиба стойки, а значит и от ее жесткости. При применении обычной арматуры с более высокими механическими характеристиками отношение Fa, в/Fв. г вследствие уменьшения жесткости увеличивается. Для нормируемых [43]. гололедных режимов работы линии, характеризующихся большими весовыми нагрузками, отношение Fa, в/Fa, г достигает значительных величин. В этом случае применение продольной арматуры с более высокими механическими характеристиками в обычных стойках может оказаться нецелесообразным.
При применении арматурных стержневых сталей класса А-Ι и А-ΙΙ из-за сильного насыщения стоек арматурой резко усложняется их бетонирование. Стойки с обычной стержневой арматурой класса А-ΙΙΙ технологичны, но имеют низкие качественные и экономические показатели из-за увеличения влияния вертикальных нагрузок. При применении в стойках ненапрягаемой продольной арматуры из стали класса A-IV ширина раскрытия трещин при действии нормативных нагрузок получается больше допускаемой, а, кроме того, из-за увеличения изгибающего момента от весовых нагрузок, обусловленного уменьшением жесткости, уменьшение расхода арматуры не компенсирует увеличения ее стоимости.
Рис. 3-13. Промежуточная одноцепная свободностоящая опора 35 кВ со стойкой двутаврового сечения
Поэтому применение арматурной стали класса A-IV для стоек целесообразно только при условии ее предварительного напряжения.
Поскольку в стойках со стержневым армированием раскрытие трещин при действии нормативных нагрузок допускается, для них при определенных условиях экономически выгодным оказывается смешанное армирование, при котором ненапрягаемая арматура размещается по эпюре изгибающих моментов, которая для стоек свободностоящих опор имеет примерно треугольный характер. При таком армировании дополнительная экономия арматуры получается за счет уменьшения ее площади к вершине.
Смешанное армирование центрифугированных стоек может оказаться целесообразным и при применении напрягаемой и ненапрягаемой арматуры из стержневой арматурной стали класса А-V. Получающееся при этом недоиспользование ненапрягаемой арматуры компенсируется более высокими по сравнению с учитываемыми в расчете напряжениями в напрягаемой арматуре, возможность образования которых объясняется использованием участка зависимости σa=f(ε), расположенного выше условного предела текучести, поскольку арматурная сталь класса A-V физической площадки текучести не имеет. Такие стойки нуждаются в более тщательной экспериментальной проверке, особенно при относительно большой площади ненапрягаемой арматуры.
Из проволочных арматурных сталей для напряженной арматуры железобетонных стоек опор линий электропередачи могут быть применены высокопрочная арматурная проволока класса Вр-II по ГОСТ 8480—68, семипроволочные арматурные пряди класса П7 по ГОСТ 13840—68 и девятнадцатипроволочные арматурные пряди по ТУ 14-4-22—71. Арматурная проволока класса В-II не нашла применения для стоек опор из-за недостаточного сцепления ее с бетоном.
Арматура из сталей класса Вр-II, П7 и П19 имеет сравнительно высокие и достаточно стабильные механические характеристики, а периодический профиль поверхности обеспечивает хорошее ее сцепление с бетоном. Применение этих сталей дает возможность осуществить полную индустриализацию процесса изготовления арматурного каркаса при производстве труб.
При принятой на заводах технологии производства применение для арматуры высокопрочной арматурной проволоки обеспечивает большую стабильность величины ее натяжения, поскольку абсолютное удлинение каркаса из проволоки (13,6 см) значительно больше удлинения каркаса из стержневой стали (6,0 см), а технология намотки обеспечивает более высокую точность длин проволок, чем точность длин напрягаемых стержней.
К стойкам с продольной арматурой из высокопрочной арматурной проволоки или арматурных прядей предъявляются более высокие требования по трещиностойкости, и, следовательно, обжатие бетона для них должно быть большим. Смешанное армирование, при котором для напрягаемой продольной арматуры применена высокопрочная арматурная проволока, а для ненапрягаемой — стержневая сталь в стойках опор линий электропередачи, не нашло применения, поскольку в этом случае не обеспечивается нормируемая трещиностойкость. Кроме того, при обычно практикуемом поперечном армировании в виде однозаходной односторонней наружной спирали из обыкновенной арматурной проволоки диаметром 4 мм с шагом 50—80 мм имеет место преждевременное разрушение таких стоек из-за выпучивания ненапрягаемых стержней, расположенных в сжатой зоне сечения, сопровождающегося обрывом спирали. Дальнейшее уменьшение шага спирали усложняет процесс бетонирования, а увеличение диаметра спирали — операцию намотки при применении существующих механизмов. Таким образом, использование высокопрочной проволоки в стойках опор оказывается наиболее удовлетворительным, если вся продольная арматура выполняется из высокопрочной проволоки и полностью подвергается предварительному напряжению. При этом имеет место конструктивный перерасход продольной арматуры, так как ее площадь по всей длине стойки одинакова; не соответствует эпюре изгибающих моментов.
Нормальные напряжения в бетоне верхней части конических труб в этом случае достигают значительных величин, вследствие чего повышается их сопротивление кручению. Обжатие бетона напряженной арматурой оказывается достаточным для восприятия крутящих моментов, возникающих в сечениях стоек применяемых опор 110 кВ при обрыве проводов до АС-240 (d=21,6 мм) включительно. При этих условиях поперечная арматура (спираль) по расчету не требуется. Постановка конструктивной спирали с шагом 200 мм вместо получающегося по расчету 50—80 мм в стержневых стойках снижает общий вес арматуры, что в значительной мере компенсирует отмеченный конструктивный перерасход продольной арматуры.
Стойки с продольной арматурой из высокопрочной проволоки воспринимают большие динамические нагрузки, действующие в момент обрыва проводов, которые изгибают и закручивают стойки. Недостатком арматуры из высокопрочной арматурной проволоки класса Вр-II являются сравнительно частые ее обрывы в каркасах, образованных методом непрерывной намотки. Эти обрывы приводят к отбраковке каркасов, поскольку общая длина проволоки для каркасов опор достигает 3000—4000 м и вероятность попадания дефектных участков существенно повышается. Ее применение представляется более целесообразным при образовании каркасов из струнопакетов с холодно- высаженными головками. Такие технологические линии проверены в заводских условиях.
Лучшие результаты при использовании метода непрерывной намотки -получаются при применении для арматуры семипроволочных прядей малых диаметров и главным образом прядей диаметром 6 мм. В этом случае реализуется механизация процесса намотки и в то же время в результате уменьшения числа прядей время намотки сокращается в 2 раза. Опасность обрыва каркаса при натяжении становится незначительной, поскольку вероятность попадания дефектов двух и более проволок одной пряди в одно место очень мала. Изготовление и испытание опытных стоек с продольной арматурой из арматурных прядей диаметром 6 мм прошли удовлетворительно.
Семипроволочные пряди больших диаметров (9, 12, 15) могут быть применены только в виде отдельных мерных прядей. Стойки с прядевой арматурой диаметром 12 и 15 мм отличаются от стоек с проволочной арматурой класса Вр-II только более интенсивным раскрытием трещин, которое проявляется в большей мере в стойках с арматурой диаметром 15 мм. При применении арматуры из прядей диаметром 15 мм затрудняется также ее анкеровка в натяжных устройствах.
Таким образом, для продольной арматуры стоек опор линий электропередачи наиболее целесообразным является применение арматурной стержневой стали класса A-V и семипроволочных, арматурных прядей диаметром 6 и 12 мм.
Применение арматурной проволоки класса Вр-II, которая обуславливает наиболее высокие качественные показатели стоек, без повышения требований к ее качеству не может быть признано правильным.
4. Выбор марки бетона.
Марка бетона назначается с учетом действующих на опору нагрузок, вида армирования, класса арматурной стали, возможностей заводов и других соображений. Из формулы (51) норм [62] следует, что при одном и том же предельном моменте требуемая площадь бетона и арматуры уменьшается с увеличением наружного диаметра сечения стойки. Следовательно, железобетонная труба с большим диаметром и меньшей толщиной стенки более экономична, чем труба с меньшим диаметром и большей толщиной стенки. Практически, однако, минимальная толщина стенки по конструктивным и технологическим условиям для конических труб не может быть назначена меньше 70 и 50 мм со стороны широкого и узкого концов соответственно.
Применение опор на большие нагрузки связано с необходимостью повышения прочности железобетонных стоек. Наибольшая прочность железобетонной стойки (т. е. прочность при предельном армировании) может быть повышена:
*
' ' ' Таблица 3-1
Предельные изгибающие моменты для сравниваемых стоек
Увеличение диаметра трубы связано с изменением оборудования и потому в большинстве случаев нецелесообразно, увеличение толщины стенки неэффективно. Наиболее эффективным является повышение марки бетона.
Область применения конических труб стандартных размеров из бетона марки 200 сильно ограничена из-за низкой их прочности. По этой причине конические и цилиндрические железобетонные трубы, идущие на стойки и траверсы опор, рекомендуется выполнять из тяжелого бетона марки не ниже 300.
Предварительно напряженные трубы с арматурой из сталей с более высокими механическими характеристиками должны выполняться из бетонов более высоких марок. Если, например, продольная арматура выполняется из стали класса A-IV с напряжением такого количества стержней, при котором ширина раскрытия трещин не превосходит нормируемой величины, то создание труб унифицированных размеров для стоек одностоечных свободностоящих опор, рассчитываемых на большие нагрузки (провода больших сечений, III ветровой район), возможно только при условии их выполнения из бетона марки 500. Применение для арматуры высокопрочных арматурных проволок с очень высокими механическими характеристиками связано с дальнейшим повышением марки бетона. В настоящее время заводами-изготовителями железобетонных центрифугированных труб освоено производство стоек из бетона марки, которая при принятом на заводах методе контроля прочности оценивается как марка 500. Проверка прочности бетона испытанием образцов, представляющих собою отрезки труб длиной, равной четырем наружным диаметрам трубы, показала, что фактическая кольцевая (призменная) прочность бетона комлевой части конических труб выше нормируемого значения прочности на сжатие при изгибе бетона марки 500. Тем не менее, дальнейшее повышение прочности бетона целесообразно, поскольку при этом область применения одностоечных свободностоящих опор может быть расширена без изменения поперечных размеров труб.
Для всех железобетонных опор, применяющихся на линиях электропередачи Советского Союза, принято 5 типоразмеров унифицированных железобетонных стоек.
Для опор линий электропередачи напряжением 110 кВ и выше стойки, а для опор линий 500 кВ и траверсы приняты из центрифугированных железобетонных конических или цилиндрических труб. Для опор линий электропередачи 35 кВ приняты стойки квадратного сечения из вибробетона и из центрифугированных труб, а для линий более низкого напряжения — только из вибробетона.
Центрифугированные конические стойки имеют длину 22,6 м, наружный диаметр внизу 560 мм, вверху 334 мм. Эти стойки применяются для промежуточных одноцепных опор ВЛ 35, 110 и 154 кВ.
Для двухцепных опор 110 кВ, а также для одноцепных опор линий 220 и 330 кВ применяются конические стойки длиной 26 м наружным диаметром 650 мм внизу и 410 мм вверху.
На базе цилиндрических стоек длиной 22,2 м диаметром 560 мм разработаны анкерно-угловые опоры 110 кВ, а на базе стоек длиной 26,4 м — промежуточные портальные опоры свободностоящие для линий электропередачи 330 кВ и на оттяжках для линий 500 кВ.
Для опор линий электропередачи 35 кВ применяются вибрированные конические стойки длиной 16,4 м с размерами внизу 380X380 мм и вверху 210X210 мм.
Конические и цилиндрические стойки имеют несколько модификаций армирования. Основные характеристики перечисленных стоек приведены в табл. 3-2.
Таблица 3-2
Размеры применяемых стоек
Примечание. Конические стойки типоразмеров 2 и 3 изготавливаются в одной опалубке.
