Конструкции и расчет опор ЛЭП - Расчет промежуточных одностоечных свободностоящих железобетонных опор

7-7. РАСЧЕТ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ОДНОСТОЕЧНЫХ СВОБОДНОСТОЯЩИХ ОПОР
Промежуточные одностоечные свободностоящие опоры (см. рис. 3-7, 3-9), являющиеся наиболее распространенным видом железобетонных опор, относятся к гибким конструкциям и рассчитываются по деформированной схеме. Основным при расчете этих опор является определение усилий, действующих в сечениях железобетонной стойки: изгибающих и крутящих моментов, перерезывающих и нормальных сил.   
При расчете по деформированной схеме усилия, действующие в сечениях стойки, определяются с учетом деформаций, которые вызываются этими усилиями. В то же время сами эти усилия, как и в статически неопределимых системах, зависят от жесткости стойки, которая, в свою очередь, определяется поперечными размерами сечения, площадью и видом продольной арматуры, а также маркой предусмотренного для нее бетона. Объясняется это тем, что прогиб опоры зависит от жесткости стойки, и, следовательно, если принятая в расчете продольная арматура стойки по полученным из расчета усилиям должна быть изменена, то вместе с ее изменением изменяются и усилия, исходя из которых осуществлено изменение арматуры. Существенное влияние изгиб и отклонение стойки оказывают на величину изгибающих моментов. Влияние изменения формы стойки на крутящие моменты и перерезывающие силы незначительно и при расчетах обычно не учитывается. 
Если после расчета площадь продольной арматуры будет увеличена, то жесткость стойки возрастет и изгибающие моменты в сечениях уменьшатся. Наоборот, если в результате расчета окажется, что значение площади продольной арматуры принято завышенным и ее необходимо уменьшить, то это приведет к снижению жесткости железобетонной стойки, а следовательно, и к увеличению изгибающих моментов, действующих в сечениях стойки. Поэтому при выполнении практических расчетов с целью экономии времени рекомендуется вводить в расчет заниженное значение площади продольной арматуры, например полученное из приближенного расчета по недеформированной схеме. В этом случае повторный расчет после корректировки принятой арматуры по усилиям, полученным из расчета по деформированной схеме, может не производиться: стойка будет иметь дополнительный запас прочности, обусловленный повышением ее жесткости из-за увеличения площади продольной арматуры. Однако, если изгибающие моменты от вертикальных нагрузок велики и площадь арматуры после корректировки возросла значительно, повторный расчет рекомендуется выполнять.
В задачу расчета стойки входит определение усилий, действующих в расчетных сечениях. Усилия от горизонтальных и от вертикальных нагрузок определяются раздельно.

Рис. 7-21. Схема одноконсольной металлической траверсы промежуточной одностоечной свободностоящей железобетонной опоры
Рис. 7-22. Эпюра перерезывающих сил, создаваемых весовыми нагрузками, приложенными к одноконсольной траверсе

Усилия от горизонтальных и вертикальных неуравновешенных нагрузок определяются без учета деформации опоры. Перерезывающие силы создаются в основном горизонтальными нагрузками (давление ветра на провода, тросы и конструкцию опоры). При применении металлических траверс, представляющих собой горизонтальную плоскую ферму, шарнирно прикрепляемую к стойке и удерживаемую в горизонтальном положении наклонной связью — тягой (рис. 7-21), на участке между отметками крепления к стойке тяги и поясов фермы перерезывающая сила создается также вертикальными нагрузками (вес провода gп, гирлянды gг и собственный вес траверсы gтр). Собственный вес траверсы обычно учитывают путем добавления к весу провода и гирлянды половины веса траверсы. В этом случае составляющая пары, которая и определяет величину этой дополнительной перерезывающей силы Q (рис. 7-22) будет равна
(7-101)
Для опор, устанавливаемых в сильно гололедных районах, эта сила может достигать значительных величин и пренебрегать ею нельзя. На участке двухконсольных симметричных траверс (рис. 7-23) перерезывающая сила может возникнуть при разных вертикальных нагрузках на консолях, например в результате обрыва провода или при сбросе (полном или частичном) гололеда с одного провода. При расчете опор сброс гололеда не учитывается, однако площадь поперечной арматуры должна назначаться так, чтобы условие прочности удовлетворялось также при возникновении такой нагрузки при отсутствии остальных. При обрыве провода учитывается вес половины пролета и следовательно

Рис. 7-23. Схема двухконсольной симметричной металлической траверсы промежуточной одностоечной свободностоящей железобетонной опоры

Б. При действии сочетаний нагрузок аварийных режимов перерезывающие силы могут быть определены на основании  тех же рекомендаций, что и для одноцепных опор.
Действующие на стойку изгибающие моменты, как и перерезывающие силы, создаются в основном горизонтальными нагрузками (ветер на провода и трос, ветер на опору, тяжение провода, троса при обрыве). Изгиб стойки вызывает также вертикальные нагрузки, поскольку не все конструкции опор и нормируемые сочетания нагрузок обеспечивают осевую симметрию их приложения, а сами стойки нагруженных опор отклоняются от вертикали за счет собственного изгиба и деформаций грунта
основания. Конструктивная асимметрия характерна для одноцепных одиночных свободностоящих промежуточных опор, схемная — для двухцепных опор с симметричной схемой при обрыве провода, при применении для разных цепей разных марок проводов и в некоторых других случаях. На стойки ниже отметки крепления поясов траверсы действует постоянный изгибающий момент:   
при применении одноконсольных траверс (см. рис. 7-21)

где hi — высота от отметки сечения, для которого определяется момент, до отметки приложения силы S. 
Изгибающие моменты от неуравновешенных вертикальных нагрузок определяются так же, как и для нормальных режимов. Изгибающие моменты от тяжения провода (троса) и от неуравновешенных нагрузок действуют во взаимно перпендикулярных плоскостях и при расчете сечений с двумя осями симметрии должны учитываться раздельно, стойки кольцевого сечения с равномерным распределением арматуры должны рассчитываться на их равнодействующую.

Рис. 7-26. Схемы, поясняющие замену распределенной ветровой нагрузки сосредоточенными горизонтальными силами

Для определения изгибающих моментов, создаваемых вертикальными нагрузками на стрелах прогиба, нужно расчетным путем установить положение и форму оси деформированной  стойки. Ниже даны рекомендации по приближенному расчету, имеющему допущения при учете некоторых нагрузок. Нагрузки от давления ветра на провода и тросы учитываются как горизонтальные сосредоточенные силы, приложенные в точках крепления гирлянд и тросовой подвески.
Вертикальные нагрузки от собственного веса проводов, тросов, гирлянд, а также гололедных покрытий на проводах и тросах при принятой схеме траверс передаются на стойку на отметке крепления тяг; вертикальные нагрузки от собственного веса траверс распределяются примерно поровну между отметками крепления тяг и поясов. Для упрощения расчета отметки приложения вертикальных сил совмещены с отметками крепления поясов траверс. Собственный вес стойки, распределенный по ее длине, заменяется сосредоточенными вертикальными силами, численно равными весам отдельных участков стойки и приложенными посередине высоты принятых участков. Число участков выбирается по числу расчетных сечений, т. е. сечений, для которых определяются усилия. Для упрощения расчетной схемы рекомендуется участки, на которые разбивается стойка, назначать так, чтобы обеспечивалось совпадение отметок приложения весовых нагрузок от траверс и подвешенных к ним проводов и гирлянд и соответствующих участков стойки. Пример такой разбивки для одноцепной и двухцепной опор дан на рис. 7-25. Точность расчета может быть повышена путем увеличения числа участков, удовлетворительный результат получается уже при числе участков, равном шести. После произведенной замены рассматривается невесомая стойка, нагруженная по высоте вертикальными сосредоточенными силами.
Давление ветра на стойку, представляющее собой распределенную по высоте нагрузку, для определения прогибов заменяется горизонтальными сосредоточенными силами, действующими на отметках приложения горизонтальных сосредоточенных сил
от давления ветра на провода и тросы (рис. 7-26). При замене давление ветра на участок стойки, ограниченный отметками приложения горизонтальных сосредоточенных сил, распределяется поровну между этими отметками. При этом суммарные горизонтальные сосредоточенные силы на соответствующих отметках, принятые при определении прогибов стоек опор, определяются по формулам:    
а) для одноцепных опор на отметке крепления троса

Изгибающий момент от вертикальных сил на стрелах прогиба, действующий в сечении стойки, расположенном на уровне грунта, определяется как сумма произведений вертикальных сил на соответствующие стрелы прогиба:
(7-118)

Изгибающие моменты для остальных расчетных сечений, расположенных на отметках приложения вертикальных сил, определяются как и для опорного сечения, но за моментные плечи принимается разность стрел на отметке действия вертикальной силы и на отметке сечения, для которого определяется изгибающий момент. Входящие в формулу (7-118) стрелы fi представляют собой горизонтальные перемещения соответствующих точек оси стойки, обусловленные как изгибом самой стойки, так и отклонением ее за счет поворота подземной части в грунте при действии всех сил, горизонтальных и вертикальных. Составляющие полных стрел, обусловленные изгибом стоек при действии горизонтальных сосредоточенных сил, определяются по формулам (7-68) и (7-79). При этом, если продольная арматура стойки не имеет предварительного напряжения, то во всех случаях используется формула (7-79). При предварительном напряжении всей или части продольной арматуры выбор формулы для определения прогибов стойки зависит от величины действующих нагрузок. Если нагрузки не вызывают появления трещин, то используется формула (7-68). Если же действующие нагрузки имеют большие значения, чем нагрузки, при которых происходит образование трещин, то деформации железобетонной стойки определяются как сумма деформаций до и после появления трещин. В этом случае определяется коэффициент, характеризующий относительную трещиностойкость стойки по опорному сечению ξ=Мт/Моп, где Мт — изгибающий момент, при котором происходит образование трещин в опорном сечении;
Моп — изгибающий момент в опорном сечении, создаваемый горизонтальными и вертикальными неуравновешенными нормативными или расчетными нагрузками в зависимости от того, какое предельное состояние проверяется.
Этот коэффициент принимается за относительную величину горизонтальных сил, при которых происходит образование трещин.

В первой скобке значения горизонтальных сил и стрел прогиба соответствуют первой стадии работы стойки, во второй —  второй стадии.    
При определении отклонения стойки за счет деформаций, грунта основания за центр поворота рекомендуется принимать точку оси стойки, отстоящую от поверхности грунта в сторону подошвы на расстояние, равное 2/3, где h — длина заглубляемой части стойки. При расчете опор, имеющих массовое применение (типовые и унифицированные) угол поворота стойки в грунте при действии нормативных значений горизонтальных и вертикальных неуравновешенных нагрузок принимается равным 0,01 рад, а при действии расчетных их значений — 0,015 рад. Если проверяются несколько нормальных схем, то указанные величины угла поворота вводятся только для одной схемы, нагрузки которой создают наибольший изгибающий момент1 на отметке поверхности грунта. Для остальных схем угол поворота определяется путем умножения на коэффициент, равный отношению Моп/(Мοп)макс, где Мοп — опорный изгибающий момент рассматриваемой схемы; (Мοп)макс — максимальный изгибающий момент в опорном сечении для схем нормальных режимов.
Полные стрелы, создаваемые действием горизонтальных сосредоточенных сил, определятся как сумма горизонтальных перемещений точек оси, соответствующих отметкам расчетных сечений, обусловленных отклонением стойки за счет деформаций грунта основания и изгибом стойки.
Учет увеличения стрел прогиба за счет действия вертикальных (весовых) нагрузок осуществляется по формуле:

Для расчета основания этот момент является опрокидывающим.

Полные единичные стрелы прогиба для произвольной отметки рекомендуется определять по формуле:
(7-124)
Здесь—прогибы стойки на произвольной отметке при действии горизонтальной силы Рi=1 соответственно на I и II стадиях работы стойки.
По полученным величинам изгибающих и крутящих моментов и поперечных сил производится расчет сечений стойки, и, если полученные при этом площадь продольной арматуры или толщина стенки существенно отличаются от принятых при расчете, последний повторяется уже при новых параметрах сечений.
Площадь продольной арматуры нижней половины стойки обычно определяется величиной изгибающих моментов, создаваемых действием сочетаний, нагрузок нормальных режимов, площадь продольной арматуры верхней части стойки — величиной изгибающего и крутящего моментов при действии сочетаний нагрузок аварийных режимов, возникающих при обрыве провода. Площадь поперечной арматуры, выполняемой в виде односторонней однозаходной спирали на участке стойки, расположенном выше отметки уровня грунта, определяется совместным действием крутящего момента и перерезывающей силы также при действии сочетаний нагрузок аварийного режима, обусловленного обрывом провода. При установленных на сегодня нормами сочетаниях нагрузок диаметр и шаг спирали для надземной части стойки определяется в основном крутящим моментом: влияние перерезывающих сил сравнительно невелико. На участке подземной части стойки, являющейся фундаментом опоры (при наличии ригелей частью фундамента), площадь спирали, как правило, определяется перерезывающими силами, которое здесь сравнительно велики. Осевые силы при проверке сечений стойки по прочности обычно не учитываются. В формуле (7-121) f1∑ — полный прогиб вершины стойки при действии единичной горизонтальной силы, приложенной на отметке вершины.

(7-123)
f11 — прогиб стойки на отметке приложения силы Р1=1 при работе стойки до образования трещин; f12 — то же при работе стойки после образования трещин; fi — прогиб стойки на отметке действия силы Ni от единичной горизонтальной силы, приложенной на отметке, к которой силы приводятся. Рекомендуется за отметку приведения принимать отметку крепления тросовой подвески, т. е. отметку приложения горизонтальной силы P1. Этой же отметкой определяется высота стойки при определении критической силы.