Конструкции и расчет опор ЛЭП - Методы расчета

Задачей проектирования линий электропередачи является выбор их элементов, в том числе конструкций опор и фундаментов такой прочности, которая обеспечит безаварийную эксплуатацию линий с заданной степенью вероятности. Рассуждая теоретически, можно спроектировать такие конструкции οпор линий электропередачи, которые не будут разрушаться при любых
сочетаниях наиболее сильных ураганных ветров и обрыва проводов. Однако такой способ проектирования привел бы к значительному увеличению расхода материалов на сооружение линии и был бы экономически не обоснованным. Статистические данные показывают, что в СССР аварии опор воздушных линий напряжением 35 кВ и выше происходят сравнительно редко, поэтому нет оснований для увеличения нагрузок, принимаемых в настоящее время при расчетах опор линий электропередачи. С другой стороны, необходимо учитывать, что в различных районах СССР наблюдаются ураганные ветры различной интенсивности и что скорость ветра на различной высоте над поверхностью земли не является постоянной, а увеличивается с высотой. Поэтому при проектировании опор следует учитывать скорость ветра, наблюдаемую в районе прохождения линий с известной повторяемостью, и изменение этой скорости по высоте.
Силы, воздействующие на инженерные сооружения, в том числе на опоры и на их основания, называются нагрузками. Простейшим видом нагрузки является собственный вес, который может быть определен с большой точностью. Нагрузки на опоры, возникающие под действием ветра, могут быть определены со значительно меньшей точностью в зависимости от данных наблюдений за определенный период.
Нагрузки, принимаемые в расчетах опор и их оснований, определяются в соответствии с действующими нормативными положениями (ПУЭ и СНиП).
До середины 60-х годов в СССР расчет стальных опор производился по методу допускаемых напряжений, а расчет железобетонных опор и оснований фундаментов опор из любого материала по методу разрушающих нагрузок, который был принят для расчета всех железобетонных сооружений.
В расчетах по методу допускаемых напряжений принимались установленные для различных случаев и материалов коэффициенты запаса. В расчетах стальных опор допускаемые напряжения определялись путем деления предела текучести стали на коэффициент запаса. Это объясняется тем, что при достижении предела текучести деформации элементов из стали возрастают настолько, что элементы становятся непригодными для дальнейшей эксплуатации.
В расчетах по методу разрушающих нагрузок коэффициент запаса определялся как отношение разрушающего усилия к усилию, возникающему при действии принятых нагрузок.
В настоящее время расчет опор и их оснований производится в СССР по новому методу предельных состояний. Поэтому методы расчета по допускаемым напряжениям и по разрушающим нагрузкам ниже не рассматриваются. Данные о расчетах опор и их оснований по ранее применявшимся методам приводятся в [32].
В расчетах по новому методу учитываются предельные состояния, при достижении которых конструкция перестает удовлетворять предъявляемым к ней требованиям.
Предельные состояния подразделяются на две группы: первая группа предельных состояний определяется потерей конструкцией несущей способности или ее непригодностью к эксплуатации; вторая группа — непригодностью к нормальной эксплуатации.   
К первой группе относятся состояния, полностью исключающие возможность дальнейшей эксплуатации конструкции; при предельных состояниях второй группы эксплуатация возможна, но с некоторыми ограничениями.
Возможность возникновения того или иного предельного состояния зависит от ряда факторов, которые можно подразделить на три группы:    
а)  механические свойства материалов, из которых изготовлена конструкция, или физические характеристики грунта основания;
б) общие условия работы конструкции, условия ее изготовления; 
в)  нагрузки.

Для облегчения понимания и практического использования перечисленных факторов дадим упрощенные пояснения.
Механические свойства материалов, их способность сопротивляться силовым воздействиям определяются нормативным сопротивлением Rн, устанавливаемым нормами проектирования с учетом условий контроля и статистической изменчивости сопротивлений. Нормативное сопротивление может равняться величине контрольной или браковочной характеристики, устанавливаемой соответствующими ГОСТ на материалы. Обеспеченность значений Rн должна быть не менее 0,95. Возможные отклонения сопротивлений материалов и грунтов в неблагоприятную сторону учитываются коэффициентами безопасности, вводимыми в виде делителя к нормативным значениям. Результат деления нормативного сопротивления на коэффициент безопасности называется расчетным сопротивлением материала или грунта R. Эти величины и принимаются в расчетах конструкций и оснований.       
В отдельных случаях для учета степени ответственности и капитальности сооружений, а также при недостаточной изученности работы конструкций вводится дополнительный коэффициент надежности kн. На этот коэффициент следует делить расчетные сопротивления, а в случаях необходимости и другие принимаемые в расчетах величины, например предельные деформации. Численные значения коэффициентов kн устанавливаются соответствующими нормативными документами.
Вторым фактором, определяющим возможность наступления предельного состояния, являются условия работы отдельных элементов. В качестве примера можно указать условия работы сжатых раскосов стальных опор из одиночных уголков, прикрепляемых к поясам одной полкой. Для учета влияния этого фактора в расчеты вводятся коэффициенты условий работы, меньшие единицы; их значения приводятся в гл. 6, 7 и 8.
Третьим фактором, определяющим возможность наступления предельного состояния, является изменчивость нагрузок. Мера их вероятного увеличения называется коэффициентом перегрузки п. В виде примера можно указать, что нагрузки от собственного веса умножают на коэффициент перегрузки п=1,1, так как вероятность превышения собственного веса мала. Перегрузки от гололеда умножают на коэффициент п=2,0, учитывающий возможность значительного превышения этих нагрузок.
Нагрузки, соответствующие условиям эксплуатации конструкции или сооружения, называются нормативными нагрузками.
В расчетах опор и их оснований по первому предельному состоянию принимают так называемые расчетные нагрузки, получаемые путем умножения нормативных нагрузок на коэффициенты перегрузки п. Эти коэффициенты определены в зависимости от вероятности превышения нагрузок различных видов и от состояния линии — так называемого режима.
Согласно ПУЭ и СНиП различают три режима, которые могут иметь место в процессе монтажа и эксплуатации линий: нормальный, аварийный и монтажный.
Нормальным режимом называется работа линии при необорванных проводах и тросах. При работе в этом режиме на опоры и их основания воздействуют постоянные нагрузки от собственного веса опор, изоляторов, проводов и тросов без гололеда. К постоянным нагрузкам относятся также нагрузки от тяжений проводов и тросов при среднегодовой температуре и отсутствии ветра и гололеда, передаваемые на опоры некоторых типов (угловые и концевые, см. ниже). При работе линии в нормальном режиме опоры подвергаются периодически воздействию кратковременных нагрузок от давления ветра на провода, тросы и опоры, а также от веса гололеда на проводах и тросах. К кратковременным относятся также нагрузки от тяжения проводов и тросов сверх их значения при среднегодовой температуре. Работа линий в нормальном режиме происходит в течение большей части времени ее эксплуатации, поэтому принимаемые в нормальном режиме сочетания нагрузок называются основными сочетаниями. В расчетах всех опор по нормальному режиму принимаются расчетные нагрузки без каких-либо понижающих коэффициентов.
Аварийным режимом называется работа линии при обрыве проводов или тросов. Обрывы проводов и тросов должны быть устранены в кратчайшие сроки для восстановления нормального режима работы линии. Продолжительность воздействия нагрузок аварийного режима сравнительно невелика, на некоторых линиях обрывы проводов и тросов не наблюдаются за все время их эксплуатации. Поэтому в расчетах по аварийному режиму расчетные нагрузки от веса гололеда и от тяжения проводов и тросов умножаются на понижающие коэффициенты сочетаний: 0,8 — для промежуточных опор и их фундаментов; 0,9 — для анкерных опор и их фундаментов. Так, например, нормативное тяжение провода при обрыве на промежуточной опоре умножается на коэффициент перегрузки 1,3 (см. табл. 1-3) и коэффициент сочетаний 0,8, т. е. на 1,3·0,8=1,04. Нагрузки от собственного веса умножаются только на коэффициенты перегрузки и не умножаются на коэффициенты сочетаний.
Монтажным режимом называется работа конструкций в условиях монтажа опор, проводов и тросов. Сочетания в этом режиме нагрузок называются дополнительными. Следует отметить, что в монтажном режиме конструкции могут рассчитываться с учетом временного усиления отдельных элементов или конструкции в целом.
Значения коэффициентов перегрузки, принимаемые в расчетах опор и фундаментов линий, приводятся в табл. 1-4.

   Таблица 1-4
Коэффициенты перегрузки в нормальных и аварийных режимах

Примечания. 1. При расчете анкерных болтов коэффициент перегрузки от собственного веса принимается равным 0,9. 2. При расчете опор, фундаментов и оснований в монтажных режимах на все виды нагрузок вводится единый коэффициент перегрузки п=1,1 за исключением нагрузок от веса монтера и монтажных приспособлений, для которых коэффициент перегрузки принимается равным 1,3.

Перейдем к определению нормативных нагрузок.
По направлению действия нагрузки можно подразделить на горизонтальные и вертикальные. Основными нагрузками, определяющими размеры элементов опор и фундаментов линий электропередачи, являются горизонтальные нагрузки, возникающие при воздействиях ураганного ветра или при сочетаниях ветра с гололедом, а также нагрузки, возникающие при обрыве проводов и тросов. В этом отношении опоры линий электропередачи резко отличаются от ряда других инженерных сооружений, размеры которых определяются в основном постоянными нагрузками от собственного веса и полезными технологическими нагрузками, для которых предназначены сооружения. В расчетах опор учитываются нагрузки следующих видов.
А. Горизонтальные:

1. ветровая нагрузка на конструкцию опоры;
2. ветровая нагрузка на провода и тросы;
3. нагрузки от тяжения проводов и тросов.

Б. Вертикальные:

1. собственный вес опоры;
2. вес гирлянд изоляторов (с арматурой);
3.  вес проводов и тросов (без гололеда и с гололедом, см. § 1-6);
4.  монтажные нагрузки (вес монтера с монтажными приспособлениями).