Механический расчет опор

В данной дипломной работе ведётся расчет наиболее простых деревянных одностоечных опор. Эти же методы применимы при расчете П-образных опор. Более сложные деревянные опоры, а также металлические и железобетонные обычно рассчитывают специалисты по строительной механике.

Таблица 1.3 Коэффициенты перегрузки.

* При расчете в аварийных режимах — 1,3.

Опоры воздушных линий рассчитывают на нагрузки в нормальных и аварийных режимах работы, причем если провода рассчитывают по допустимым напряжениям, то строительные конструкции опор рассчитывают принятым в строительном деле методом предельных состояний. Сущность этого метода состоит в том, что сначала находят обычным способом нормативные нагрузки на опору. Затем умножают их на коэффициенты перегрузки, приведенные ниже, и получают расчетные нагрузки, по которым ведут расчет.

При нормальных режимах работы опоры рассчитывают в предположении, что провода не оборваны и покрыты гололедом или свободны от него. Скорости ветра при этом соответствуют климатическому району.

При аварийном режиме предполагают обрыв одного или нескольких проводов, вследствие чего опора испытывает одностороннее тяжение.

Для промежуточных опор аварийными считают случаи, когда при любом числе проводов на опоре оборван один, дающий наибольший изгибающий момент на опору, — верхний провод и когда оборван один провод, дающий наибольший крутящий момент на опору, — дальше всех расположенный от опоры.

Промежуточные опоры с креплением провода на штыревых изоляторах проволочной вязкой следует рассчитывать на нормативное тяжение одного провода, но не более 1500 Н. Это объясняется тем, что оборвавшийся провод проскальзывает в креплении к изолятору и одностороннее тяжение уменьшается.

Анкерные опоры нормального типа рассчитывают в аварийном режиме на обрыв двух проводов одного пролета при любом числе проводов на опоре. Анкерные опоры облегченного типа рассчитывают на обрыв одного провода при любом числе проводов на опоре.

При пролете больше критического провода покрыты гололедом, температура — 5 °C. При пролете меньше критического гололед отсутствует, температура минимальная. При всех аварийных режимах принимают, что ветер отсутствует.

Рассмотрим порядок расчета одностоечной промежуточной опоры, схема которой приведена на рисунке 1.6.

Рис. 1.6. Схема одностоечной промежуточной опоры с приставкой.

Прежде всего должна быть выбрана длина пролета l. С увеличением пролета уменьшается число опор на километр, но стоимость каждой опоры увеличивается, так как опоры должны быть выше, чтобы выдержать заданный габарит линии h_r. Поэтому обычно при увеличении пролета сначала стоимость километра линии уменьшается, а затем начинает возрастать. Минимальная стоимость линии соответствует оптимальной длине пролета. Следовательно, необходимо рассчитывать большое число вариантов и выбрать наилучший. Так и поступают при разработке типовых проектов воздушных линий, которые составлены для всех сечений проводов и климатических условий. Эти проекты широко применяются при массовом строительстве сельских сетей и дают существенную экономию.

Другое дело, когда сооружаются отдельные линии небольшой длины и отсутствуют типовые проекты либо проекты есть, но отсутствуют бревна нужной длины и диаметра. В этом случае пролет определяют, исходя из наличных материалов.

Пусть задана длина бревна для стойки l_ст и для приставки l_пр. Тогда можно написать равенство (рис. 1.6):

(1.40).

где 1,5 м — длина перекрытия стойки и приставки; Н — высота опоры над землей; h₄= 1,5 … 2,2 м — глубина заложения опоры в грунт.

Габарит линии h_r и максимальная стрела провеса f_max сумме составляют:

(1.41).

где D — расстояние между проводами; b = 0,2 … 0,3 м — расстояние от места крепления верхнего провода до вершины опоры.

Отсюда находим максимальную стрелу провеса, которую можно получить, выполнив опору из данных бревен;

(1.42).

Если принять, что в большинстве случаев f_max имеет место при гололеде без ветра, то она будет иметь место при удельной нагрузке g₃, которая должна быть заранее определена для принятых климатических условий.

Тогда длина пролета линии.

(1.43).

Если для данных условий максимальная стрела провеса будет при наибольшей температуре воздуха, то в формулу (1.43) вместо c нужно подставить g1.

Рис. 1.7. Силы, действующие на одностоечную промежуточную опору с приставкой.

Вернемся к расчету опоры. На нее действуют две горизонтальные силы. Одна из них Р₁ — результат давления ветра на провода, передающегося на опору (рис. 1.7). Нормативное значение этой силы, приложенной в точке с, при отсутствии гололеда для трехпроводной линии составляет;

(1.44).

где g₄— удельная нагрузка от давления ветра на провод, свободный от гололеда, МПа/м; F — сечение провода, мм²; l— пролет линии, м.

Расчетное давление с учетом коэффициента перегрузки:

(1.45).

Нормативное значение давления ветра на провода, покрытые гололедом:

(1.46).

где g₅, — удельная нагрузка от давления ветра на провод, покрытый гололедом, МПа/м.

Расчетное значение в этом случае.

(1.47).

В расчет берется большее значение из полученных по формулам (1.45) и (1.47).

Вторая горизонтальная сила Р₂ — результат давления ветра на опору:

(1.48).

где Р₀ = C_x²/1,6 — удельная нагрузка от давления ветра на опору, Па; C_x = 0.7 — аэродинамический коэффициент; — максимальная скорость ветра, м/с; d_ср— средний диаметр опоры с учетом сбега, м.

Если диаметр столба в отрубе обозначить через d₀, то диаметр столба у основания:

(1.49).

где 0,008 — нормальный сбег, м/м; Н — высота столба, м.

Расчетное значение давления ветра на опору.

(1.50).

Под действием горизонтальных сил опора изгибается. Прогиб опоры показан на рисунке 1.7.

На опору действует также вертикальная сила P₃, которая определяется силой тяжести проводов и слоя гололеда на них. Для трехпроводной линии ее расчетное значение.

(1.51).

где g₃— суммарная удельная нагрузка от собственного веса провода и от веса гололеда, МПа/м.

Кроме того, на опору действует вертикальная сила Р₄, которая равна сумме весов основной стойки G₁ надземной части приставки G₂ и траверсы G₃, если она есть:

(1.52).

После того как найдены силы, приложенные к опоре, определяют напряжения в древесине опоры. В основной стойке наибольшие напряжения создаются в сечении A—A по оси верхнего бандажа, соединяющего основную стойку с приставкой, а в приставке — в месте заделки опоры в землю, то есть в сечении В—В. Это расчетные сечения.

Сечение А—А. Изгибающий момент от давления ветра на провода и опору в сечении A—A.

(1.53).

Здесь сила от давления ветра на стойку высотой h₃ равна Р₂ и приложена на расстоянии от A—A.

Полный изгибающий момент в сечении A—A.

M_A=1.05M₁ (1.54).

где коэффициент 1,05 учитывает моменты от действия вертикальных сил веса проводов и гололеда и собственного веса опоры.

Напряжение в сечении A—A.

(1.55).

где W_A—момент сопротивления в сечении A—А; W_A = 0,95*0,1d³_A; 0,95— коэффициент, учитывающий ослабление сечения стойки притеской ее к приставке; d_A—диаметр опоры в сечении А—А.

Диаметр стойки опоры в сечении A—A.

(1.56).

где d₀ — диаметр стойки в отрубе.

Таблица 1.4 Коэффициент А, характеризующий свойства грунта.

Сечение В—В. Изгибающий момент от давления ветра на провода и опору:

(1.57).

Как и в предыдущем случае, действие вертикальных сил можно учесть, увеличив момент М на 10%. Тогда.

M_B=1,1M₁ (1.58).

Напряжение в сечении В—В

(1.59).

Напряжения _A и _B, полученные по формулам (1.55) и (1.59), не должны превышать допустимые напряжения на изгиб в материале опоры.

Расчетные допустимые напряжения (МПа) при пропитанной древесине сосны принимают следующими;

без гололеда 16.

с гололедом 19.

при аварийном режиме 25.

Допустимые напряжения древесины лиственницы получаются при умножении приведенных выше значений на коэффициент 1,2, а ели — на 0,9.

Модуль упругости вдоль волокон независимо от породы дерева принимается равным 10*10³ МПа для пропитанной древесины.

Если в материале опоры напряжение меньше допустимого, то диаметр стойки или приставки можно уменьшить. Однако для линий напряжением свыше 35 кВ диаметр в верхнем отрубе должен быть не менее 18 см, для линий напряжением 1 … 35 кВ — не менее 16 см, для линий напряжением до 1 кВ — не менее 14 см.

Если напряжение больше допустимого, то следует взять бревно большего диаметра, а при его отсутствии уменьшить длину пролета.

После того как выполнен расчет опоры, следует проверить закрепление ее в грунте. Для ориентировочных расчетов глубины закрепления опор в грунте используют упрощенную формулу. По этой формуле глубина заложения опоры в грунте.

(1.60).

где M_B — изгибающий момент, действующий на опору в месте входа ее в грунт (сечение B—B);_y— коэффициент запаса устойчивости опоры: для промежуточных опор в нормальном режиме _y = 2,5, в аварийном _y = 2,0, для анкерных — соответствен_S2 но 3,0 и 2,5, для угловых, концевых и переходных в обоих режимах _y = 4,5; А — коэффициент, характеризующий свойства грунта (табл. 1.4); b — расчетная ширина опоры, для одиночной опоры b=2d.

В этой главе мы рассмотрели определение механических нагрузок на провода, гибкие нити и механический расчет опор.

Для проектирования воздушных линий находящихся на открытом воздухе, нужно учитывать, помимо основной нагрузки — веса провода и дополнительные нагрузки от давления ветра, веса гололеда, горизонтальные нагрузки от тяжения проводов и тросов, состояние грунта где установлена опора, а также нагрузки действующие на опору.

Сделали вывод, что воздушная линия должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать механические нагрузки. Для надёжной работы проводов, опор и других конструктивных элементов проводят расчёты механической прочности линии, или механический расчёт. Хотя механический расчёт не связан непосредственно с электротехническими вопросами, знание его необходимо каждому электрику, так как без этого нельзя правильно проектировать электрические сети.