Расчет сочетаний нагрузок на опоры ЛЭП по СП 20.13330.2016 и ПУЭ-7: основные и особые сочетания

МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА СОЧЕТАНИЙ НАГРУЗОК ДЛЯ ОПОР ВЛ 35-500 кВ

1. Суть предельных состояний и необходимость сочетаний нагрузок для опор ЛЭП

При проектировании воздушных линий электропередачи обеспечение надежности и механической прочности строительных конструкций регулируется методом предельных состояний:

• 1-я группа предельных состояний (ПС 1): потеря несущей способности, общая и местная потеря устойчивости стенок стоек, усталостное разрушение, пластический излом элементов опор и фундаментов при экстремальных расчетных нагрузках (коэффициенты надежности γ_f > 1.0);
• 2-я группа предельных состояний (ПС 2): развитие недопустимых перемещений и прогибов вершины опоры, выход стрел провеса за пределы допустимых габаритов по ПУЭ-7 (табл. 2.5.17), раскрытие трещин в железобетонных фундаментах при нормативных эксплуатационных нагрузках (γ_f = 1.0).

Опора ЛЭП находится под одновременным воздействием постоянных (собственный вес конструкций, проводов, изоляторов), длительных и кратковременных (ветер, гололед, температурные перепады) сил. Вероятность одновременного достижения абсолютного исторического максимума ветрового давления и максимальной толщины стенки гололеда ничтожно мала. Поэтому расчет конструкций выполняется по расчетным сочетаниям нагрузок (РСН) с применением понижающих коэффициентов сочетаний ψ, установленных СП 20.13330.2016.

2. Классификация нагрузок на опоры ВЛ по продолжительности действия

В соответствии с требованиями СП 20.13330.2016 и ПУЭ-7 все силовые факторы, действующие на опору ЛЭП, классифицируются на четыре категории:

1. Постоянные нагрузки (P_d):

   • Собственный вес металлоконструкций опоры, траверс, тросостоек и метизов (коэффициент надежности по ГОСТ 27772-2021 для стали γ_f = 1.05);
   • Вес гирлянд изоляторов и сцепной линейной арматуры (γ_f = 1.10);
   • Вес проводов и грозозащитных тросов без гололеда (γ_f = 1.10);
   • Постоянное тяжение проводов и тросов при среднегодовой температуре (для анкерных опор);
   • Давление грунта и грунтовых вод на фундаменты.

2. Длительные нагрузки (P_l):

   • Тяжение проводов и тросов при среднегодовой температуре с учетом ползучести металла;
   • Технологические нагрузки от оборудования связи, муфт ВОЛС (ОКГТ) и высокочастотных заградителей.

3. Кратковременные нагрузки (P_t):

   • Давление ветра на конструкции опоры, провода и грозозащитные тросы (в чистом виде γ_f = 1.4);
   • Вес гололедных отложений на проводах, тросах и стволе опоры (γ_f = 1.8);
   • Ветровое давление при гололеде (на обледенелые провода и стойку);
   • Тяжение проводов при минимальной температуре наружного воздуха или при гололеде с ветром;
   • Температурные климатические воздействия (γ_f = 1.1);
   • Монтажные нагрузки: вес монтеров с инструментом на траверсах (не менее 1.5 кН на точку подвеса) и монтажных приспособлений при натяжке проводов.

4. Особые нагрузки (P_s):

   • Аварийные нагрузки, возникающие при обрыве одного или нескольких фазных проводов либо грозотроса;
   • Сейсмические воздействия интенсивностью 7-9 баллов по СП 14.13330.2018.

3. Виды сочетаний нагрузок по СП 20.13330.2016 и ПУЭ-7

В электросетевом проектировании формируются три группы расчетных сочетаний:

3.1. Основные сочетания нагрузок (нормальный режим работы ВЛ)

Моделируют повседневные и экстремальные эксплуатационные условия при целостности всех фаз и тросов:

где ψ_l,i и ψ_t,i — коэффициенты сочетаний длительных и кратковременных нагрузок:

• Для первой (ведущей) кратковременной нагрузки: ψ_t,1 = 1.0;
• Для второй кратковременной нагрузки: ψ_t,2 = 0.9 (при ветре и гололеде по ПУЭ-7 действуют отраслевые понижающие коэффициенты);
• Для остальных кратковременных нагрузок: ψ_t,i = 0.7.

3.2. Особые сочетания нагрузок (аварийный режим работы ВЛ)

Моделируют работу конструкций при катастрофических ситуациях:

В аварийном режиме по ПУЭ-7 обрыв провода рассматривается при температуре -5°C в сочетании с умеренным ветром (скоростной напор принимается равным 0.25..0.40 · w₀) и гололедом. Для кратковременных нагрузок принимается единый пониженный коэффициент ψ_t = 0.8.

3.3. Монтажные сочетания нагрузок

Проверяются для стадий сборки и подъема опор, а также раскатки и визирования проводов. Учитывают расчетные монтажные усилия от лебедок и падающих стрел с коэффициентом динамичности 1.2..1.3.

Матрица расчетных режимов и коэффициентов сочетаний для опор ВЛ

Параметры строго соответствуют требованиям ПУЭ-7 (пп. 2.5.140 - 2.5.159) и СП 20.13330.2016.

4. Практический пример: сбор основных сочетаний нагрузок на опору МП110-1

Рассмотрим инженерный пример сбора нагрузок у основания ствола свободностоящей многогранной промежуточной опоры МП110-1 высотой 26 м (сталь 09Г2С по ГОСТ 27772-2021) для промежуточного пролета l = 250 м с проводом АС 120/19 (ГОСТ 839-2019) и грозотросом С-50.

Климатические условия площадки:

• Ветровой район III по СП 20.13330 (w₀ = 380 Па);
• Гололедный район III (b_э = 20 мм);
• Вес пролета трех проводов АС 120/19: G_пр = 3 × (0.471 × 250) = 353.3 кг = 3.47 кН;
• Вес стойки МП110-1 с траверсами: G_оп = 3 850 кг = 37.77 кН;
• Вес изоляторов и арматуры: G_из = 1.80 кН.

Сравним два ключевых основных сочетания по 1-й группе предельных состояний (ПС 1):

Инженерные выводы по расчету сочетаний:

1. Определяющим для фундамента и устойчивости ствола ММО в ненаселенной местности III ветрового района является Сочетание 1 (Максимальный ветровой напор): опрокидывающий момент достигает M = 429.1 кН·м при относительно небольшой вертикальной силе N = 45.45 кН.
2. Определяющим для вертикального продавливания свай является Сочетание 2 (Гололед), где вертикальная осевая сила возрастает на 63% (до 74.20 кН) за счет веса ледовой муфты на проводах и стволе.
3. Определяющим для подбора толщины стенки стойки на кручение является Аварийное сочетание, формирующее скручивающий момент M_кр = 44.4 кН·м при обрыве провода на крайней фазе.

5. Особенности моделирования в ПК SCAD++ и Лира-САПР

Современный прочностной расчет опор ВЛ выполняется в программных комплексах конечно-элементного анализа (SCAD Office, Лира-САПР):

1. Нелинейный геометрический расчет (P-Delta эффект): Для гибких стоек ММО перемещение вершины при ветровом воздействии достигает f = 250..450 мм. Вертикальная сила N от собственного веса и гололеда, действуя на смещенную вершину, создает дополнительный изгибающий момент M_доп = N · f, который увеличивает базовый момент на 7-12%. Игнорирование геометрической нелинейности ведет к недопустимой ошибке в пользу опасности.
2. Генерация РСУ (расчетных сочетаний усилий): В свойствах загружений корректно задаются взаимоисключения (например, взаимоисключение ветра слева и ветра справа) и сопутствия (гололедные загружения сопутствуют ветру при гололеде).
3. Проверка местной устойчивости стенок по СП 16.13330.2017: Тонкостенные призматические сечения проверяются на местную потерю устойчивости при совместном действии сжатия и изгиба по формуле предельной условной гибкости стенок λ̄_w.

Регламент выполнения независимого аудита прочностных моделей приведен на странице Экспертиза ЛЭП и проектной документации, а правила подготовки раздела КМ — в материале Проектирование опор ЛЭП.