Каковы требования к грузоподъёмности опор линий электропередачи?

Основные конструктивные нагрузки, действующие на опоры линий электропередачи

Гравитационные нагрузки: вес проводов, арматуры и собственный вес опоры

Гравитационные или постоянные нагрузки на опоры линий электропередачи включают, например, вес проводов, изоляторов, различных крепёжных деталей, а также самой опоры. Эти постоянные направленные вниз силы обычно составляют около 60–70 % от так называемых нормальных эксплуатационных нагрузок, учитываемых инженерами при расчёте таких конструкций. Точное определение фактических масс и физико-механических свойств материалов на этапе первоначального проектирования имеет большое значение, поскольку ошибки на этом этапе могут привести к возникновению проблем в дальнейшем — например, к постепенному изгибу элементов конструкции, осадке фундаментов или более быстрому износу компонентов по сравнению с расчётными сроками. Занижение расчётных значений этих базовых масс создаёт серьёзные проблемы в будущем, особенно когда дополнительно действуют нагрузки, связанные с погодными условиями.

Боковые нагрузки: ветровое давление, динамические порывы ветра и эффекты вихревого срыва

Сильные ветры оказывают значительное боковое давление на башни и их несущие тросы. Внезапные порывы могут вызывать непредвиденные пики давления, а обтекание ветром конструктивных элементов приводит к явлению, называемому срывом вихрей. Этот колебательный процесс заставляет конструкции вибрировать на их собственных резонансных частотах, что со временем приводит к образованию трещин вследствие многократных циклов механического напряжения. Согласно стандартам ASCE 7-22, любая конструкция, возводимая в районах, подверженных сильным ветрам, должна быть рассчитана на условия так называемого «шторма 50-летней давности». Крестообразное раскрепление — это не дополнительная опция, добавленная «на всякий случай»; оно абсолютно необходимо для правильного распределения нагрузок. При отсутствии таких косых связей неконтролируемые ветровые нагрузки будут значительно ускорять износ соединений и в конечном итоге подрывать общую устойчивость конструкции.

Усиление воздействия окружающей среды: накопление льда и нелинейное увеличение связанной с ним нагрузки

Когда лед накапливается на линий электропередач, это превращает регулярные гравитационные силы и давление ветра в серьезные проблемы, которые трудно вычислить. Всего 1 сантиметр льда вокруг проводника добавляет примерно 15 килограммов на метр к его весу, в то время как поверхность, пораженная ветром, увеличивается примерно на 30 процентов. Эта комбинация может в три раза превысить то, что линия должна выдержать механически во время некоторых зимних штормов. Что еще хуже, когда лед формируется неравномерно в разных частях линии. Это создает силу изгиба и изгиба, которые большинство стандартных конструкций просто не выдерживают. В перспективе, последние климатические прогнозы NOAA показывают, что к 2040 году мы, вероятно, столкнемся с 30-процентным увеличением числа крупных ледовых бурь и ураганов четвертой категории. Учитывая эти тенденции, инженеры должны перестать рассматривать региональные факторы безопасности как дополнительные, а начать включать их непосредственно в свои проекты, если мы хотим, чтобы наши электрические сети оставались надежными в условиях экстремальных погодных условий.

Запасы прочности и нормативные стандарты несущей способности для опор линий электропередачи

Требования ASCE 7-22 и NESC 2023: коэффициенты нагрузки от 1,5× до 2,5× номинальных значений

Стандарт ASCE 7-22 вместе с новыми правилами NESC 2023 устанавливает требуемые коэффициенты запаса прочности, позволяющие учесть неопределённости при моделировании, вариации свойств материалов и неизбежные допуски при строительстве. Согласно этим нормативным документам, инженеры должны умножать комбинации нагрузок на различные коэффициенты в зависимости от конкретной ситуации. Для обычных постоянных и временных нагрузок применяется коэффициент около 1,5, тогда как в экстремальных ситуациях, связанных с ветром и гололёдом, требуется увеличение нагрузок до 2,5 раз. Некоторые особо важные расчётные случаи включают определение максимального ветрового давления на провода, расчёт накопления гололёда по таблице 250-1 стандарта NESC для конкретных зон, а также учёт совместного действия гравитационных сил при одновременном возникновении нескольких экстремальных условий. В качестве примера рассмотрим решётчатые опоры: опора, спроектированная для восприятия нормального натяжения проводов в 200 кН, фактически должна выдерживать нагрузку от 300 до 500 кН с учётом всех коэффициентов запаса прочности. Такая встроенная избыточность обеспечивает структурную целостность сооружения, одновременно сохраняя затраты в разумных пределах для большинства проектов.

Дискуссия о климатической устойчивости: пересмотр минимальных запасов безопасности на фоне усиления ветровых и гололедных явлений

В последнее время мы наблюдаем все более частые и интенсивные сложные погодные явления, особенно те, которые связаны с комбинацией ветра и льда. Устаревшие коэффициенты безопасности больше не обеспечивают достаточной защиты. Традиционные повышающие коэффициенты в 1,5 раза полностью игнорируют тот факт, что ситуация выходит из-под контроля даже при наличии тонких ледяных отложений на фоне сильного ветра. В ряде случаев мы фактически фиксировали скачки нагрузок более чем в три раза превышающие расчётные значения. Такие организации, как Институт электротехники Эдисона (Edison Electric Institute), а также специалисты Национального института стандартов и технологий (NIST) по вопросам устойчивости энергосетей, выступают за введение новых повышающих коэффициентов, учитывающих уязвимость к климатическим воздействиям. Они настаивают на внедрении этих изменений прежде всего в регионах повышенного риска — например, в «ледяном поясе» Среднего Запада или вдоль побережья Мексиканского залива, где ураганы возникают регулярно. Планируется обновить стандарты ASCE 7 путём интеграции местных климатических данных, чтобы установить минимальные требования, превышающие текущие уровни как минимум в два раза в тех районах, где исторические данные свидетельствуют о росте опасности. Такой подход направлен на поиск оптимального баланса между рациональным расходованием средств и реальным снижением уже известных рисков.

Несущая способность при экстремальных и несимметричных сценариях разрушения

Обрыв проводника: внезапная разгрузка и асимметричное перераспределение натяжения

Когда проводники выходят из строя из-за таких факторов, как усталость металла, галопирующие колебания или повреждения, вызванные сильными штормами, это приводит к внезапной потере натяжения в системе. Такие потери создают дисбалансы, которые передаются соседним пролётам и опорным башням. Что происходит дальше? Дополнительные нагрузки могут вызвать структурные проблемы, например, потерю устойчивости (выпучивание) сжатых элементов или превышение предела прочности анкерных болтов. В настоящее время инженеры проектируют башни с особыми конструктивными особенностями, позволяющими им лучше справляться с такими неожиданными нагрузками. Для этого применяются передовые методы анализа распределения нагрузок по конструкциям, а также предусматриваются резервные системы поддержки, обеспечивающие общую устойчивость даже при обрыве одного из проводов. Согласно результатам полевых испытаний, башни, спроектированные в соответствии с последними стандартами Приложения B Национального кодекса электробезопасности (NESC) по динамическим нагрузкам, сократили количество каскадных аварий примерно на две трети по сравнению с устаревшими подходами статического проектирования.

Несимметричная ледовая нагрузка: крутящий момент и изгиб, вызванные асимметрией, а также риск прогрессирующего обрушения

Когда лед неравномерно накапливается на опоре или проводнике, возникают крутящие усилия и изгибы с отклонением от центра, превышающие расчётные значения, заложенные в стандартных проектных решениях. Именно такой дисбаланс вызывает большинство постепенных обрушений в устаревших инфраструктурных системах, особенно когда металлические элементы подверглись коррозии со временем или получили ранее повреждения, ослабившие критически важные точки соединения. Чтобы решить эту проблему, инженерам необходимо уделять внимание не только прочности материалов, но и их способности изгибаться без разрушения, а также устойчивости к крутящим усилиям. Реальный опыт также даёт много ценной информации: вспомните события «большого замерзания» в Техасе в 2021 году. Опоры, оснащённые надлежащей диагональной раскреплённостью со всех сторон и изготовленные из стали, способной растягиваться, а не ломаться, выдержали нагрузку идеально, несмотря на то, что на наветренной стороне их проводников образовался лед толщиной более 2 см.

Конструктивное усиление и проектирование фундамента для обеспечения оптимальной несущей способности опоры

Системы раскрепления: диагональная эффективность при сопротивлении потере устойчивости, кручению и боковому смещению

Диагональное раскрепление использует треугольники для преобразования боковых сил и крутящих моментов в силы, действующие по прямой линии, что повышает эффективность работы материалов и предотвращает чрезмерное изгибание конструкций. При работе с элементами, работающими на сжатие, правильное расположение угловых связей предотвращает их потерю устойчивости (выпучивание) под нагрузкой за счёт уменьшения их расчётной длины. Для противодействия крутящим воздействиям, вызванным ветровыми нагрузками или неравномерным намерзанием льда, инженеры часто устанавливают крестообразные связи под прямым углом, формируя жёсткие каркасные конструкции, способные сопротивляться вращению. Фактические углы установки таких связей требуют тщательного расчёта, чтобы обеспечить устойчивость зданий при динамических воздействиях, но при этом допускать нормальное тепловое расширение при изменении температуры. Исследования, опубликованные в профессиональных журналах, показывают, что качественные системы раскрепления могут повысить несущую способность конструкций примерно на 40 % по сравнению со зданиями, не оснащёнными такими связями. Такой вид усиления остаётся одним из наиболее экономически эффективных решений как при строительстве новых объектов, так и при модернизации существующих конструкций.

Решения для фундаментов: буровые сваи по сравнению с расширенными фундаментами с учетом требований к устойчивости против опрокидывания и несущей способности грунта

Тип фундамента определяет, способна ли башня противостоять таким нагрузкам, как опрокидывание, выдергивание и неравномерная осадка. Буровые сваи, также известные как кессоны, заглубляются на глубину примерно от 15 до 30 метров в плотные слои грунта. Они особенно эффективны в связных грунтах и в районах с сильными ветрами, поскольку используют как силу трения по боковой поверхности, так и опору в нижней части. Такие сваи обеспечивают более высокую устойчивость к выдергиванию и опрокидыванию при меньшем общем расходе бетона по сравнению с другими вариантами. Распределённые (ленточные) фундаменты работают иначе: им требуется значительная площадь основания — обычно в 4–8 раз превышающая площадь самого основания башни. Они показывают наилучшие результаты при устройстве на уплотнённых песчаных или гравелистых грунтах, способных воспринимать значительные нагрузки без проседания. Однако у них есть недостаток: для достижения того же уровня устойчивости, что и у буровых свай при землетрясениях или при увлажнении грунта, распределённым фундаментам требуется примерно на 60 % больше бетона. Тем не менее, перед принятием каких-либо решений абсолютно необходимо получить подробные данные о геологическом строении участка путём проведения соответствующих геологических изысканий. Попытки выбора типа фундамента на основе упрощённых правил вместо реальных условий площадки являются основной причиной большинства случаев аварийных ситуаций с башнями в эксплуатации.

Часто задаваемые вопросы

Что такое гравитационные нагрузки на опоры линий электропередачи?

Гравитационные нагрузки включают вес проводов, изоляторов, крепёжных элементов и самой опоры и составляют около 60–70 % от нормальных эксплуатационных нагрузок.

Почему боковые нагрузки важно учитывать при проектировании опор?

Боковые нагрузки от ветра могут вызывать вибрацию конструкций и постепенное образование трещин. Раскосная решётка помогает распределить эти усилия для обеспечения устойчивости.

Как влияет намерзание льда на опоры линий электропередачи?

Намерзание льда увеличивает массу и площадь поверхности, усиливая механические напряжения во время штормов и потенциально приводя к более значительным крутильным и изгибным деформациям.

Какие нормы безопасности применяются к опорам линий электропередачи?

Стандарты ASCE 7-22 и NESC 2023 устанавливают коэффициенты нагрузок в диапазоне от 1,5 до 2,5 для учёта неопределённостей и экстремальных условий, таких как ветер и гололёд.