Các vùng miền Trung Tây, Đông Bắc và Alaska phải đối mặt với nguy cơ tích tụ băng nghiêm trọng mỗi mùa đôngCơn bão băng tháng 1 năm 1998 ở đông bắc Hoa Kỳ, gây ra sự sụp đổ rộng rãi của tháp truyền tải và hỏng dây chuyền, vẫn là một cuốn sách giáo khoa cho ngành công nghiệpTác động của sự tích tụ băng trên các cột thép truyền kéo dài vượt xa so với tăng tải thẳng đứng:Sự gia tăng băng làm tăng khu vực tiếp xúc với gió của các dây dẫn và dây đất, nhân tải gió ngang;Băng rơi không đồng đều và chạy đuatạo ra căng thẳng không cân bằng theo chiều dọc đáng kể trên các dải liền kề; quan trọng hơn,sự xuất hiện kết hợp của khối lượng băng và gióáp đặt các yêu cầu về sức mạnh cho các cấu trúc cột vượt xa các kịch bản thiết kế thông thường.
Đối với các cột thép ống xoắn 69kV đến 230kV, xác minh tải là cốt lõi để đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc trong các vùng băng nặng.Bài viết này mô tả một cách có hệ thống các yêu cầu tải và các tiêu chí lựa chọn cấu trúc cho thiết kế cột vùng băng nặng, dựa trên các quy định của NESC và các tiêu chuẩn thiết kế ASCE/SEI 48-19.
CácMã an toàn điện quốc gia (NESC, ANSI C2)là tiêu chuẩn cơ bản bắt buộc cho thiết kế đường truyền trên không ở Hoa KỳNESC chia đất nước thành ba khu vực tải thời tiết:
| Quận tải | Độ dày băng quang | Áp lực gió ngang | Nhiệt độ |
|---|---|---|---|
| Trọng | 0.5 inch (12.7 mm) | 4 psf (khoảng 192 Pa) | 0°F (-18°C) |
| Trung bình | 0.25 inch (6.35 mm) | 4 psf | ️ |
| Ánh sáng | 0 trong | 9 psf | 30°F |
Nguồn: Bảng 250-1 của NESC
Trong khu vực tải trọng nặng, ví dụ như Pennsylvania, các cơ sở không khí phải được thiết kế cho0.5 inch radial ice + 40 mph gió + 0°F nhiệt độ.
Các yếu tố tải cho các cấu trúc théptheo NESC lớp B Xây dựng được xác định như sau::
| Load type | Nhân tố tải |
|---|---|
| Năng lượng gió | 2.50 |
| Trọng lượng dọc (trọng lượng chết + băng) | 1.50 |
| Động lực dây dẫn/động lực dây tĩnh | 1.65 |
Nạp băng cực lớnlà một yêu cầu quan trọng khác cho thiết kế khu vực băng nặng: các cơ sở phải chịu đượcTrọng lượng băng râm tối thiểu là 1,25 inch (31,8 mm), với mật độ băng ở57 pcf (khoảng 913 kg/m3), nhiệt độ ở 0 ° F, và tốc độ gió ở 0 mphMột số tiểu bang và các công ty tiện ích đã áp dụng các tiêu chuẩn nội bộ nghiêm ngặt hơn.
ASCE/SEI 48-19, Thiết kế cấu trúc cột truyền thép, là tiêu chuẩn thiết kế chuyên ngành do Hiệp hội kỹ sư xây dựng Hoa Kỳ phát hành, cung cấp một cơ sở kỹ thuật thống nhất cho thiết kế, chi tiết, chế tạo, thử nghiệm, lắp ráp,và lắp đặt các cấu trúc thép ống cong hình lạnhTiêu chuẩn này áp dụng cho cả các cấu trúc tự hỗ trợ và các cấu trúc có ống, bao gồm các loại nền tảng khác nhau bao gồm các hộp bê tông, đống thép và nhúng trực tiếp.
Đối với các ứng dụng vùng băng nặng, ASCE/SEI 48-19 yêu cầu các nhà thiết kế xem xét các kết hợp tải sau:
Quy tắc NESC 250B (District Loading): Sự kết hợp tiêu chuẩn của khối lượng băng và gió
Quy tắc NESC 250C (Thời tiết gió cực): Chỉ áp dụng cho các cấu trúc cao hơn 60 ft (18.3 m)
Quy tắc NESC 250D (Băng cực với gió đồng thời): Thời gian trở lại 100 năm kết hợp băng cực và tải gió
Hướng dẫn 74 của ASCE, Hướng dẫn về tải trọng cấu trúc đường truyền điện,tiếp tục cung cấp các phương pháp tính toán tải dựa trên độ tin cậy và phục vụ như là tài liệu tham khảo có thẩm quyền cho phân tích tải vùng băng nặng.
Chọn loại thép
Đối với các ứng dụng khu vực băng nặng,ASTM Gr50 (năng lượng thăng suất tối thiểu 345 MPa) hoặc Gr65 (năng lượng thăng suất tối thiểu 448 MPa)Thép cường độ cao được khuyến cáo. Gr65 cung cấp khả năng thúc đẩy lớn hơn ở cùng một độ dày tường, giúp kiểm soát trọng lượng cột tổng thể và chi phí vận chuyển.
Yêu cầu về độ dày tường
Báo cáo RUS 1724E-224 yêu cầu độ dày kim loại cơ bản tối thiểu cho các thành phần tháp thép kẽm:
Các thành viên góc chính: ≥3/16 inch (4.76 mm)
Các thành viên khác: ≥1/8 inch (3,18 mm)
Trong các khu vực băng dày, các nhà thiết kế thường đi xa hơnTăng độ dày tường môngđể giải quyết khoảnh khắc đường đất tối đa do kết hợp tải NESCĐộ dày tường cụ thể của mông phải được xác định dựa trên khoảnh khắc đường nền được tính toán từ các trường hợp tải NESC, đảm bảo tỷ lệ căng không vượt quá 1.0.
Thiết kế cột cong
Các đường băng nặng được phục vụ tốt nhất bởicột congthay đổi độ dày tường và đường kính phần dọc theo chiều cao cột, tăng cường phần đùi trong khi duy trì độ cứng trên đủĐối với các thiết kế trượt nhiều phần, phải chú ý đặc biệt đến việc xác minh uốn cong tại khu vực ghép (thường là ≥ 24 inch / 610 mm chiều dài tham gia).
Các thông số sau đây là rất quan trọng cho việc xác minh tải trọng của các cột thép thu nhỏ 69kV ≈ 230kV trong các vùng băng nặng:
| Parameter xác minh | Yêu cầu khu vực băng nặng | Cơ sở |
|---|---|---|
| Độ dày băng quang (trọng lượng khu vực) | 0.5 inch (12.7 mm) | Bảng 250-1 NESC |
| Độ dày băng cực cao | 1.25 inch (31.8 mm) tối thiểu | Quy tắc 250D của NESC |
| Áp lực gió đồng thời (quận) | 4 psf (40 mph) | Bảng 250-1 NESC |
| Mật độ băng | 57 pcf (913 kg/m3) | NESC |
| Nhân tố tải gió (thép) | 2.50 | NESC lớp B |
| Nhân tố tải thẳng đứng (bao gồm băng) | 1.50 | NESC lớp B |
| Nguyên nhân điện áp của dây dẫn | 1.65 | NESC lớp B |
| Mức độ dày tường thành phần chính tối thiểu | 3/16 inch (4.76 mm) | RUS Báo cáo 1724E-224 |
| Tiêu chuẩn thiết kế | ASCE/SEI 48-19 | Cơ sở thiết kế cấu trúc |
Đối với các cột thép nhúng trực tiếp trong các vùng băng nặng, thiết kế nền tảng cần chú ý thêm đến:
1. Độ sâu và kháng đất bên cạnh
Năng lượng bên tăng từ tích lũy băng được truyền trực tiếp đến phần nhúng, đòi hỏi độ sâu nhúng đủ để cung cấp kháng đất bên.Các nhà thiết kế nên tính toán độ cắt và khoảnh khắc đường đất dựa trên sự kết hợp tải NESC và xác định độ sâu nhúng hiệu quả theo loại đất.
2. Frost Heave Xem xét
Các khu vực băng dày thường trùng với sự xâm nhập của băng mùa.dưới đường băng giá, hoặc các vật liệu không nhạy cảm với đông lạnh (ví dụ: đá nghiền, cát / sỏi) nên được sử dụng để ngăn chặn đông lạnh nâng lên.
3. Bảo vệ ăn mòn cho phần nhúng
Phần nhúng phải đối mặt với những thách thức kép từ ăn mòn đất và chu kỳ đóng băng - tan chảy.lớp phủ bituminous hoặc bảo vệ tay áo co thấm nhiệttrênASTM A123 lớp 100 (100μm)lớp phủ kẽm trên vùng nhúng.
Thiết kế cấu trúc của 69kV ≈ 230kV cột thép cong trong vùng băng nặng phải tuân thủ nghiêm ngặtNESC C2yêu cầu tải vàASCE/SEI 48-19Phương pháp thiết kế cấu trúc: Từ tải lượng băng khu vực 0,5 inch đến kịch bản băng cực đoan 1,25 inch, từ yếu tố tải gió 2,50 đến ngưỡng độ dày tường tối thiểu 3/16 inch,mỗi tham số ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn cấu trúc trong điều kiện mùa đông khắc nghiệt.
Đối với các nhà cung cấp dự định tham gia vào các cuộc đấu thầu dự án truyền tải ở Upper Midwest, Đông Bắc hoặc Alaska, rõ ràng xác địnhNESC Heavy Load District compliant (Điều kiện của khu vực tải trọng nặng NESC),Thiết kế ASCE/SEI 48-19, và bảng tham số xác minh tải đầy đủ trong các đề xuất kỹ thuật là nền tảng để thiết lập độ tin cậy kỹ thuật.
Các vùng miền Trung Tây, Đông Bắc và Alaska phải đối mặt với nguy cơ tích tụ băng nghiêm trọng mỗi mùa đôngCơn bão băng tháng 1 năm 1998 ở đông bắc Hoa Kỳ, gây ra sự sụp đổ rộng rãi của tháp truyền tải và hỏng dây chuyền, vẫn là một cuốn sách giáo khoa cho ngành công nghiệpTác động của sự tích tụ băng trên các cột thép truyền kéo dài vượt xa so với tăng tải thẳng đứng:Sự gia tăng băng làm tăng khu vực tiếp xúc với gió của các dây dẫn và dây đất, nhân tải gió ngang;Băng rơi không đồng đều và chạy đuatạo ra căng thẳng không cân bằng theo chiều dọc đáng kể trên các dải liền kề; quan trọng hơn,sự xuất hiện kết hợp của khối lượng băng và gióáp đặt các yêu cầu về sức mạnh cho các cấu trúc cột vượt xa các kịch bản thiết kế thông thường.
Đối với các cột thép ống xoắn 69kV đến 230kV, xác minh tải là cốt lõi để đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc trong các vùng băng nặng.Bài viết này mô tả một cách có hệ thống các yêu cầu tải và các tiêu chí lựa chọn cấu trúc cho thiết kế cột vùng băng nặng, dựa trên các quy định của NESC và các tiêu chuẩn thiết kế ASCE/SEI 48-19.
CácMã an toàn điện quốc gia (NESC, ANSI C2)là tiêu chuẩn cơ bản bắt buộc cho thiết kế đường truyền trên không ở Hoa KỳNESC chia đất nước thành ba khu vực tải thời tiết:
| Quận tải | Độ dày băng quang | Áp lực gió ngang | Nhiệt độ |
|---|---|---|---|
| Trọng | 0.5 inch (12.7 mm) | 4 psf (khoảng 192 Pa) | 0°F (-18°C) |
| Trung bình | 0.25 inch (6.35 mm) | 4 psf | ️ |
| Ánh sáng | 0 trong | 9 psf | 30°F |
Nguồn: Bảng 250-1 của NESC
Trong khu vực tải trọng nặng, ví dụ như Pennsylvania, các cơ sở không khí phải được thiết kế cho0.5 inch radial ice + 40 mph gió + 0°F nhiệt độ.
Các yếu tố tải cho các cấu trúc théptheo NESC lớp B Xây dựng được xác định như sau::
| Load type | Nhân tố tải |
|---|---|
| Năng lượng gió | 2.50 |
| Trọng lượng dọc (trọng lượng chết + băng) | 1.50 |
| Động lực dây dẫn/động lực dây tĩnh | 1.65 |
Nạp băng cực lớnlà một yêu cầu quan trọng khác cho thiết kế khu vực băng nặng: các cơ sở phải chịu đượcTrọng lượng băng râm tối thiểu là 1,25 inch (31,8 mm), với mật độ băng ở57 pcf (khoảng 913 kg/m3), nhiệt độ ở 0 ° F, và tốc độ gió ở 0 mphMột số tiểu bang và các công ty tiện ích đã áp dụng các tiêu chuẩn nội bộ nghiêm ngặt hơn.
ASCE/SEI 48-19, Thiết kế cấu trúc cột truyền thép, là tiêu chuẩn thiết kế chuyên ngành do Hiệp hội kỹ sư xây dựng Hoa Kỳ phát hành, cung cấp một cơ sở kỹ thuật thống nhất cho thiết kế, chi tiết, chế tạo, thử nghiệm, lắp ráp,và lắp đặt các cấu trúc thép ống cong hình lạnhTiêu chuẩn này áp dụng cho cả các cấu trúc tự hỗ trợ và các cấu trúc có ống, bao gồm các loại nền tảng khác nhau bao gồm các hộp bê tông, đống thép và nhúng trực tiếp.
Đối với các ứng dụng vùng băng nặng, ASCE/SEI 48-19 yêu cầu các nhà thiết kế xem xét các kết hợp tải sau:
Quy tắc NESC 250B (District Loading): Sự kết hợp tiêu chuẩn của khối lượng băng và gió
Quy tắc NESC 250C (Thời tiết gió cực): Chỉ áp dụng cho các cấu trúc cao hơn 60 ft (18.3 m)
Quy tắc NESC 250D (Băng cực với gió đồng thời): Thời gian trở lại 100 năm kết hợp băng cực và tải gió
Hướng dẫn 74 của ASCE, Hướng dẫn về tải trọng cấu trúc đường truyền điện,tiếp tục cung cấp các phương pháp tính toán tải dựa trên độ tin cậy và phục vụ như là tài liệu tham khảo có thẩm quyền cho phân tích tải vùng băng nặng.
Chọn loại thép
Đối với các ứng dụng khu vực băng nặng,ASTM Gr50 (năng lượng thăng suất tối thiểu 345 MPa) hoặc Gr65 (năng lượng thăng suất tối thiểu 448 MPa)Thép cường độ cao được khuyến cáo. Gr65 cung cấp khả năng thúc đẩy lớn hơn ở cùng một độ dày tường, giúp kiểm soát trọng lượng cột tổng thể và chi phí vận chuyển.
Yêu cầu về độ dày tường
Báo cáo RUS 1724E-224 yêu cầu độ dày kim loại cơ bản tối thiểu cho các thành phần tháp thép kẽm:
Các thành viên góc chính: ≥3/16 inch (4.76 mm)
Các thành viên khác: ≥1/8 inch (3,18 mm)
Trong các khu vực băng dày, các nhà thiết kế thường đi xa hơnTăng độ dày tường môngđể giải quyết khoảnh khắc đường đất tối đa do kết hợp tải NESCĐộ dày tường cụ thể của mông phải được xác định dựa trên khoảnh khắc đường nền được tính toán từ các trường hợp tải NESC, đảm bảo tỷ lệ căng không vượt quá 1.0.
Thiết kế cột cong
Các đường băng nặng được phục vụ tốt nhất bởicột congthay đổi độ dày tường và đường kính phần dọc theo chiều cao cột, tăng cường phần đùi trong khi duy trì độ cứng trên đủĐối với các thiết kế trượt nhiều phần, phải chú ý đặc biệt đến việc xác minh uốn cong tại khu vực ghép (thường là ≥ 24 inch / 610 mm chiều dài tham gia).
Các thông số sau đây là rất quan trọng cho việc xác minh tải trọng của các cột thép thu nhỏ 69kV ≈ 230kV trong các vùng băng nặng:
| Parameter xác minh | Yêu cầu khu vực băng nặng | Cơ sở |
|---|---|---|
| Độ dày băng quang (trọng lượng khu vực) | 0.5 inch (12.7 mm) | Bảng 250-1 NESC |
| Độ dày băng cực cao | 1.25 inch (31.8 mm) tối thiểu | Quy tắc 250D của NESC |
| Áp lực gió đồng thời (quận) | 4 psf (40 mph) | Bảng 250-1 NESC |
| Mật độ băng | 57 pcf (913 kg/m3) | NESC |
| Nhân tố tải gió (thép) | 2.50 | NESC lớp B |
| Nhân tố tải thẳng đứng (bao gồm băng) | 1.50 | NESC lớp B |
| Nguyên nhân điện áp của dây dẫn | 1.65 | NESC lớp B |
| Mức độ dày tường thành phần chính tối thiểu | 3/16 inch (4.76 mm) | RUS Báo cáo 1724E-224 |
| Tiêu chuẩn thiết kế | ASCE/SEI 48-19 | Cơ sở thiết kế cấu trúc |
Đối với các cột thép nhúng trực tiếp trong các vùng băng nặng, thiết kế nền tảng cần chú ý thêm đến:
1. Độ sâu và kháng đất bên cạnh
Năng lượng bên tăng từ tích lũy băng được truyền trực tiếp đến phần nhúng, đòi hỏi độ sâu nhúng đủ để cung cấp kháng đất bên.Các nhà thiết kế nên tính toán độ cắt và khoảnh khắc đường đất dựa trên sự kết hợp tải NESC và xác định độ sâu nhúng hiệu quả theo loại đất.
2. Frost Heave Xem xét
Các khu vực băng dày thường trùng với sự xâm nhập của băng mùa.dưới đường băng giá, hoặc các vật liệu không nhạy cảm với đông lạnh (ví dụ: đá nghiền, cát / sỏi) nên được sử dụng để ngăn chặn đông lạnh nâng lên.
3. Bảo vệ ăn mòn cho phần nhúng
Phần nhúng phải đối mặt với những thách thức kép từ ăn mòn đất và chu kỳ đóng băng - tan chảy.lớp phủ bituminous hoặc bảo vệ tay áo co thấm nhiệttrênASTM A123 lớp 100 (100μm)lớp phủ kẽm trên vùng nhúng.
Thiết kế cấu trúc của 69kV ≈ 230kV cột thép cong trong vùng băng nặng phải tuân thủ nghiêm ngặtNESC C2yêu cầu tải vàASCE/SEI 48-19Phương pháp thiết kế cấu trúc: Từ tải lượng băng khu vực 0,5 inch đến kịch bản băng cực đoan 1,25 inch, từ yếu tố tải gió 2,50 đến ngưỡng độ dày tường tối thiểu 3/16 inch,mỗi tham số ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn cấu trúc trong điều kiện mùa đông khắc nghiệt.
Đối với các nhà cung cấp dự định tham gia vào các cuộc đấu thầu dự án truyền tải ở Upper Midwest, Đông Bắc hoặc Alaska, rõ ràng xác địnhNESC Heavy Load District compliant (Điều kiện của khu vực tải trọng nặng NESC),Thiết kế ASCE/SEI 48-19, và bảng tham số xác minh tải đầy đủ trong các đề xuất kỹ thuật là nền tảng để thiết lập độ tin cậy kỹ thuật.
