钢筋混凝土杆塔纵裂原因分析与加固.pdf

2 0 0 6 年第 2 4卷第 4期 内 蒙 古电 力 技 术 I NN ER M0NG0UA EI J E C T RI C P OWE R 5 1 钢筋混凝土杆塔纵裂原 因分析与加 固 L o ng i t u d i na l Cr a c k Re a s o n An a l y s i s a nd Re i n f o r c e me n t f o r Re i nfo r c e d Co n c r e t e Po l e T o we r 刘现 锐 ( 包头供 电局 ， 内蒙古 包头0 1 4 0 3 0 ) 摘 要 对 1 1 0 k V、 2 2 0 k V 高 电 压 输 电线路 钢 筋混凝 土杆塔 的 纵裂破 损原 因、破 坏机 理进 行 了全 面分析 ， 并给 出预防措施和加 固手段。 【 关键词】高压输 电线路 ； 杆塔纵裂 ； 混凝 土； 变 形 ； 加 固 中图分 类号1 T M7 5 4 文献标 识码1 B 文章编号 1 0 0 8 - 6 2 1 8 ( 2 0 0 6 ) 0 4 0 0 5 1 0 3 1 问题 的提 出 在我 国， 1 1 0 k V和 2 2 0 k V高压输 电线路除在 大跨越地段使用耐张塔外 ，大多数采用钢筋混凝土 杆。 钢筋混凝土杆塔主要 由钢筋混凝土主杆、 钢筋混 凝土叉梁或钢叉梁 、 拉线及横担等组成。 钢筋混凝土 主杆有等径和锥形 ( 拨 梢 ) 2种 ， 一般 由 6 i n或 9 i n 的杆段焊接而成；钢筋混凝土叉梁的主要作用是加 强两主杆之间的联系 ， 以抵抗线路的横向荷载、 振动 和风摆的作用 ； 拉线通常采用耐腐蚀、 耐疲劳的钢筋 铰线 ， 主要是平衡和抵消一部分杆塔的纵向( 沿线路 方向) 荷载 ； 横担主要是支撑导线和传递来 自导线的 荷 载 。 我国输电线路使用钢筋混凝土电杆、杆塔已有 5 0 - 6 0 a的历史 ， 在设计 、 制造、 安装 、 运行维护等方 面都积累了丰富的经验。 但是 ， 随着老杆塔运行时间 的增长和新杆塔 ，特别是高电压大长度钢筋混凝土 杆塔的投产 、 运行 ， 也反映出存在一些需要研究和进 一 步解决的问题 。 例如 ： 包头供电局所管辖的包 白 I 回( 沙河变一 白云变 ) 1 9 5 8 1 0投运 ， 线路 已经运行 4 9 a ； 巴麻线 1 3 1 1 号 ( 原乌麻线 1 4 8 5号 )1 9 7 3 1 0投运 ， 线路已经运行 3 4 a 。这 2条线路主要是以 带钢筋混凝土叉梁的钢筋混凝土杆为主，由于多年 的运行 ， 加上 2条线路位于多风的高寒地段 ， 造成大 多数杆塔杆身开裂变形。 2 杆 塔破损原 因分析 针对 以上现状 ，为了寻求解决杆塔出现问题的 有效途径 ， 包头供电局在收集钢筋混凝土杆塔设计 、 制造、 安装、 运行等资料的基础上 ， 认真分析 了本局 部分出现问题 的不同运行时间的高压输电线路钢筋 混凝土杆塔的裂损原因和机理。 2 1 破 损形态 通过对包白 I回、 巴麻线的普查 ， 分析了破损形 态， 并将其归纳总结如下 ： ( 1 )混凝 土杆纵向开裂及纵向裂纹一般发生在 下、 中段 ， 也有极少数发生在上段 。裂缝宽度一般为 0 1 - 1 0 m m， 长度从 0 3 i n到杆段全长不等。杆段产 生纵裂和纵 向裂纹问题较为普遍 ， 也最为突出。 ( 2 )杆段上还有部分环 向或沿 四周环向裂纹， 这些现象一般也发生在下中段 ， 少数发生在上段。 ( 3 )杆段普遍出现老化 、 碳化 、 腐蚀 、 材质疏松 变色， 强度下降的现象。地表以下 ， 特别是冻土层以 下的部位一般都完好无损， 杆塔上部有轻微破损 ， 但 靠近地面、 地表 以下的部位破损最为严重。 整体现象 表明， 靠近地面部位腐蚀 、 破损较为严重。 ( 4 )杆塔下部出现大小不等的块状剥落、 空鼓 及主钢筋、 箍筋严重锈蚀等现象。 另外 ， 在包头供电局所管辖的线路中， 有部分新 线路杆塔也出现开裂及纵裂和纵向裂纹现象。这些 现象加速了杆塔的老化 ， 缩短 了其使用寿命。 2 2裂缝分 类 经考证 ，钢筋混凝土杆塔产生的纵裂及纵向裂 缝基本上可分为结构破损裂缝和派生破损裂缝两 【 收稿 15 1 期】 2 0 0 6 - 0 6 - 1 8 作者简 介】刘现锐 ( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 内蒙古包头市人 ， 毕业于华北电力大学 ， 学士学位 ， 工程师 ， 现从事 电力系统管理工作 。 维普资讯 http:/ 5 2 内蒙古电力技术 2 0 0 6 年第 2 4卷第 4期 类 。 2 2 1 结构 破损 裂缝 对于转角杆塔，结构破损裂缝往往发生在杆塔 下段受压一侧 ， 由于“ 裂效应” ( 即轴向抗拉强度远大 于环向拉抗强度的结构所共有的力学破坏特征 ) 而 产生纵 向开裂 ， 甚至鼓包 ； 对于直线杆塔来讲 ， 由于 “ 风振 ” 或 “ 风摆 ” 时杆塔的“ 鞭俏效应 ” 和“ 竹 裂效 应” ， 使杆塔下端某侧产生纵向初裂。 2 2 2 派 生破损 裂缝 派生破损裂缝不是因结构受到各种外荷载作用 而产生的，是由于杆段外表混凝土碳化深度已达到 或超过主钢筋布设面后 ， 主钢筋加速锈蚀膨胀 ， 导致 混凝土杆沿主钢筋轴线产生的纵向裂缝。 2 2 3环 向裂纹 钢筋混凝土杆塔所产生的环向开裂也可分为结 构破损裂缝和派生破损裂缝。 对于转角塔 ， 有时由于 塔根弯矩过大， 在受拉侧常常产生结构破损裂缝 ； 对 于直线杆塔 ， 由于“ 风振” 及“ 风摆” 的影响， 有时在某 侧 也会 产 生结构 破损 裂缝 。至于 环 向派生破 损裂 纹 与派生纵裂纹类似 ， 是因箍筋锈蚀膨胀所致 。 2 3 产 生裂 缝的 主要 因素 钢筋混凝 土杆塔所产生裂纹 的主要因素是 ： 风 振风摆、 冻融循环 、 温度交变和钢筋锈蚀。在这些 因 素的交互作用下， 不断发展成为长而宽的裂缝。 2 4老 化原 因 在同样条件下 ， 钢筋混凝 土杆塔的老化 、 碳化 、 腐蚀破损 比其他钢筋混凝土构件快的主要原因是运 行环境恶劣。另外 ，还存在着杆段混凝土保护层偏 薄 、 主筋和箍筋靠近外表面等现象 ， 加上碳化 、 钢筋 锈蚀 、 开裂三种因素互相影响 ， 进而形成恶性循环 ， 造成杆塔 比其他钢筋混凝土构件破损快 、 寿命短。 3 改进措施 钢筋混凝土杆塔的破损原因及破损形态十分复 杂 ， 碳化老化 、 冻融循环、 钢筋 的锈蚀及派生性开裂 均为正常的、 不可避免的 ， 需运行一定年限后才会发 生。这些因素对于杆塔 的破坏速度和使用寿命不起 决定性作用 ， 起决定性作用 的是结构破损裂缝。 结构 破损裂缝是随着杆件的增高 、长细 比的增大 、 “ 竹裂 效应” 逐步显现后产生的。 这种破损一般发生在新建 或运行时间不长的线路中，是使其他破损形态得到 加速而提前到来的，这种裂缝大大缩短了杆塔的使 用寿命。 因此 ， 高压输电线路钢筋混凝土杆塔纵裂的 预防和处理 ， 对线路 的长期安全、 经济运行是至关重 要 的 。 3 1 防纵 裂措 施 首先应该指出的是 ： 这里的讲 的“ 纵裂” 主要指 结构破损纵裂。建议采用下列预防措施 ： ( 1 )优化杆段纵 向抗拉强度与环 向抗拉强度的 比值 ，改变过去在设计和规范中只把箍筋当构造筋 的设计思想 ， 在不改变原箍筋直径的基础上 ， 将箍筋 的间距缩小 1倍， 而单位长度内增加 1 倍含筋率。 ( 2 )在杆段制造过程 中， 尽量保证主钢筋居 中， 确保混凝土保护层有足够厚度 ， 并且均匀。 杆段两端 钢环处混凝土端面应有 3 0。 的斜坡 ，在混凝土与钢 环交接处 ，适当采用利于排水的措施 ，防止端部钢 环、 钢筋锈蚀。 ( 3 )在原混凝土设计标号基础上 ， 考虑使用适 当的添加剂 ， 以提高混凝土 自身的抗渗性 、 防水性 、 致密性 ， 延缓混凝土的碳化速度 。 ( 4 )在经济条件允许 的情况下 ， 对新建高压输 电线路杆塔表面涂刷混凝土保护剂 ，阻止构件遭受 碳化腐蚀和冻融的破坏。这种方法投资少， 效果好 ， 可极大地提高杆塔的使用年限，从长远来看也是较 经 济 的 。 ( 5 )将钢筋混凝土叉梁更换为钢结构叉梁 ， 以 减小叉梁对线路杆塔的横向荷载和对杆塔结构的作 用 。 3 2 加 固措 施 由于钢筋混凝土杆塔在设计 、制造 中难免存在 缺陷， 在施工、 运输 、 安装中也难免造成损伤 ， 特别是 运行 中， 各种情况的恶化 ， 不可预见的荷载及环境 因 素的作用 ， 以及运行年限的增长 ， 杆塔将不可避免地 会开 裂 、 破 损 。 已经 发生 严重开 裂和破 损 的杆塔 ， 对 高压输电线路的安全运行构成威胁 ，从整个 电网的 安全 、 经济效益和地区经济发展要求来看 ， 希望能在 不停 电的情况下进行处理。 因此， 采用加固的方法就 成为最佳、 最经济的首选方案。 3 2 1 加 固 中应 遵循 的原 则 ( 1 )加固方案应简单易行 、 安全可靠 、 经济合 理 。 ( 2 )加固施工 ， 应尽量减小对生产 、 工作的影 响， 尽量避免线路停电。 ( 3 ) 充分利用和发挥原杆塔的有效部分和功能 。 ( 4 )以恢复杆塔各构件 的强度 、 刚度 ， 提高其设 计承载力， 抗腐蚀性能， 延长线路杆塔 的使用寿命为 宗 旨。 维普资讯 http:/ 2 0 0 6 年第 2 4卷第 4期 内蒙古 电力技术 5 3 ( 5 )妥善安排施工、 工艺计划和施工方法 ， 确保 加固部分与本体结构共同受力。 ( 6 )不改变原杆塔结构的尺寸 、 自重和形状。 ( 7 )尽量消除杆塔多种缺陷 ， 加 固后 ， 使整条线 路的杆塔使用寿命趋同。 3 2 2 技 术要 求 加 固时 ， 所采用的技术 、 工艺和材料在满足运行 工况及环保要求的前提下 ， 应满足下列技术要求 ： ( 1 )新 、 旧结合部及裂缝填充胶结材料的力学 性能应超过本体混凝土 1 个量级 ，即超过 4 0 0号混 凝 土 的抗拉 指标 。 ( 2 )修复材料应超过本体混凝 土 1个量级 ， 达 到 4 5 0号或 5 0 0号 ，并具有微膨胀性能 ，补偿干缩 后 ，能与加固约束材料共 同作用使之形成三维应力 状 态 。 ( 3 )补强措施应能适应所补区域材料的应力水 平 ， 达到补充和提高抗拉能力的目的。 ( 4 )加固后 ， 杆塔外表应有防腐和防水层， 使其 具有抗酸碱 、 盐腐蚀的性能。 ( 5 )全部材料应具有较强的抗 自然老化性 能 ， 能适用于 8 O温差变化 的变形性能。 3 2 _ 3 实施 方 法 在充分了解钢筋混凝土杆塔开裂 、破损形态及 成因的基础上 ， 分析、 比较 了收集 到的加固、 补强钢 筋混凝土杆塔的资料及实例 ，认为在符合上述条件 的情 况下 ， 宜采 用 以下 方 法 ： ( 1 )采用高分子 、 高强材料 ， 对 0 3 m m 以下 的 裂纹采用高渗防水剂灌渗的方法处理 ； 对 O 3 m m以 上的纵裂采用灌浆的方法处理 ；对 5 m m 以上的裂 缝采用高强胶泥填塞的方法处理。 在施工 中， 应尽量 减 少对裂 缝 的切割 破坏 。 ( 2 )采用新老混凝土界面剂及高强微膨胀材料 对空鼓 、 剥落区实施修补。 ( 3 )采用钢板粘贴技术和碳纤维加固技术 ， 对 结构破损开裂和严重派生开裂的区域实施环 向或纵 向粘钢及碳纤维加固， 以恢复和提高杆塔的结构 、 强 度 和刚度 。 近几年 ， 采用 钢板 粘贴 技术 和碳纤 维加 固技 术 ， 对本局麻钢线 6 3号 、 5 1号、 4 5号 ，巴麻线 1 7 4号 、 2 9 0号 、 2 7 5号 ， 古西线 1 9号 、 3 O号 ， 古三线 1 5号 、 1 6号 、 1 7号 、 3 8号， 兴韩线 5号 、 6号， 麻化线 3 1 号 ， 兴城线 2 4号 、 2 8号杆塔进行 了处理 。运行实践证 明， 采用该方法处理裂纹 ( 缝) 的效果 比较好。 运行实 践证明， 经过加固后的杆塔再未出现过裂缝 ， 原有微 小裂纹也未出现扩大和延伸现象。 ( 4 )在裂缝密集 区 ， 采用高分子织物膜对混凝 土表面进行封闭， 阻止和延缓混凝土的碳化 、 老化。 4 结论与建议 近年来 ， 随着应用电压等级的提高、 杆塔高度的 增加 ， 钢筋混凝土杆塔纵裂现象加剧 ， 杆塔不仅后期 出现的裂纹加剧 ，而且早期就出现了破损纵裂 。因 此 ，建议今后在杆塔设计时进行纵横强度 比优化的 研 究 。 在钢筋混凝土杆塔的破损过程中， 纵裂 、 碳化 、 钢筋锈蚀 、 冻融循环 、 风振等几种因素相互促进 ， 是 加速破坏的主要因素 ，而运行初期的破损纵裂则是 最重要的因素。 实践证明 ， 钢筋混凝土杆塔的纵裂和破损 ， 甚至 严重 的破损都可以采用加 固补强 的方法来修复 ， 可 节约大量的换杆费用 。 这里需强调的是， 混凝土杆塔 与钢结构杆塔一样， 也需要经常维护 、 防护。 【 参考文献】 【 1 】G B 3 9 6 - 1 9 9 4 ， 环形钢筋混凝土电杆 S 2 G B 4 6 2 3 - 1 9 9 4 ， 环形预应力混凝 土电杆 S 编辑 ： 刘 宇萍 ( 上接 第5 O页) 5 结束语 据共享 ，既可以统计出各行业 的负荷特性方便分析 客户的电力使用情况 ， 又可以在电力增长预测 、 电力 市场开发 、 电力需求侧管理等方面发挥积极的作用。 随着电力市场机制的逐步确立 ，电力负荷管理 系统除了在电网高峰时作为实时响应削峰要求 的控 【 参考文献】 制手段外，更大的作用是在电力营销数据的采集和 【 1 】张峰- 电力负荷管理技术【 M - 北京： 中国电力出版社， 2 0 0 5 ， 综合利用上。 充分利用该 系统的功能 ， 将其与现运行 编辑 ： 刘宇萍 的其他系统进行整合 ， 不断开发实用型功能 ， 实现数 维普资讯 http:/