环形钢筋混凝土电杆抗裂强度和裂缝宽度的计算及其控制方法.pdf

2 0 1 5年第 1 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 5 No 1 J a n u a r y 环形钢筋混凝土电杆抗裂强度和裂缝宽度的 计算及其控制方法 单庆威 ( 徐州三元杆塔有限公司 ， 2 2 1 3 0 0 ) 摘要 ：为 了便 于混凝 土电杆生产企业及 其使 用部 门进行环 形钢筋混凝 土电杆抗 裂强度及 裂缝 宽度 的设 计验 算 ， 本 文依 据相关规 范， 对设计 方法和公式进行整理 和总结 ， 并列举 工程 实例进行 计算说 明， 同时提 出了提 高抗裂强 度 和 减 小 裂 缝 宽 度 的 控 制 方 法 。 关键词 ： 环形钢 筋混凝 土电杆 ； 抗裂 强度 ； 裂缝宽度 ； 长期荷 载 ； 短期荷载 ； 控 制方法 Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o f a c i l i t a t e t h e c o n c r e t e p o l e p r o d u c t i o n e n t e r p ris e s a n d u s e r d e p a r t md n t s t o d e s i g n a n d c h e c k c a l c u l a t i o n o f c r a c k i n g s t r e n g t h a n d c r a c k wi d t h o f c i r c u l a r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o l e ， a c c o r d i n g t o t h e r e l e v a n t s p e c i fi c a t i o n s ， d e s i g n me t h o d s a n d f o r mu l a a r e s u mma riz e d ， a n d s o me e n g i n e e ri n g e x a mp l e c a l c u l a t i o n s a r e s h o wn I n a d d i t i o n ， t h e c o n t r o l me t h o d f o r i mp r o v i n g a n t i - c r a c k s t r e n gth a n d d e c r e a s i n g t h e c r a c k w i d t h i s p u t f o r w a rd Ke y wo r d s ：C i r c u l a r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o l e ；C r a c k s t r e n gth ； Cr a c k wi d t h ；L o n g - t e rm l o a d ；S h o r t - t e rm l o a d ； Co n t rol me t h o d 中图分类号 ： T U 5 2 8 7 9 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 0 1 - 3 3 - 0 3 0前 言 当前在配 电网建设改造材料招标活动 中， 多数 选用普通钢筋混凝土电杆 ， 招标技术文件 中对钢筋 混凝土 电杆仅提出荷载等级要求 ， 没有提供加工 图 纸 ， 电杆的结构设计 由生产厂家负责 。由于缺少配 套 的图集或有资质单位设计 的图纸 ， 不少生产企业 往往凭借生产经验 或者从 同行 企业 中获取 的信息 套用组织生产 ； 有的生产企业仅进行 电杆的正载面 承载力设计计算 ， 没有对抗裂度 、 最大裂缝宽度进 行验算 ， 结果导致力学性能检验 时裂缝 宽度 、 挠度 不合格 ， 电杆在运行 中环 向裂缝宽度超标 。本文对 钢筋混凝土电杆的抗裂强度 、 最大裂缝宽度的设计 计算方法及公式进行 了归纳整理 ； 列举实例演示计 算 ， 并提 出了提高抗裂强度 和减小裂缝宽度 的控制 方 法 。 1 设计依据及计算公式 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ( 混凝土结构设计规范 中根据 钢筋混凝 土和预应力混凝土结构 的不同要求 ， 分别 采用裂缝宽度控制和抗裂安全系数控制 。对钢筋混 凝土构件 ( 露天结构 ) 规定 ， 不论在荷载短期效应还 是荷载长期效应组合作用下 ， 其正截面计算最大裂 缝宽 度都不得超过 0 2 mm， 与 G B T 4 6 2 3 - 2 0 0 6 ( 环 形混凝土电杆 中钢筋混凝 土电杆在开裂检验弯矩 作用下最大裂缝宽度不得超过 0 2 mm规定一致。 按照D L T 5 1 5 4 2 0 1 2 ( 架空送电线路杆塔结构 设计技术规定 、 G B 5 0 1 0 2 0 1 0 ( 混凝土结构设计规 范 中的相关规定 ， 整理 出截面开裂弯矩及不 同条 件下最大裂缝宽度的计算方法。 1 1 受弯构件验算截面开裂弯矩 ( 抗裂强度 ) 的计 算方法 Mc = Wd ( 1 ) Wd = ( r 1 2 + r 2 ) x A 0 1 ( 4 r 2 ) ( 2 ) A 0 = A + ( O r E 一 1 ) A s ( 3 ) 式中 ： W 为 电杆换算截面弹性抵抗矩 ， m m 为混凝 土轴 心抗拉强度标准值 ， N m m ； 为 电杆 验算截面 的开裂弯矩 ( 抗裂强度 ) ， N m m； n 、 r 2 分别 为 电杆的 内外半径 ， m m； Ao 为 电杆换算截面面积 ， m m ； A 为纵 向普通钢 筋截面 面积 ， m m ； 为 电杆 验算截面面积 ， mm ； 为电杆 的截面抵抗矩塑性影 响系数 ， = ( 0 7 + 6 0 r 2 ) y m ，当 r 2 8 0 0 mm时 ， 取 r z = 8 O O mm； 为截 面抵 抗矩塑性影响系数基本值 ，对于环形截面 = 1 6 0 2 4 r 。 r 2 ； t E为钢筋弹 性 模量与混凝土 弹性模 量的 比值 。 1 2 在荷载的短期效应组合作用下 ， 钢筋混凝土电 杆最大裂缝宽度的计算方法 ( 2 0 0 ( 4 ) 一 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 5期 式 中： 为短期荷载作用下 的最大裂缝宽度 ， m m； 慨 为按荷载的短期效应组合计算 的验算截面 处 的弯 矩 ， N mm； 5为 螺 旋 筋 间 距 ， m m，当 S 1 0 0 m m时，取 S = 1 0 0 mm； r s 为纵向普通钢筋所在圆 的半径 ， m m； E s 为钢筋的弹性模量 ， N mm ； 为与纵 向受力钢筋表面特征有关的系数 ， 变形钢筋 v = 0 7 ， 光面钢筋 v = 1 0 。 1 3 在长期荷载效应组合作用下 ， 钢筋混凝 土电杆 最 大裂 缝宽 度 的计算 方法 ： 1 5 ( 2 0 0 + s ) ( 5 ) A S凸 S1 5 式 中： 为长期荷载作用下的最大裂缝宽度 ， mm； 耽 为按荷载长期效应组合计算 的验算截 面处 的弯矩 ， N m m。 2工程应 用设 计 实例 2 1 例 1 2 1 1 线路设计条件 1 0 k V双 回路直线杆 ， 导线 J K L Y J 一 2 4 0 ， 水平档 距 5 0 m， 呼 高 1 1 6 m， 选 用 0 1 9 0 mmx l 5 m 钢筋混凝 土电杆 ， 锥度 1 7 5 ， 埋深 2 5 m。气象条件 ： 最大风速 3 0 m s ， 最 大覆冰 5 m m， 最 高气温 4 0 ， 最低 气温一 2 0 ， 进行电杆的酉 己 筋结构设计 。 2 1 2 设计基本参数 ( 1 ) 电杆埋深处外半径 r 2 = 1 7 8 mm， 壁厚 5 0 ra m， 内半 径 r l = 1 2 8 mm，埋深处 电杆截面 面积 A= 3 1 4 x ( 1 7 8 2 1 2 8 2 ) - 4 8 0 4 2 mm 2 ( 2 ) 混凝土强度等级为 C 4 0， 轴心抗拉强度标准 值 = 2 3 9 N m m。 ，混凝 土轴心抗压 强度设计 值 = 1 9 1 N mm 2 ， 混凝土弹性模量 E= 3 2 5 1 0 4 N m m2 ( 3 ) 纵 向主筋选 用 H R B 4 0 0， 抗 拉强 度设计 值 f y = 3 6 0 N m m ， 抗压强度设计值f r = 3 6 0 N m m ， 弹性 模量 E s = 2 0 x l 0 N mm 2 。 2 1 3 设计计算 ( 1 ) 荷载计算 ， 属于大风工况控制 。经计算知 ： 短期 荷 载 效 应组 合 作 用下 标 准 弯矩 值 MS 5 5 7 k N I n ；长期荷 载效应组合作用 下标 准弯矩值 帆 = 1 9 8 k N m ( 2 ) 设计 01 9 0 m mx l 5 m电杆 ， 锥度为 l ， 7 5 ， 假设 按 1 6 01 4 mm配筋设置 ，保 护层厚度 为 1 7 ra m， y s = 1 5 4 mm， 螺旋筋间距 S = 1 0 0 mm， 螺旋筋为 0 4 0 m m冷 拔低碳钢丝。经计算知电杆埋深处截面能够承受的 标准弯矩值 Mu = 6 7 3 k N 1 2 1 ， 大于 M = 5 5 7 k N i n ， 正截 面抗弯承载力满足要求 。 ( 3 ) 计算埋深处 的开裂弯矩 ， 按( 1 ) 式计算。 仅FE s E c = 2 O x 1 0 5 3 2 5 1 0 4 = 6 1 5 3 4一 As =1 6 x3 1 4 x7 2 = 2 461 mm A0 ； A + ( E 一 1 ) As = 4 8 0 4 2 + ( 6 1 5 1 ) 2 4 6 1 = 6 0 7 1 0 4 mIT I Wd = ( r l 2 + r 2 2 ) x A 0 ( 4 r 2 ) = ( 1 2 8 2 + 1 7 8 ) x = 4 _ l 1 0 6 mm 4X 3 l， = ( 0 7 + 6 0 r 2 ) ( 1 6 - 0 2 4 r 1 r 2 ) =( 0 7 + 6 0 2 0 0 ) ( 1 6 - 0 2 4 1 2 8 1 7 8 ) = 1 4 3 M = y f Wd = 1 4 3 2 3 9 4 1 x 1 0 6 = 1 4 0 1 x l 0 6 N mm ( 4 ) 短期荷载组合作用下的最大裂缝宽度按 ( 4 ) 式计算 ： 一 ： ( 2 0 0 + s ) A SP aSrs ；( 2 0 0 + l O O ) x O 7 = 0 1 2 ra m 0 2 ram， 故满足要求 。 ( 5 ) 长期荷载效应组合作用下 的最大裂缝宽度 按( 5 ) 式计算 ： ：1 5( 2 0 05 ( 2 0 0 + S ) 单 = A S1 5Sr s = - 5 ( 2 0 0 + 1 0 0 ) 姜 主 ； 0 7 0 O 2 mm， 故满 足要 求 。 2 2 例 2 2 2 1 线路设计条件 1 0 k V单 回路终端杆 ， 导线 J K L Y J 2 4 0 ， 水平档距 5 0 m， 导线安全设计系数 k = 6 ， 呼高 1 1 2 m， 根部采用 法 兰连接 ，选用 0 3 5 0 m mx 1 2 m 钢筋 混凝 土 电杆 ， 锥 度 l 7 5 。设计气象条件 ： 最大风速 3 0 m s ， 最大覆冰 5 m m， 最高气温 4 0 ， 最低气温一 2 0 。 进行电杆的配 筋及结构设计 。 2 2 2 设计基本参数 ( 1 ) 电杆埋深处外半径 r 2 = 2 5 5 m m， 壁厚 5 5 ram， 内半径 r l = 2 0 0 m m，地 面处 电杆截 面面积 A： 3 1 4 x ( 2 5 5 2 2 0 0 2 ) = 7 8 5 7 8 m m ( 2 ) 混凝土设计 强度等级为 C 5 0 ， 轴心抗拉强度 标 准值 = 2 6 4 N mm ，混 凝土 弹性 模 量 E= 3 4 5 1 0 4 N mm ( 3 ) 纵 向主筋选 用 HR B 4 0 0 ， 抗拉 强度 设计 值 fi = 3 6 0 N m m ， 抗压强度设计值 f r = 3 6 0 N m m ， 弹性 模 量 E s = 2 0 1 0 N mm 。 2 2 3 设计计算 ( 1 ) 荷载计算 ， 属于复冰工况控制 ， 经计算知 ： 短期 荷 载效 应 组 合 作用 下 标 准 弯矩 值 Ms = 1 9 6 k N m；长期荷载效 应组合作 用下标准弯 矩值 ML =7 6 5 k N IT I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 单庆威 环形钢筋混凝土电杆抗裂强度和裂缝宽度的计算及其控制方法 ( 2 ) 假设按 2 0 01 8 mm配筋设置 ， 保 护层厚度为 1 7 ram， r s = 2 2 9 mm， 螺旋筋 间距 S = 1 0 0 m m， 螺旋筋 为 0 4 0 ram冷拔低碳钢丝 。经计算知 电杆地面处能够 承受的标准弯矩值 M = 2 0 1 k N m， 大于 l 9 6 k N m， 正截面抗弯承载力满足要求 。 ( 3 ) 电杆埋深处的开裂弯矩按( 1 ) 式计算 ： a E s Ec = 2 0 x l 0 V 3 4 5 1 0 4 = 5 8 A s =2 0 3 1 4x 9 =5 08 6 mm2 0 ； A+ ( E 一 1 ) A s = 7 8 5 7 8 + ( 5 8 - 1 ) x 5 0 8 6 =1 0 3 xl O mm -( r l 2 + r z Z ) x Ao ( 4 r 2 ) = ( 2 0 0 2 + 2 5 5 ) = 1 0 6 1 0 mm 3 y = ( O 7 + 6 0 r E ) x ( 1 6 - 0 2 4 r l r 2 ) = ( 0 。 7 + 6 0 2 5 5 ) ( 1 6 - 0 2 4 x 2 0 0 2 5 5 ) = 1 3 2 尬 d =1 3 2 x2 6 4x1 0 6x1 0 7 =3 6 9x1 0 7 N mm ( 4 ) 短期荷载组合作用下 的最大裂缝宽度按 ( 4 ) 式计算 ： ： ( 2 0 0 + S ) A S凸 Sl S = ( 2 0 0 + 1 0 0 ) 0 7 = 0 1 4 3 mm 0 2 mm， 故满足要求。 ( 5 ) 长期荷载效应组合作用下 的最大裂缝宽度 按 ( 5 ) 式计算 ： ： 1 5 ( 2 0 0 + S ) A S 12 , Sr s ： 1 5 x ( 2 0 0 + 1 0 0 ) 器 0 7 = 0 0 5 ram 0 2 ram， 故满足要求 。 3 限制混 凝 土裂 缝开 展 的方 法 ( 1 ) 增加钢筋混凝土电杆含钢率可 以提高电杆 的抗裂强度 ， 减小裂缝开展的宽度。 ( 2 ) 采用小直径钢筋可较好地 限制裂缝的开展 宽度 ， 因此 ， 建议在 电杆 中少使用 01 6 m m 以上的钢 筋 。 ( 3 ) 采用变形或扭转钢筋 ， 可 增强钢筋与混凝 土的粘结力 ， 相应地降低裂缝开展宽度 3 0 左右。 ( 4 ) 钢筋接头的刚性对裂缝 的开展有极大的影 响 ， 如果接头处滑动 ， 则裂缝 急剧开展 。因此 ， 电杆 中的钢筋接头不宜使 用搭 接焊 ， 一 般说 ， 对焊接头 能保证必要 的刚性 ， 但 同一截面 的钢筋 ， 其接头不 能超过全部钢筋截面积的 2 5 。 ( 5 ) 提高混凝土的强度等级可以提高抗裂强度 ， 逐步提高混凝土强度等级 ， 是混凝土 电杆生产发展 的必然趋势。 ( 6 ) 混凝 土收缩对裂缝开展有很大 的影 响 ， 必 须注意电杆在制造过程 中的养护 ， 脱模强度不得低 于 设 计 强 度 的 7 0 ， 在 达 到 设 计 强 度 前 ， 必 须保 证 在湿润的条件下进行养护 。 ( 7 ) 电杆 堆放 、 起 吊和 运 输 过程 中 ， 除恰 当地选 择支承点及起 吊数量和位置外 ， 还要避免 冲击 。应 按运输 、 施工荷载情况进行抗裂性能验算 。 ( 8 ) 为彻底解决钢筋混凝土电杆环向裂缝问题 ， 可采用部分预应力混凝土电杆。 4结语 ( 1 ) 计算最大裂缝宽度使用 的弯矩值均是标准 值 ， 而不是设计值 。 ( 2 ) 选用 电杆 的标准弯矩值应该大于荷载短期 效应组合作用下 的标准弯矩。 ( 3 ) 荷载长期效应组合下 的标准弯矩 可理解为 正常运行情况电杆所承受 的标准弯矩值 。长期荷载 工况的风速应采用 5 m s ，气温应采用年平均气温 ， 且 无冰 。 ( 4 ) 在离心成型壁厚较薄 的环形 截面 电杆 中， 由于螺旋筋对截面 的削弱 ， 裂缝大部分发生在螺旋 筋位置处 ， 其分布规律与螺旋筋间距有关 。试验实 测表明，螺旋筋 间距 S = 5 0 m m与 S = 1 0 0 mm的电杆 ， 对 裂 缝 间 距 的 分 布 无 明 显 影 响 。 当 S = 5 0 l O O mm 时 ， 其实测 平均裂缝 间距 为 1 0 8 7 ram， 当 S = 2 0 0 mm 时， 平均裂缝 间距 1 5 7 1 mm。 所以一般设计螺旋筋间 距为 l O O m m左右 ，在计算最大裂缝宽度时 ，当 s l O O m m时 ， 取 S = l O O m m。 当螺旋筋间距较大时 ， 出现 的平均裂缝宽度间距增大 ，产生的裂缝条数较少 ， 易造成裂缝宽度超标 。 ( 5 ) 设计钢筋混凝土电杆除进行正截面承载力、 斜截 面承载力 、 变形计算外 ， 还应验算在短期荷载 及长期荷载效应组合作用下 的最大裂缝宽度 ， 且应 满足 O 2 ram的要求。 ( 6 ) 地 面埋深处 电杆 承受 的弯矩值最大 ， 必须 对该断面进行验算 。由于电杆是变截面且采取抽筋 的配筋方式 ， 对抽筋处截面也应该进行验算 。 ( 7 ) 采用提高混凝 土强度设计 等级 、 使用变形 或扭转钢筋 、 钢筋接头用对焊接头代替搭接焊等方 法 ， 可 以提高电杆的抗裂强度 ， 减小裂缝宽度。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 1 1 - 2 2 作者简介 ： 单庆威 ( 1 9 6 8 一 ) ， 男 ， 高级工程师 。 通讯地址 ： 江苏省邳州 市世 纪大道 E- ma i l ： x z s y g t 1 6 3 n e t 一 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m