预应力等径活性粉末混凝土电杆的设计研究.pdf

2 0 1 3年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 3 No 6 J u n e 预应力等径活性粉末混凝土电杆 的设计研究 王德 弘 ， 鞠彦 忠 ， 康 孟新 ( 1 东北 电力大学建筑工程学院， 吉林 1 3 2 0 1 2 ； 2 哈尔滨工业大学土木工程学院， 1 5 0 0 9 0 ) 摘要 ： 针对活性粉末 混凝 土( 以下简称 RP C) 的力学性能特 点， 通过理论推 导分析 ， 提 出 了预 应力 RP C 电杆 的 承栽力计算方法 ， 给 出了相应参数的建议取值 范围。对 5 0 0 k v 预应力 RP C电杆进 行 了设计 ， 利用有限元软件 ANS Y S 建立 了有限元模 型 ， 对不 同工况下预应力等径 RP C双杆的受力性能及 变形性 能进行 了有 限元分析 ， 分析结果验证 了 该设计方法的有效性 关 键 词 ： 电杆 ； 活 性 粉 末 混 凝 土 ； 预 应 力 ； 设计 方 法 Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t o me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ( h e r e i n a f t e r r e f e r r e d t o a s RP C) a n d t h e t h e o r y a n a l y s i s ，a n u n i fi e d f o r mu l a f o r c a l c u l a t i n g u l t i ma t e b e a r i n g s t r e n g t h o f e q u a l - d i a me t e r p r e s t r e s s e d RP C p o l e i s d e d u c e d ，a n d t h e s u g g e s t i o n r a n g e s o f r e l e v a n t p a r a me t e r s a r e p r o p o s e d I 1 l e 5 0 0 k V p r e s t r e s s e d RP C p o l e s a r e d e s i g n e d ， a n d fi n i t e e l e me n t mo d e l s o f t h e p o l e s a r e e s t a b l i s h e d b y ANS YS s o f t wa r e T h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s o n s t r e s s a n d d e fl e c t i o n o f p r e s t r e s s e d RP C d o u b l e p o l e s i n d i ff e r e n t W O r k c o n d i t i o n s are c a r r i e d o u t T h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e s i g n me t h o d i s e ff e c t i v e for t h e p r e s t e s s e d R P C p o l e s Ke y wo r d s ： P o l e s ； Re a c t i v e P o wd e r C o n c r e t e ； P r e s t r e s s ； De s i g n Me t h o d s 中图分 类号 ： T U 5 2 5 文献标识码 ： A 文章 编号： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 6 2 5 - 0 4 O前 言 钢筋混凝土 电杆 因其耗钢量少 、 成本低 、 施工 简单 、 运行维护工作量少等优点 ， 在输电线路中得 到 了广泛应用。但是 ， 普通钢筋混凝土 电杆的抗弯 强度低 并且在寒冷 、 盐类及 电化学侵蚀等环境条 件作用下 ， 经过数十年运行均会出现不 同程度的开 裂 、 掉砂 、 蜂窝麻 面等破损现象 ， 使其使用寿命大大 降低 。限制了其在高电压等级输 电线路 中的应用 。 提高钢筋混凝土 电杆强度有两种途径 ： 提高混凝 土强度； 采用高强度钢筋和增加钢筋的数量【ll 。而 受普通钢筋混凝土电杆几何尺寸及构造 的限制 ， 电 杆强度的增加有限。 使 用 活 性 粉 末 混 凝 土( R e a c t i v e P o w d e r C o n c r e t e 以下简称 R P C ) 替代普通混凝土制作预应 力电杆可以克服钢筋混凝土电杆 的不足。由于 R P C 具有极高的抗压强度和韧性 ， 用其制作预应力 R P C 电杆 ， 可以较大程度地提 高其强度 ， 同时又可 以大 幅度减小截面尺寸和结构 自重 ； R P C材料优异 的耐 久性可以很大程度上提高其使用寿命 ， 并能够长期 免维护运行 ， 降低养护费用成本。但是 ， R P C作为一 种新型超高性能混凝土材料 ， 当前还没有针对性的 结构构件设计规范 ， 若简单套用普通混凝土结构设 基金项 目： 国家 自然科学基金 ( 5 0 8 7 8 0 4 0 ) 。 计方法对 R P C结构进行设计 ， 很可能造成设计偏于 保守 。 不 能充分 发 挥 R P C材 料 的力学性 能 。 因此 ， 有 必要针对 R P C材料的力学性能 研究 R P C电杆的 实 用设 计方 法 。 R P C是一种新型超高强度超高性能 的高致密 水泥基复合材料嘲 。与常规混凝土相比， R P C具有超 高强度 、 高韧性 、 高耐久性及 良好 的体 积稳定性等 特点 ，掺入 了钢纤 维 的 R P C抗压 强度可 达 1 7 0 8 0 0 MP a 抗 折 强 度 达 3 0 6 0 M P a ， 断 裂 能 达 到 2 0 0 0 0 4 0 0 0 0 J m 其 抗压 强 度 和抗 折强 度 比普通 混 凝土高一个数量级 断裂能比普通混凝土高两个数 量级【 3 。R P C优越 的力学性能和耐久性能 ， 使其在输 电线路工程中具有非常广阔的应用前景 ， 尤其适宜 于作 为 高耐 久性 预应 力钢 筋混凝 土 电杆 的材料 。本 文以 D I J T 5 1 5 4 -2 0 0 2 架空送 电线路杆塔结构设 计技术规定 为基础 ， 参照 C E C S 3 8 ： 2 0 0 4 ( 纤维混凝 土结构技术规程 ，并根据本课题组对 R P C材料力 学性 能试 验研 究 的结 果 ， 考 虑部分 利 用 R P C材料 的 抗拉强度 提 出了预应力等径 R P C电杆承载力实用 计算方法 并建立 R P C电杆有限元模型进行有限元 分析 验证设计方法的有效性。 1 预应力 R P C电杆承载力计算方法 试验研究表明4 ， 等径环形截面钢筋混凝土电 一 25 2 0 1 3年 第 6期 混凝 土 与水泥 制 品 总第 2 0 6期 杆正截面的平均应变基本符合平截面假定 ， 截面达 到承载能力极 限状态时 ， 截面受拉 区纤维混凝土仍 能承担部分拉力 。 等径预应力 R P C电杆环形截面极 限承载 计算 的应 力状 态如 图 1 所 示 。 图 1 预应力 R P C电杆截面及应力分布图 根据文献 6 1 1 文献 7 】 ， 并结合 笔者课题 组对 R P C材料力学性能试验 的研究结果 。 考虑部分利用 R P C较 高 的抗 拉 强 度 及 韧 性 ，引 入钢 纤 维 种 类 对 R P C抗拉 作用 影响 系数 ， 提 出 了预应力 R P C电杆 正 截面受弯承载力的统一计算公式 ： M p = fA( r 2 ) + 一 ) A r p A( n + r 2 ) + A s ( 1 ) 厶= 1 O ( 2 ) 当只配有预应力钢筋时 ( A 0 ) ， 相对含筋率 宜符合 ： = 0 7 5 ( 3 ) cA 当同 时采 用 预应 力钢 筋 和非 预应 力 钢筋 时 ， 相 对含筋率 宜符合 ： ： 1 2 5 ( 4 ) ， c 式中 ： F 2 分别为 R P C电杆环形截 面的内外半 径 ； 为纵向预应力筋所在 圆的半径 ； A为 R P C截 面面积 ； A 为纵向预应力钢筋截面面积 ； A 为纵 向 非预应力普通钢筋截面面积 ； 为 R P C轴心抗压强 度设计值 ； 厂 为纵向预应力筋的抗压强度设计值 为纵 向预应力筋的抗拉强度设计值 ； 为纵 向预应 力钢筋 的有效预应力 i 为非预应力钢筋的抗拉强 度设 计值 i 为受 拉 区 R P C等 效矩 形应 力 图形 的抗 拉强度 ； 为等效受压 区 R P C截面面积与全截面面 积的比值 ； 。 为受拉纵 向钢筋截面面积与全部纵向 钢 筋截 面面 积 的 比值( 当 2 3时 ， = 0 ) -,j S , 为 R P C 一 2 6 一 基体混凝土抗拉强度设计值 ； A ， 为钢纤维含量特征 值 ； 为钢纤维种类对 R P C抗 拉作用影 响系数 。 口 、 的计算方法及 的取值见文献【 8 】 。 2 5 0 0 k V预应 力 R P C 电杆 设计 2 1 5 0 0 k V预应力 R P C电杆结 构形 式及设 计 工况 1 1 0 3 3 0 k V输 电线路 工程 中常用 的门型 电杆具 有承载能力大 ， 导线水平排列 ， 防雷性能较好 ， 能够 防止导线因不均匀脱冰舞动所引起 的碰撞 事故等 优点 ， 并且在设计 、 施工、 运行等方面也积累了较成 熟 的经验 。因此 。 本设计选择 自立式 门型电杆作为 5 0 0 k V预 应力 R P C电杆 的结 构形式 。考虑 到 5 0 0 k V 输电线路杆塔结构在大风 、 断线两种工况下承受 的 弯矩均较 大 ， 而通过合理设 置叉梁 可使大 风 、 断线 两种工况的弯矩相 当，故中间用交叉梁系统连接 。 电杆的分段按照有关 国家标准 并考虑杆塔施工与 运输方便 ， 预应力 R P C电杆杆段长度选 为 9 0 m， 分 段 之 间采 用法 兰连 接 。通 过 电气 校 验9 1 ， 得 到带叉 梁 预 应力 R P C电杆 的几何 尺 寸 ( 见 图 2 ) 。 单 位 in l n 图 2门型预应力 R P C电杆几何尺寸 设计条件按照电力工程 高压送 电线路设计 手 册 中 5 0 0 k V输电线路设计条件选取 ， 导线为 4分裂 L G J 一 4 0 0 3 5型钢芯铝绞线 ， 采用水平排列 地线采 用 G J 一 1 5 0双避雷线 ， 水平档距 为 4 2 0 m 垂直 档距 为 5 5 0 m， 最 大 风 速 为 3 0 n d s ， 最 高 气 温 为+ 4 0 C， 最 低气温为一 1 0 c I = ， 设计覆冰厚度为 1 0 mm t 姗。 根据以上 设 计条 件 ，计 算 得 到 5 0 0 k V预 应 力 R P C电杆 在 各 种 工况下 所 承受 的荷载 ， 见表 1 。 2 2 5 0 0 k V预应力 R P C电杆的内力计算及截面设计 本文对预应力钢筋 R P C电杆进行设计 结构形 式 为 带叉 梁 的 门型结 构 。假 设 地 面 为 刚性 内力 计 算采用简化方法 9 。通过计算预应力 R P C电杆在七 种工况下 的荷载及 内力 ， 比较计算结 果可知 ， 正常 运 行 情况 下 最 大风 速工 况 为控 制 工 况 ， 该 工 况下 电 王德弘 ， 鞠彦忠 ， 康孟新 预应力等径活性粉末混凝土电杆的设计研究 杆根部承受 的最大弯矩为 4 4 2 3 k N m：事故情况下 断边导线工况为控制工况 ， 该工况下 电杆承受的最 大弯矩为 7 4 8 k N m。因此 ， 预应力 R P C电杆设计工 况为正常使用情况下的最大风速工况。 根据公式( 1 ) 公式( 4 ) 对预应力 R P C电杆进行 设计 ， 为作对 比 特列 出了部分预应力 R P C电杆参 数及承载力 。 选取预应力 R P C等径电杆截面直径为 5 5 0 mm， 壁 厚为 1 0 0 m m， 即 r l = 2 2 5 mm， r 2 = 2 7 5 mm， 纵 向预应力钢筋所在 圆的半径 r D 为 2 5 0 m m， 预应力筋 选 用 1 6根直 径为 1 2的高 强度 钢筋 4 5 S i C r 。 部 分预 应力 R P C等径 电杆截 面直径为 4 0 0 m m，壁厚 为 1 0 0 mm， 即 r l = 2 0 0 mm， r z = 1 5 0 mm， 纵向钢筋所在圆的 半径 r D 、 r 日 为 1 7 5 ra m。 预应力筋选用 1 2根直径为 1 2 的高 强度 钢 筋 4 5 S i ： C r ，非预 应力 钢 筋选 用 1 2根直 径为 1 6的 I V 级冷 拉 钢筋 ， 预应 力 钢 筋 和非 预应 力 筋相 间布置。高强度钢筋 4 5 S i ： C r 的抗拉强度设计 值为 1 0 0 0 MP a ； I V级冷拉钢筋抗拉强度为 5 8 0 MP a ， 抗 压强 度 为 4 0 0 MP a 。预应 力 R P C电杆 参数 及承 载 力见表 2 ， 两种 电杆的承载力均大于 4 4 2 3 k N m， 满 足 设计 要求 。 表 2预应力和部分预应力 R P C电杆设计 3 预应 力 I q P C 电杆 数值 计算 与分 析 3 1 预应力 R P C电杆有限元模型 对两种无拉线预应力等径 R P C双杆分别整体 建模 ， 进行有限元分析。R P C材料采用 S o l i d 6 5单元 模 拟 ， R P C材 料 设 计 强 度 为 1 2 0 MP a ，弹 性 模 量 为 4 8 G P a ， 泊松 比为 0 2 ， 其本构关系见文献 1 l 】 。非预 应 力 钢筋 选 用 两节 点 的 l i n k 8单 元模 拟 。非 预 应力 钢筋的应力一 应变关系简化为双折线形式 ，使用经 典 的双线 形 随动强 化 ( B K I N) ， 抗 拉 强度 和抗 压 强度 设 计值 分别 为 5 8 0 MP a和 4 0 0 MP a ，弹 性模 量为 1 8 0 G P a ， 泊松 比为 0 3 。预应力钢筋可采用 L I N K1 0 单元模拟， 只考虑其受拉 ， 其弹性模量为 2 0 6 G P a ， 泊 松 比为 0 3 。 3 2 预应力 R P C电杆强度验算 通过对不 同工况条件下 的荷 载结算结果 比较 可 知 正 常运 行最 大 风速 工 况为 预 应力 活 性粉 末 混 凝 土 电杆 的控 制工 况 。因此 ， 采 用 正 常运 行最 大风 速工况下的荷载对 电杆进行加载计算 。 两种预应力 R P C电杆应力计算结果见表 3 。 从表 3计算结果可以看 出， 两种预应力 R P C电 表 3 两种预应 力 R P C电杆应力计算结果 杆均能够充分发挥高强度 钢筋抗拉 强度 高和 R P C 材料抗压强度高的优点 。 采用 R P C材料制作预应力 电杆 ，既能够充分利用了高强钢筋 的抗拉强度 ， 又 能较 大程 度地 利用 R P C材 料 超高 的抗 压强 度 。 并对 一 2 7 2 0 1 3年 第 6 期 混凝 土与水 泥制 品 总第 2 0 6期 其 抗拉 强度 也有一 定程 度 的应用 。 因此 ， 预应 力R P C 电杆结构中两种材料受力合理。 3 - 3 预应力 R P C电杆变形验算 D 5 1 5 4 - 2 0 0 2标 准 中给 出的 构 件 在 正 常 使 用极 限状 态 下 的挠 度 计 算 方 法 是 根 据 刚 度 用 结 构 力学 的方 法 计算 同 。此 处 考虑 活 性 粉末 混 凝 土 中纤 维对其抗拉性能及韧性的改善作用 ， 计算开裂后的 短期刚度时引入刚度提高系数 ， 在荷载的短期效应 组合下 ， 预应力活性粉末混凝土电杆开裂前和开裂 后 的的短期刚度的计算公式分别为 ： =0 8 5 E J o ( 5 ) 4 3【 0 6 5 寺( 鲁一 0 7 ) E j o ( 0 7 1 0 ) ( 6 ) I V s 预应力活性粉末混凝土电杆的长期 刚度 为： ( 7 ) 式 中： 为 电杆 的短期刚度 ， N mm 2 ； 丘 为活性 粉 末 混 凝 土 的弹 性模 量 ， N mm ： 为 换算 截 面 的惯 性矩 ， m m 4 ； ， 为验算截面 的开 裂弯矩 ， N mm； Ms 和 耽 分别按荷载短期效应组合和荷 载长期效应组 合计算 的 R P C电杆受弯时验算截面的弯矩 ， N m m。 按照此方法计算得到在长期荷载效应组合 下 预 应 力 活 性 粉末 混 凝 土 电杆 和部 分 预应 力 电杆 的 杆顶 最 大位 移 为分 别 为 1 8 0 3 mm 和 1 0 9 0 ra m， 两种 电杆的侧 向位移均较小 。分别计算两种预应力 R P C 电杆在长期荷载效应组合下的变形 ， 并提取节点位 移 。 预 应 力 R P C电杆 顶 端最 大位 移为 1 9 3 7 5 mm。 部 分 预 应力 R P C电杆顶 端 最大 位 移为 1 0 3 6 ra m， 与 理 论计算结果 比较接近 。 3 4 预应力和部分预应力电杆的性能、 优势对 比分 析 根据表 2中两种预应力 电杆 的设计参数对 比 分析可知 ，在相 同承载力条件下 ，相对 于预应力 R P C电杆 ， 部分预应力的 R P C电杆较大程度上减小 了电杆直径 ， 减少 R P C材料用量约为 3 O ， 可降低 电杆造价 ，同时能够较大程度地减轻 电杆的 自重 。 便 于施 工 。因此 ， 部 分 预应 力 活性 粉 末 混凝 土 门型 电杆更适用于档距较大 的多回路输电线路 。同时， 采 用 部 分 预应 力 电杆 可 以克 服 非 预 应 力 电杆 易 产 生横 向裂 纹 和预 应 力 电杆 因过 大 的应 力 易 产 生 纵 向裂纹的缺点 ， 大大提高了预应力活性粉末混凝土 电杆的耐久性 ，使其长期成本得到较大程度 的降 低 。 一 2 8 4结论 ( 1 ) 采用 R P C材料制作预应力 电杆能够充分发 挥高强度钢筋抗拉强度高和 R P C材料抗压强度高 的优点 。 电杆 中两种材料的受力合理 。无拉线 预应 力 R P C门型 电杆能 够 满 足 5 0 0 k V输 电线 路 强 度 要 求 。 ( 2 ) 相 同承载力 条件下 ， 采 用部 分预应 力 R P C电 杆可以较大程度上减小 电杆直径 。 减少 R P C材料用 量 ， 降低 电杆造价 ， 同时能够较大程度减轻其 自重 ， 便于施工。 ( 3 ) 本文提出了预应力 R P C电杆实用设计方法 ， 可 用于预 应 力 R P C电杆 的实际 工程设 计 。 参考文献 ： 【 1 】 方强 高强 度环形部分 预应 力混 凝 土电杆 的设计 f J 电力 建设 1 9 9 9 ( 5 ) ： 2 9 3 1 2 】F D e L a r r a r d ， T S e d r a n Mi x t u r e p r o p o r t i o n i n g o f h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e J C e m C o n c r R e s 2 0 0 2 ， 3 2 ( 1 1 ) ： 1 6 9 9 1 7 04 【 3 R i c h a r d P ，C h e y r e z y MC o m p o s i t i o n o f r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e s J C e me m C o n c r R e s 1 9 9 9 ， 2 5 ( 4 ) ： 1 5 0 1 - 1 5 1 1 4 】 赵顺 波， 李凤 兰， 高润东 预应力 钢纤维混凝土 电杆 的研 制 J 】 混凝 土与水泥制 品 ， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 2 0 2 2 【 5 高 润东， 赵顺波， 张 天光 ， 等 离心 成型钢筋 钢纤维混凝 土 电杆受力性能试验研究【 J 1 土木工 程学 报， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 8 ) ： 4 8 5 3 【 6 中华人 民共 和 国国家经济 贸易 委员会 D UT 5 l 5 4 2 o o 2 架 空送 电线 路杆塔结 构设计 技术规定 S 1 北 京： 中 国电力 出 版 社 2 0 0 2 【 7 】 大连理工大学 C E C S 3 8 ：2 0 0 4纤维混凝土结构技术规程 S 】 北京： 中国计 划出版社。 2 0 0 【 8 】 贾玉琢，王德弘， 汪志 部分 预应 力筋活性 粉末混凝 土电 杆的设计研究 J 】 混凝土， 2 0 1 2 ( 9 ) ： 1 3 6 1 3 9 9 】 刘振 亚 国家 电网公司输变 电工程典 型设计 M 】 北京： 中 国 电力 出版 社 2 0 0 5 【 l 0 张殿生 电力 工程高压送 电线路设计手册 M 北京 ： 中国 电力 出版社 2 0 0 4 1 1 】 鞠彦 忠， 王德 弘， 李秋晨， 等 钢纤 维掺量对 活性粉末混 凝土力学性能 的影响 J 实验力学， 2 0 1 1 ， 2 6 ( 3 ) ： 2 5 4 2 6 0 1 2 】 鞠彦忠， 王德弘， 单 明 活性粉末混凝土力学性 能及冻融 性能研究 J 实验力学， 2 0 1 2 ， 2 7 ( 2 ) ： 2 1 4 2 2 0 1 3 鞠 彦忠， 单 明， 孟现安 5 0 0 k V活性 粉末混凝 土 电杆 的 设计【 J 】 中国电力， 2 0 0 8 ， 4 1 ( 1 1 ) ： 6 2 6 5 收稿 日期 ： 3 0 1 3 0 4 2 7 作者简介 ： 王德弘( 1 9 8 5 一 ) ， 男 ， 助教 。 通讯 地址 ： 吉林省吉林 市长春路 1 6 9号 联系电话 ： 1 5 9 0 4 3 2 1 8 3 6 E ma i l ： wd h g e d x1 6 3 c o m