王高益
(海南电力设计研究院,海南 海口 570203)
为了深入贯彻落实科学发展观和《中华人民共和国科学技术进步法》,推动混凝土与水泥制品行业的技术进步,鼓励技术创新,充分发挥科学技术是第一生产力的作用,促进循环经济建设,建设两型社会,实现经济社会和生态环境可持续发展,我国发布了由中国混凝土与水泥制品协会制定的《混凝土与水泥制品行业技术进步指南(2009)》(以下简称《指南》)。
《指南》中强调,要以市场为导向,重点发展高(高强、高工压、高耐久性)、大(大口径、大规格、大弯矩)、新(新型建材及制品)、特(特殊功能、特殊用途、特殊规格)的水泥制品,如预应力高强混凝土管桩、异型桩、大规格超长管桩,大梢径、大弯矩混凝土电杆(即高承载力环形部分预应力混凝土电杆)。本文围绕高承载力环形部分预应力混凝土电杆在35耀220 kV架空输电和10 kV配电线路上的应用来展开。
我国输电线路杆塔的发展,从木质电杆到水泥电杆,再到钢结构杆塔,已经有了100多年的历史,其中,从1924年我国生产出第1根方形实心水泥电杆至今,我国水泥电杆也有近90年的历史,其发展历程如表1所示。
表1 我国水泥电杆的发展历程
从表1可以看出,1924年至1964年,我国水泥电杆得到了快速的发展。1964年到2003年,我国水泥电杆的发展几乎处于停滞阶段,在此期间,很多学者都认为水泥电杆已经发展到了尽头,不可能再有大的发展了,而且很快就会被钢结构杆塔所淘汰。随着高承力环形部分预应力混凝土电杆的出现、推广及使用,可以肯定在今后相当长的一个时期内,在35耀220 kV架空输电和10 kV配电线路上,以及受走廊限制的城市电网中,水泥电杆不但不会被钢结构杆塔所淘汰,相反,还会取代相当一部分钢结构杆塔[1]。
从1964年到2003年近40年,在我国水泥电杆的发展几乎处于停滞阶段,综合分析主要有以下几个因素:
1)我国低水平的基础工业。水泥电杆的发展很大程度上依赖于水泥工业和钢铁工业,改革开放以前,落后的水泥工业和钢铁工业制约了水泥电杆的发展。
2)电力工业发展停滞不前。改革开放前期,我国高压输电线路以10 kV、35 kV和66 kV输电线路为主,这些等级的输电线路对线路器材的要求相对较低,用现有普通水泥电杆就可满足要求。
3)我国低等级的公路和落后的车辆运输。水泥电杆从制造工厂到使用工地,中间有一个运输过程,而且绝大多数都是公路运输。前些年,由于我国的公路等级低,运输车辆的货卡长度短,难以运输10 m以上的水泥电杆。
4)国标的束缚。所有生产电杆的厂家,都是按照国标GB/T 4623-2006的标准来生产电杆,比如:梢径190 mm长15 m的水泥电杆,在国标中有F、G、H、I、J 5个级别,而作为最高级别J级的电杆开裂弯矩仅为42.88 kN·m。
近几年,随着国民经济和电力的快速发展,高承载力环形部分预应力混凝土电杆在35耀220 kV和10 kV配电线路上的使用越来越多,其产生主要归结于以下几个因素:
1)我国改革开放30多年,基础工业取得了翻天覆地的变化,水泥工业和钢铁工业有了较大的发展,特别是高标号的水泥及其各种添加剂,如减水剂、减气剂,水泥纤维的应用,高强度钢筋的出现,为水泥电杆的发展提供了基础条件。
2)随着国民经济的迅速发展,电力需求越来越大,对电网建设的要求越来越高,输配电线路向大线径、大档距、多回路发展;原国标电杆已不能满足10 kV架空输配电线路的设计要求,为了保证线路设计的合理、安全,降低采用钢结构塔替代而增加的投资,这就对电杆技术性能提出新颖的、更高标准的要求。
3)近几年人们的观念发生了很大的变化,开始意识到土地资源的匮乏,普通水泥和等径预应力混凝土电杆因其开裂弯距有限,在许多情况下,等径预应力混凝土电杆需要打拉线来满足力学要求,而打拉线会占用大面积的土地,为节约土地资源,需要能承受更大弯距的电杆出现[2]。
部分预应力混凝土电杆是相对于“全”预应力混凝土电杆而言的。全预应力混凝土电杆施加预压力的程度,是以结构在标准荷载下,电杆受拉区边缘不出现拉应力[3];部分预应力混凝土电杆则允许电杆产生拉应力或允许构件出现有限制的细小裂缝。我国预应力混凝土根据结构对抗裂性能的要求,分为严格要求不出现裂缝、一般要求不出现裂缝和允许出现裂缝三级。现行国家标准GB/T 4623-2006将电杆分为有限预应力混凝土电杆和部分预应力混凝土电杆,规定有限预应力混凝土电杆在标准荷载100%时,不得出现裂缝,即抗裂检验系数允许值大于1.0;部分预应力混凝土电杆在标准荷载80%时,不得出现裂缝,即抗裂检验系数允许值>0.8,在100%标准荷载作用下,裂缝宽度<0.1 mm。现行预应力混凝土电杆国家标准规定的有限应力混凝土电杆相当于二级,部分预应力混凝土电杆相当于三级。二级是标准荷载下混凝土电杆抗拉强度的极限状态,三级是80%标准荷载下混凝土电杆抗拉强度的极限状态[4]。
锥形电杆是一种变截面构件,锥度一般为1/75,顶部和根部的直径和截面积相差较大,这主要是由电杆的受力特点决定的。这种电杆的配筋,可以用部分通长的预应力钢筋,另外根据设计弯矩要求在根部段布置一定长度的非预应力钢筋骨架,从根部到顶部逐段抽筋,以此来满足部分预应力混凝土电杆的抗裂要求,同时又能达到杆段所需要的强度要求。杆段的截面积、配筋率、承载能力从顶部向根部逐步增加,与外力对电杆所产生的弯矩大小保持一致,从而做到省材、性能好、结构合理。
预应力主筋采用热处理钢筋40Si2Mn,强度标准值为1 470 N/mm2,或消除应力螺旋筋钢丝,强度标准值为1 570 N/mm2,执行标准为GB/T 5223-2002《预应力混凝土用钢丝》。
非预应力主筋采用HRB 335(20MnSi)或HRB 400(20MnSiV),其强度标准值为335 N/mm2和400 N/mm2,执行标准为GB 1499-1998《钢筋混凝土用热轧带钢筋》。
混凝土强度等级不低于C60,采用42.5级及以上普通硅酸盐水泥。
高承载力环形部分预应力混凝土电杆作为一种新型杆塔结构型式,与普通混凝土电杆和钢结构杆塔相比,在许多方面存在着明显的优势,具体如下。
1)承载力明显提高,优化结构设计,采用先进的生产工艺,使其承载力比普通混凝土电杆提高3耀5倍,满足大线径、大档距、多回路输电线路的设计要求。
2)在钢筋配置上,选用优质碳素钢丝与II级钢进行优化组合配置,充分发挥不同材料的力学性能,使其更加合理。
3)兼有预应力混凝土电杆与普通混凝土电杆2种结构的优越性,使其具有较好的韧性和抗裂性,更好地将裂缝、变形及破坏控制在使用条件下,结构安全可靠[5]。
4)改进混凝土配合比,掺入特殊外加剂及活性材料,提高混凝土强度等级,大大提高了产品抗腐蚀性和耐久性,延长产品的使用寿命。
1)造价低。比相同承载力的钢结构杆塔造价要低30%以上,如果是直线杆替换铁塔的话,则可降低造价40%以上(含基础、安装、维护费用)。
2)使用寿命长。比钢结构杆塔延长使用寿命15年左右。
3)免打拉线,节约占地补偿费。高承载力电杆比钢结构杆塔占地补偿费要少3倍以上。
4)安装简捷、方便,大大缩短施工工期。
5)美化城市,无需日常维护费用,避免钢结构杆塔因时间长而生锈所导致的影响市容或增加维护费用的情况。
随着国民经济的迅速发展,电力需求越来越大,对电网建设的要求越来越高,两大电网公司正积极开展“资源节约型、环境友好型,新技术、新材料、新工艺”输电线路建设,作为“两型三新”电网建设的最好体现,高承载力环形部分预应力混凝土电杆在输电线路上的适应范围将越来越广,它将取代相当一部分的钢结构杆塔而成为一种主流线路器材,也必将产生显著的经济效益和社会效益。
[1]张殿生.电力工程高压送电线路设计手册[M].2版.北京:中国电力出版社,2003.
[2]陈伟信,陶春凤.15 m高强度环形部分预应力混凝土电杆的研制与开发[J].混凝土世界,2009(11):56-59.
[3]方强.高强度环形部分预应力混凝土电杆的设计[J].电力建设,1999(5):29-32.
[4]陈伟信,王小芸,林前.高强度环形部分预应力混凝土电杆的研制[J].上海电力,2007(4):417-419.
[5]中国建设材料工业协会.GB/T 4623-2006环形混凝土电杆[S].北京:中国标准出版社,2006.