部分预应力筋RPC电杆的连接设计研究

何 平，何若冰，王新颖，于东旭

(1.广东省广东电网公司阳江供电局，广东 阳江 529500;2.东北电力大学建筑工程学院，吉林 吉林 132012;3.黑龙江省大庆市电业局，黑龙江 大庆 163000)

活性粉末混凝土(RPC)是一种超高强度、超高性能的高致密水泥基复合材料，其制作的基本思路是剔除掉粗骨料，依据最密实堆积原理，掺入一定量的短细纤维和活性矿物的掺合料，并且在养护过程中施加围压、采用热处理的方式，从而获得非常优异的力学性能、耐久性及环保性能，适宜做高耐久性高强混凝土电杆[1，2]。但电杆的长度过长使得电杆的生产采用分段式生产方式，存在一个杆段连接拼装的问题。目前常用的连接方式有两种:钢圈焊接和法兰连接[3]。鉴此，本文以钢管塔中常用的法兰连接的方式为原型，设计出适合本课题组所研发的现有部分预应力筋RPC电杆的连接法兰，根据国家电网企业执行标准设计适合500 kV部分预应力筋RPC电杆的连接法兰规格。采用法兰连接有助于缩短施工周期，便于更换，方便利用机械化进行操作，有极大的理论与实际意义，在工程应用中值得广泛推广。

1 法兰节点详述

法兰的节点形式主要包括:刚性法兰(也称有加劲法兰)、柔性法兰(也称无加劲法兰)等，最为传统的也是应用最为普遍的是带加劲肋的刚性法兰，刚性法兰具有很高的强度和刚度，符合“强节点、弱构件”的设计原理[4，5，6，7]。结合部分预应力筋RPC电杆强度高等特点，本文选取刚性法兰的连接方式来设计电杆的连接法兰。

在带加劲肋法兰盘厚度方面，《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》[8]要求不小于16 mm;《高耸结构设计规范》不小于20 mm。

2 法兰规格的拟定

2.1 法兰盘尺寸的拟定

以目前常用的连接法兰的构造模式(如图1所示)和本课题组所研发的现有的500 kV部分预应力筋双杆尺寸(如图2所示)为依据，按照《国家电网企业执行标准》Q/GDW391－2009中输电线路钢管塔构造设计规定中的有劲法兰规格表来设计[9]。RPC电杆尺寸为:外圆半径Dw=200 mm，内圆半径Dn=150 mm，钢筋与电杆中心距r=175 mm。初步拟定法兰尺寸如图3所示，外圆半径D'w=331 mm，内圆半径D'n=150 mm，螺栓与法兰盘中心距r'=227 mm，焊接与法兰盘的钢管外径Dsw=200 mm，内径Dsn=190 mm，钢管高度H=200 mm。

图1 常用连接法兰的构造模式

图2 RPC电杆的电杆尺寸

图3 初步拟定法兰尺寸

2.2 螺栓规格和个数以及加劲板尺寸的拟定

根据国家电网企业执行标准，按照初步拟定法兰尺寸来选定螺栓规格和个数以及加劲板的尺寸，国家电网企业执行标准如下所示:

2.2.1 刚性法兰(也称有加劲法兰)的螺栓按下列系列公式计算:

(1)轴心受拉作用时，按下式计算:

(2)受拉(压)、弯共同作用时:

式中:M为法兰所受到的弯矩荷载，N.mm;N为法兰所受到的轴心作用力，N，在压力情况下取为负值;Yi为螺栓的中心到旋转轴的距离，mm。

通过查有劲法兰规格表，确定螺栓规格为M36×130，数目为16。有劲法兰，共16个。普通粗制镀锌螺栓8.8 级。

2.2.2 有劲法兰的法兰板厚度，应按下列公式计算:

通过查表可知法兰板厚度t=22 mm。

2.2.3 有劲法兰的加劲板，应按下列公式计算:

(1)竖向对接焊缝:

通过查有劲法兰规格表可知加劲板尺寸如图4。

图4 加劲板尺寸图

3 利用ABAQUS软件建立部分预应力筋RPC电杆和法兰模型

ABAQUS是一种强大的有限元分析软件，在商业有限元软件中占有极其重要的位置。它在从简单的线性问题到复杂的几何非线性、材料非线性问题上均获得了广泛应用，不论在工程应用还是在科学研究方面其有效性均得到了验证。ABAQUS包含了丰富的单元库和材料库，能够模拟各种材料受力和变形行为[10]。基于以上原因，本文选择利用ABAQUS有限元分析软件对初步拟定的法兰尺寸进行法兰和电杆的数值模拟。

考虑混凝土与钢筋具有相互独立的力学行为，为了实现混凝土与钢筋的界面效应，通过采用在混凝土模型中将“拉伸强化(tension stiffing)”，例如锁固行为与粘结滑移，以此可以将荷载传递作用通过模拟钢筋在开裂区已达到。所建立的有限元模型如图5所示、模型的相互作用如图6所示、具体参数如表1:

图5 网格划分示例图

图6 模型的相互作用定义效果图

表1 材料特性表

4 主要结果及讨论

4.1 通过ABAQUS有限元分析软件得到以下结果

(1)部分预应力筋RPC电杆在受到极限荷载时的应力云图，如图7、8所示。

图7 法兰底部应力云图

图8 在两个图上绘制应力云图(放大100倍)

(2)受外荷载作用时模型的变形图如图9所示。

(3)法兰盘底、法兰盘的加劲板、法兰钢圈在受外荷载时危险点处的应力曲线，如图10(a)、(b)、(c)。

图9 受外荷载作用时的变形图(放大100倍)

图10

4.2 对有限元分析结果的讨论

(1)对RPC进行分析，RPC电杆的抗压强度为145～170 MPa，而从RPC柱的应力云图以及危险点处的应力曲线图中可知，RPC柱的最危险点处的压应力大小为85 Mpa左右，远小于RPC电杆的抗压强度，这说明混凝土电杆的强度足以满足实际工况最大荷载的要求，也就是说电杆在受到实际工况最大外荷载作用的情况下，电杆是不会破坏的。

(2)Q345钢的屈服极限274～343 MPa，强度极限471～710 MPa。法兰盘底最危险点处应力大小为135 MPa左右，明显小于Q345钢的屈服极限274～343 MPa，结果表明所设计的刚性法兰满足强度的要求。

5 结 论

针对本课题组所设计RPC电杆的特点，借鉴现有部分预应力筋混凝土电杆连接的相关设计规范要求，拟定法兰的规格。通过ABAQUS软件对法兰和电杆进行数值模拟和有限元分析得出:当电杆和法兰受到极限外荷载作用时，法兰底、法兰加劲板和钢圈均出现最危险点，其最危险点的应力值均小于Q345钢的屈服极限。结果表明本文设计的部分预应力筋RPC电杆的连接法兰满足强度要求，从而解决了500 kV部分预应力筋RPC电杆在生产流程中的拼装连接问题，使之易于机械化操作，在设计和施工方面具有极大的理论与实际意义。

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[3]吕耀章，高泉兴.砼体底部带法兰的电杆.中国，CN03278199.7[p].公开号CN2641214.

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[5]陈海波，何长华，李振福，邢海军.钢管结构无加劲法兰计算方法的试验研究[J].电力建设，2005，26(7):16－20.

[6]黄永嘉，薛伟辰.轴心受拉柔性法兰设计研究[J].特种结构同济大学土木工程学院，2004，21(2):38－40.

[7]黄誉，邓洪洲，金晓华.钢性杆中刚性法兰的有限元分析[J].特种结构同济大学土木工程学院，2004，21(2):38－40.

[8]国家电力公司发布.架空送电线路钢管杆设计技术规定.北京:中国电力出版社，2002.

[9]国家电网公司企业标准Q/GDW391－2009[S].北京:中国电力出版社，2009.

[10]费康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社，2009.