变电站混凝土电杆装配式连接的受力性能试验与理论分析研究

曹 欣，王 刚，侯盛文

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001）

变电站混凝土电杆装配式连接的受力性能试验与理论分析研究

曹 欣，王 刚，侯盛文

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001）

以山西省实际工程为背景，使用有限元迈达斯软件进行了多种工况受力分析，对连接承载力进行了理论计算，模拟实际受力进行了现场原位试验，根据试验结果和理论分析验证了混凝土电杆装配式连接的可靠性，并对比了有、无装配式连接的经济效益，最终将其应用于工程设计中，为评价这种连接形式提供了有力的理论及实践依据。

混凝土电杆；装配式连接；现场原位试验

0 引言

变电站架构是变电站中主要支持结构的统称。按材料分为钢结构和混凝土结构[1]，相对应的前者采用钢管柱地脚螺栓式基础，后者采用混凝土电杆杯口式基础。

山西省在建的220 kV及以下低压等级变电站，多采用钢筋混凝土架构这种形式。其杯口式基础安装时需二次灌浆，产生了额外的养护时间，且安装调试相当繁琐，因此，将钢筋混凝土电杆杯口式连接改为基础中预埋设地脚螺栓的方法，具有重要的实际意义和应用价值。

本文以在建220 kV变电站工程为背景，使用MIDAS有限元软件对变电站架构进行了多种工况受力分析，对连接承载力进行了理论计算，并进行了现场原位试验，根据实验结果和理论计算验证了装配式连接的可靠性，最终将其应用在工程设计中，为评价这种连接形式提供了有力的理论及实践依据。

1 工程概况

工程位于山西省临汾市洪洞县境内，出线架构柱采用钢筋混凝土环形杆人字形式，两头设同材质端撑，架构柱顶标高16m，本文选取变电站220 kV出线架构作为研究对象。表1为各个工况的导线张力，以此计算架构柱的设计荷载。

表1 各工况导线张力载荷kN

2 理论分析

2.1 设计荷载及杆截面的选取

根据《建筑结构荷载规范》及《变电所建筑结构设计技术规程》对大风、覆冰、安装、检修四大工况下进行组合[2]，并选取了各个架构柱中的最不利荷载大小，M=25.2 kN·m；N=193 kN；V=6.5 kN，初步选取D=400mm，纵向钢筋As=5 900mm2的杆截面。

2.2 装配式连接设计

设计原则要求连接节点要大于杆体本身强度，混凝土杆钢圈内的钢筋应力有效传至法兰盘及其加劲肋，内衬混凝土可借助钢管对形成套箍作用，这样使电杆底部法兰盘与混凝土环形杆能共同工作；各构件的重心线应尽量交汇于一点，减少偏心，减少应力集中和次应力；力求结构合理，构造简单，合理统一构件的尺寸和规格，便于工厂化制作和机械化施工[3]。根据以上原则绘制连接节点详图。如图1所示，将混凝土电杆端部的钢圈嵌入法兰盘焊接，并加设加劲板。

图1 节点设计图，mm

2.3 计算校核

计算具体项目简要如下，参数见参考文献[1]。

杆体正截面承载力计算为

式中：M——弯矩设计值，kN·m；

fc——混凝土抗压强度设计值,N mm2;

fy——钢材的屈服强度设计值,N mm2;

A——环形截面面积，mm2；

r1——环形截面的内半径，mm；

r2——环形截面的外半径，mm；

α1——受压区混凝土矩形应力图的应力值与混凝土轴心抗压强度设计值的比值；

α——受压区混凝土截面面积与全截面面积的比值。

正截面偏心受压承载力为

式中：N——轴力设计值，N；

η——考虑结构偏移或挠曲时偏心距增大系数；

ei——轴向压力对截面重心的初始偏心矩，mm；

As——全部纵向普通钢筋的截面面积，mm2；

rs——纵向普通钢筋重心所在圆周的半径，mm；

αt——纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢

筋截面面积的比值。

连接节点计算，需验算法兰板强度、加劲板及其焊缝验算，钢筋连接强度。

a）法兰板强度

式中：Rf——法兰板之间顶力，N；

Nb——个螺栓对应的拉力，N；

e0——轴向压力对截面重心的偏心矩，mm；

s——螺栓间距，mm；

t——法兰厚度，mm。

b）法兰连接焊缝强度

he——角焊缝计算厚度，mm。

c）加劲板及其焊缝验算

加劲板焊缝验算沿杆体方向为

式中：hf——角焊缝的焊脚尺寸，mm；

l——焊缝长度，mm。

加劲板焊缝验算沿法兰方向为

式中：lw——角焊缝计算长度，mm。

加劲板验算沿杆体及法兰方向为

式中：h——加劲板高度，mm。

在接种疫苗的过程中，护士应密切关注儿童的具体情况，观察其是否出现汗出、心慌、头晕、发热、面色苍白等不良反应，如出现上述情况，应立即通知医生，给予妥善处理。

d）混凝土电杆钢筋连接强度根据《钢结构设计规范》第七章相关公式计算，此处从略。

计算结果见表2，由表2可知，装配式连接形式满足计算要求。

3 试验验证

3.1 试验准备

本次试验在山西省某生产试验基地进行,试验对象选取与实际工程一致钢筋混凝土环形杆进行试验，根据《环形混凝土电杆》GB/T4623—2006，试验构件的制作、外观及尺寸偏差需满足相关要求。

3.2 加载制度及加载图示

加载制度分为两个阶段，第一阶段检验正常使用极限状态下的受力情况，使用开裂弯距分级加载，第二阶段将进行破坏性强度试验。杆件破坏准则参照《环形混凝土电杆》GB/T4623—2006相关条文如下[4]。

表2 计算结果

a）受拉区裂缝宽度达到1.5mm或受拉钢筋被拉断。

b）受压区混凝土压碎破坏。

c）由于连接方式的改变，可能会出现钢圈屈服变形、钢筋的连接焊缝破坏，钢筋被拉出钢圈或钢圈本体将连接处的混凝土挤碎的情况。

3.3 实验结果简述

第一次加载：载荷加至开裂荷载，杆件出现轻微的变形，至开裂弯距时，混凝土杆端出现横向裂缝，连接节点正常。第二次加载：伴随加载杆体挠曲变形明显，杆端横向裂缝增多，纵向裂缝的出现，直至最后端部出现披裂的纵向裂缝，混凝土保护层脱落，混凝土杆件宣布破坏，端部钢结构连接节点处钢筋未拉断，焊缝及钢构件板材也未出现断裂。

试验结果说明，连接构件的节点强度大于杆体本身强度，装配式连接的承载力与理论计算的结果大致相等，部分数据如表3所示。

4 经济效益比较

现将传统的混凝土电杆杯口连接、钢管杆地脚螺栓连接、混凝土电杆装配式连接3种形式进行工程量及经济效益比较。

表3 试验结果

由表4可以看出，杯口式连接改为装配式连接后，两者工程量和造价差别并不是很大，但从施工角度出发装配式连接减少了湿作业,提前了基础回填的工程进度，缩短了施工周期一个月左右；钢管杆和混凝土电杆装配式连接比较得知，钢结构单价较高，造价昂贵。因此，装配式混凝土电杆连接经济效益显著。

表4 工程量经济效益比较

5 工程应用

变电站混凝土电杆装配式连接技术得到了山西省电力公司的大力推广，目前已应用于山西多个已投产及在建的变电站中。该技术施工过程如下：浇注基础(带地脚螺栓笼)—混凝土电杆(含底板法兰)工厂制作并运至现场—吊装—校对—装配连接（见图2）—打保护帽。

通过对施工现场调研，混凝土电杆装配式连接减少了湿作业，基础回填提前了一个月，为后续的设备安装及投产运行赢得了时间。

6 结论

本文结合工程实例，结合变电站架构实际工况，对混凝土电杆装配式连接进行理论分析及现场试验，并比较了其经济效益，可得出如下结论。

图2 装配连接

a）变电站架构在各种工况荷载下，混凝土电杆装配式连接无论从杆体本身还是连接节点均能满足承载力要求。

b）选取实际工程一致的杆件进行了现场原位试验，连接构件的节点强度大于杆体本身强度，杆件承载力与理论计算基本符合。

c）混凝土电杆本身就地取材方便，造价较低，在应用装配式连接后，减少施工湿作业，缩短了施工周期，直接带来经济效益。

[1]变电站构架设计手册[M].武汉：湖北科学技术出版社，2006.

[2]中国工程建设标准化协会.GB50009—2012 建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3]电力规划设计总院.DL/T5457—2012 变电站建筑结构设计技术规程[S].北京：中国计划出版社，2012.

[4]苏州混凝土水泥制品研究院.GB/T4623—2006 环形混凝土电杆[S].北京：中国标准出版社，2006.

M echanical Property Experiment and Theoretical Analysis on Assembly Connection of Concrete Poles at Transformer Substation

CAO Xin，WANG Gang，HOU Shengwen
（Shanxi Electric Power Exploration&Design Institute of China Energy Engineering Group Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Drawing experience from actual projects in Shanxi province,this article carries out stress analysis under many circumstances using the Finite Element Analysis software MIDAS，and carries out theoretical calculations on the bearing capacity and in-situ tests with simulation of actual stress.The experiment results and theoretical analysis prove the reliability of the prefabricated assembly connection of concrete poles.Thisarticles also compares the economic benefits ofadopting prefabricated assembly connection or not，and this connection mode is adopted to the construction design，which provides strong theoretical and practical evidence for the evaluation ofprefabricated assembly connection.

concrete polesof transformersubstation；assembly connection；in-situ test

TM753

B

1671-0320（2015）04-0062-04

2015-05-10，

2015-06-13

曹 欣（1981），男，山西太原人，2008年毕业于西安建筑科技大学结构工程专业，硕士，工程师，从事变电站土建专业设计工作；

王 刚（1983），男，山西大同人，2009年毕业于西安建筑科技大学结构工程专业，硕士，工程师，从事变电站土建专业设计工作；

侯盛文（1983），男，山西太原人，2009年毕业于太原理工大学结构工程专业，硕士，工程师，从事变电站土建专业设计工作。