高强部分预应力混凝土电杆的连接设计研究

吴晨曦,吴秋生,于东旭,多伟红,白俊峰

(1.国网扬州供电公司，江苏 扬州 225000；2.国网大庆供电公司；黑龙江 大庆 163458；3.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012)



高强部分预应力混凝土电杆的连接设计研究

吴晨曦1,吴秋生1,于东旭2,多伟红2,白俊峰3

(1.国网扬州供电公司，江苏 扬州 225000；2.国网大庆供电公司；黑龙江 大庆 163458；3.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012)

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，具有非常优异的力学性能和耐久性，是制作高强部分预应力混凝土电杆的理想材料。目前这种电杆杆段的设计理论已经成熟，为推广应用现开展电杆杆段间及电杆同基础间连接方式的设计研究，并运用ABAQUS程序对所设计的刚性法兰连接方式进行数值模拟，分析局部受力情况，从而得到适合超高压线路使用的部分预应力RPC混凝土电杆的连接方式。

高强部分预应力混凝土电杆；连接设计；刚性法兰；数值模拟

1　高强部分预应力RPC电杆

钢筋混凝土电杆是我国的输电线路杆塔结构的主要形式之一，具有方便施工、钢用量少、经济性好维护工作量少等优点，但是在一些恶劣条件下，如高寒地区、盐类及电化学侵蚀等，普通钢筋混凝土电杆在经历几年或几十年的运行后，会不同程度地出现纵向横向裂纹、蜂窝麻面、掉砂掉块等现象，过早结束使用寿命。

活性粉末混凝土(RPC)是一种新型超高强度超高性能的高致密水泥基复合材料。目前研究的RPC材料抗压强度可达170 MPa以上，抗折强度和弹性模量分别高达30 MPa和50 GPa；由于内部孔隙率很小，所以有着优良的抗氯离子渗透、抗碳化、抗腐蚀、抗渗、抗冻及耐磨等耐久性。因此RPC是制作混凝土电杆的最理想材料[1]。

部分预应力活性粉末混凝土电杆是合理地选用预应力与非预应力钢筋，配以高强度RPC混凝土，使三者有机结合，从而极大提高了混凝土电杆的强度及抗裂性能，并具有良好的耐久性和免维护性[2]。

目前这种高强度部分预应力RPC电杆本体从材料配比到设计再到生产过程的相关技术都已成熟，但对使用过程中的拼装连接问题还有待研究。

2　连接方式选择

目前普通混凝土电杆考虑堆放、运输和施工等环节，杆段间通常主要使用钢圈焊接，并且得到推广，但缺点是只能承受很小的弯矩。少部分混凝土电杆采用法兰连接，混凝土电杆连接的法兰构造上可分为有劲法兰和无劲法兰两种形式。前者称为刚性法兰，刚性法兰的特点即刚度大、承载力高，但也有弱点，如节点焊接工作量大，焊接后焊缝中的残余应力则难以估计。后者又称为柔性法兰，因为去掉了加劲肋，大大减少了法兰盘的焊缝数量，加工简单，安装方便，可以保证法兰盘平整度，但节点刚度比较小，法兰盘和的连接螺栓的受力状态相对于有加劲肋法兰而言比较复杂。

鉴于高强度部分预应力筋RPC电杆代替铁塔应用到超高压输电线路中，设计荷载特别大，连接处受力要比普通混凝土电杆大很多，也复杂很多。借鉴钢管杆的连接设计，拟采用刚性法兰作为高强度部分预应力筋RPC电杆的杆段连接方式。重点分析混凝土和法兰钢圈间、预应力筋和法兰板间相互作用及传力机理。

3　刚性法兰设计

3.1受力模式

当刚性法兰在承受压力荷载和弯曲荷载时，其受压边缘的力是由钢管管壁与法兰板之间的内外环连接焊缝来传递的，而内外连接环焊缝的承载力之和应不小于钢管管壁的承载能力。法兰在受拉的过程中法兰盘承受的是弯曲荷载，法兰盘的受弯是由最大受弯螺栓所在的区域控制的[3]。

3.2刚性法兰的螺栓计算[4]

(1)轴心受拉作用时，按下式计算：

(1)

(2)受拉(压)、弯共同作用时:

(2)

3.3刚性法兰中法兰盘的计算

(1)法兰盘的受力特性，可视作三边支撑板，即两边固定、一边简支见图1所示：

图1　刚性法兰盘受力示意图

板上的均布荷载：

(3)

(2)板中的最大弯矩：

(4)

(3)法兰盘的厚度：

(5)

式中：t为法兰盘的厚度，mm。

3.4刚性法兰中加劲肋板的计算

(1)在采用对接焊缝时，按下式计算(图2)：

图2　加劲肋板受力简图

竖向对接焊缝：

(6)

(7)

(8)

水平对接焊缝：

(9)

(2)在采用角焊缝时，按下列公式计算：

剪应力：

(10)

正应力：

(11)

3.5初步拟定法兰规格

以东北电力大学鞠彦忠教授课题组研发的500 kV送电线路部分预应力筋RPC双杆为研究对象[2]，外形尺寸及抵抗弯矩见图3。

图3　高强部分预应力RPC双杆外形、截面尺寸图以及抵抗弯矩图(mm)

根据部分预应力筋RPC混凝土电杆尺寸，以及《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拟定法兰的尺寸，法兰材质Q345钢。

法兰外径：d1=662 mm；螺栓孔定位圆直径：d2=544 mm；钢圈外径：d3=400 mm；钢管端部与连接面距离：h1=12 mm；法兰厚度：C=22 mm；加劲板宽度：b1=128 mm；加劲板倒角后宽度：b2=10 mm；加劲板焊接切角宽度：b3=12 mm；加劲板高度：h2=140 mm。

3.6初步拟定螺栓规格[5]

螺栓个数计算时，先取钢管所能承受的最大设计荷载为计算荷载，按照规范公式计算出需要的螺栓数目。若计算出的数目为奇数，再加三个确定为所需螺栓数目；若计算出的数目为偶数，再加二个确定为所需螺栓数目。再看所需螺栓数目是否为4的倍数，如果不是，则增加螺栓数目使其成为4的倍数。

确定螺栓规格为M36X130，数目为16。有劲法兰，共16个。普通粗制镀锌螺栓8.8级。

4　有限元分析

考虑电杆在生产过程中刚性法兰是同预应力筋锚固并施加预应力后同活性粉末混凝土浇注离心成型，刚性法兰结构本身、以及同混凝土结合面处和同预应力筋锚固处的局部受力情况会非常复杂，有必要考虑不同介质的接触问题对结构进行有限元分析，得到局部受力情况。

4.1有限元模型建立

作为通用的有限元分析软件，ABAQUS特别擅长处理一些材料不均匀，接触面复杂的问题。对于接触问题，目前比较成熟的解决办法是将相邻的部位定义成接触面，两侧的构筑物定义为不同的材质进行模拟，目前比较常用的处理接触面问题的有直接法、接触力学方法和接触面单元法[6-8]。

考虑几何及材料非线性，将结构分为混凝土、钢筋(包括预应力和非预应力筋)和法兰四部分(见图4、图5、图6)，钢筋单元在有限元模型里是被叠加到模拟的混凝土单元网格上，法兰和钢筋固接。在混凝土与钢之间的相互作用定义为摩擦接触，采用的是“罚函数”的算法，主动面与被动面之间的摩擦系数选取为0.5。在法向的接触特性上，接触状态由接触面上的法向压强决定。当两个接触面处于接触状态时，法向压力为正，压力通过接触面可以传递。当法向应力减小至零或负的时候，接触面开始分离；而分离的接触面重新接触的时候，意味着法向压力重新为正。

图4 钢筋(预应力筋和非预应力筋)与法兰盘有限元模型图5 混凝土电杆有限元模型图6 整体有限元模型图7 模型的相互作用定义效果图

针对本模型的实际情况，对本模型共定义了6个相互作用，它们都是RPC混凝土和Q345钢之间的相互作用，其中相互作用属性定义为摩擦接触。与此同时创建了10个约束，其中钢筋与混凝土之间的约束定义为内置区域作用，钢筋与短柱端面定义为耦合作用，其余约束均定义为绑定。定义后的效果示意图如图7所示。

4.2结果分析

通过ABAQUS软件对有限元模型进行计算得到以下结果：

图8　混凝土电杆柱应力云图

(1)首先对电杆同法兰接触部分的混凝土强度进行分析：部分预应力筋RPC混凝土电杆本体在受到实际工况下最大荷载时的应力云图如图8所示，其最大压应力出现在电杆同法兰底盘接触处底面及内壁，危险点应力大小为85 MPa，小于其抗压强度145-170 MPa[9]，不会发生混凝土压溃现象。所以可以断定高强部分预应力筋RPC电杆在同法兰连接处的混凝土是不会发生受压破坏的，满足强度要求。

(2)刚性法兰中的钢圈、加劲板和盘底在受到实际工况下最大荷载时的应力云图如图9所示。钢圈的最大拉应力101.54 MPa出现在电杆受弯内侧钢圈同盘底交界处，最大压应力102.73 MPa出现在电杆受弯外侧同加劲板顶角焊接的位置；加劲板最大拉应力76.23 MPa出现在电杆受弯外侧同盘底焊接位置，最大压应力121.09 MPa出现在电杆受弯内侧同盘底焊接处；法兰盘底最大拉应力134.59 MPa出现在电杆受弯外侧同预应力筋固结位置，最大压应力162.31 MPa出现在受弯内侧同受压区混凝土接触处。均小于Q345钢的屈服极限274-343 MPa，因此可以说明所设计刚性法兰的强度满足要求。

图9　法兰的应力云图

5　结　　论

参考现行标准中的钢管塔连接法兰的相关设计规范要求，对适用于超高压线路上的高强度部分预应力筋RPC电杆的连接刚性法兰进行设计，并考虑接触问题利用有限元软件ABAQUS对所设计的法兰进行数值模拟，得到局部受力情况，从而使得高强度部分预应力筋RPC电杆的拼装连接问题得以解决。通过研究主要得出以下结论：

(1)采用刚性法兰连接500kV高强度部分预应力筋RPC电杆杆段及电杆与基础是可行的，可参照钢管塔节点设计规程进行设计，对其他类型大弯矩高强混凝土电杆连接设计提供参考，完善了大弯矩电杆的设计理论。

(2)有限元分析中高强部分预应力筋RPC混凝土电杆本体在最不利荷载作用下最大压应力为85 MPa，出现在同刚性法兰连接处，已经超过普通混凝土的承压能力，只有使用超高强度高性能混凝土才能达到500 kV输电线路电杆的承载能力要求。

(3)数值模拟计算结果显示刚性法兰的各个部件只有法兰盘底处同预应力筋固结处的应力最大，但是未超过Q345钢的屈服极限，因此可以说明所设计的刚性法兰的强度满足要求。

[1]鞠彦忠，王德弘，张超.活性粉末混凝土的研究与应用进展[J].东北电力大学学报，2011，31(5/6)：9-15.

[2]鞠彦忠，刘红星，汪志,等.超高压部分预应力活性粉末混凝土电杆的设计[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2009，5(4)：382-386.

[3]林震宇，张 静，吴炎海,等.钢管RPC短柱轴心受压试验研究[J].福建建筑，2003，14(3)：21-23.

[4]《国家电网公司企业标准》(Q/GDW391-2009) .北京：中国电力出版社.2009.

[5]吴国强，何长华，耿景都,等.钢管塔锻造法兰连接螺栓的受力计算[J].电力建设，2009，30(10)：1-5.

[6]王元清，孙 鹏，石永久.圆钢管法兰连接承载性能的有限元分析[R].北京：清华大学结构工程与振动教育部重点实验室，2009.

[7]RamaS.R，Gorla，Sreekantha R.Gorla.Probabilistic Finite Element Analysis of A Non-Gasketed Flance [J].International Applied Mechanics，2008，44(5)：34-36.

[8]M.Abid，M.Siddique，Topi，Pakistan.Finite-element simulation of tack welds in girth[J].International Applied Mechanics，2005，27(8)：19-21.

[9]鞠彦忠，王德弘，单明.活性粉末混凝土力学性及冻融性能研究[J].实验力学，2009，27(2)：214-220.

A Studyon Connection Design of the Partial Prestressed High Strength Concrete Pole

WU Chen-xi1,WU Qiu-sheng1,YU Dong-xu2,DUO Wei-hong2,BAI Jun-feng3

(1.Yangzhou Power Supply Company，Jiangsu 225000，China；2. Daqing Power Supply Company，Heilongjiang 163458，China；3.School of Architecture Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China)

Reactive Powder Concrete (RPC) is a new material with ultra high strength,high toughness,ultra-high durability and excellent volume stability.It is the best material to make EHV partial prestressed high strength concrete pole.The study of design theory of this pole has been very mature so far.To apply practically，the thesis studied and resolved the problem of connection on the section of the partial prestressed RPC pole,and utilized ABAQUS to analyze the stress state of rigid flange and the partial prestressed RPC pole.Therefor it obtained compatible connection-mode of EHV partially prestressed high strength concrete pole.

The EHV partial prestressed high strength concrete pole；The design of connection；Rigid Flange；Numerical Simulation

2016-04-12

吴晨曦(1985-)，男，江苏省扬州市人，国家电网扬州供电公司工程师，硕士，主要研究方向：输电线路工程管理.

1005-2992(2016)04-0078-06

TM753

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