外包钢加固环形混凝土电杆受弯承载力研究∗

殷晓三

(中原工学院建筑工程学院 郑州451191)

引言

电网建设推动着国民经济的发展,国民经济的发展对电网建设提出了更高的要求。在电网建设中,输电线路工作性能直接影响到电力供应的安全性,而环形混凝土电杆在输电线路中扮演中重要的角色,是保障输电线路正常运营的重要组成部分。然而,随着服役时间的推移、环境的侵蚀、荷载的增加、混凝土材料的老化和使用功能的改变等因素的影响,大量的环形混凝土电杆已经不满足相应的结构功能要求,在电力系统正常的运行中埋下了安全隐患。如果将电杆拆除重建,不仅工程量大、造价高昂,而且中断电力供应,将带来负面的社会影响。因此,采取维修加固的方法是解决该问题的必要选项,研究环形混凝土电杆不同的加固方法,对延长电杆的服役寿命具有现实意义[1,2]。为了能够对输电线路在台风作用下的力学影响进行准确的分析,以便有效地提高输电线路的防风加固效益,邓惠华[3]采用ABAQUS/CAE 建立了10kV 单回路配电线路一个标准段的有限元模型,对不同风速下线路的力学响应进行了研究。碳纤维布具有高强、轻质和耐久性良好等优点,被广泛应用于加固领域,徐金俊等人[5,6]对碳纤维加固环形混凝土电杆的受力性能展开的试验研究和受力机理分析,研究结果表明,碳纤维加固环形混凝土电杆后,受弯承载力得到了显著的提高,提高程度随着碳纤维粘贴层数增加而增加,但是与碳纤维粘贴层数不呈比例关系,其破坏形态呈现出明显的脆性。为了弥补碳纤维加固环形混凝土电杆受力性能的不足,本文提出了外包钢加固混凝土电杆的加固方法和施工工艺,并对外包钢加固钢筋混凝土电杆的受弯性能进行了分析,建立了受弯承载力计算公式,为选择环形电杆加固方法提供参考。

1 加固原理及施工工艺

1.1 加固原理

在钢管内浇筑素混凝土形成的钢管混凝土构件,不仅具有承载能力高、延性性能好、抗震性能优越等优点,而且具有节约材料、施工方便等经济效益,被广泛应用于工业与民用建筑,在城市拱桥和高炉锅炉构架中也普遍被接受。基于钢管混凝土理论,卢亦焱等[7]提出了钢管混凝土加固理论,在既有钢筋混凝土构件外部安装截面尺寸较大的钢管,在既有钢筋混凝土构件和外套钢管之间的间隙浇筑自密实混凝土,从而形成整体性能良好的加固组合柱,试验研究结果表明,可以按照钢管混凝土理论进行计算和设计。基于钢管混凝土理论,钟善桐[8]提出了外包钢加固钢筋混凝土方法,在既有钢筋混凝土构件外部设置钢壳,通过外部挤压作用,将钢壳与钢筋混凝土构件紧密贴近,随后采用焊接的方式,将钢壳连接形成钢管,从而形成类似钢管混凝土的加固组合柱,经过工程实例验证,其受力性能与钢管混凝土一致。

为了降低工程造价,适应于我国电力工业的快速发展,在钢管混凝土理论的基础上,哈尔滨工业大学、浙江大学、浙江省电力勘测设计院和辽宁省电力勘测设计院等科研机构开发了空心钢管混凝土结构。空心钢管混凝土又称离心钢管混凝土,是在钢管中浇筑混凝土,采用螺旋法在离心力的作用下,混凝土贴近钢管内壁,采用蒸汽养护,从而形成的空心的钢管混凝土构件[9]。空心混凝土电杆具有生产成本低、制作方便、使用寿命长、施工方便和环境适应性强等优势,被广泛应用于农配网输电线路、广播通讯和铁路接触网线支柱等领域,2017年上半年混凝土电杆生产量达到823万根,比2016年同期增长17.2%[10]。根据空心钢管混凝土理论,在外包钢加固钢筋混凝土方法的基础上,提出了外包钢加固环形混凝土电杆方法,用于改善环形混凝土电杆的结构功能。

1.2 加固施工工艺

外包钢加固环形混凝土电杆方法,以空心混凝土电杆为加固对象,以钢材为加固材料,以螺栓连接为连接方式,图1 给出了加固方法的示意图,加固施工工艺主要步骤如下：

(1)对于受损的环形混凝土电杆,清理受损部位的混凝土保护层,直至露出新鲜的混凝土骨料和受力钢筋,并清洗表面的杂物和粉尘; 对于混凝土劣化而表面无破损的电杆,清洗电杆表面的杂物和粉尘。

(2)根据对环形混凝土电杆受弯承载力的要求,选择相应厚度的钢板,根据环形混凝土电杆的直径,将钢板加工为成对的钢板曲壳,使得成对的钢板曲壳对接组合成钢管,成对的钢板壳具有相对应的螺栓孔,以便采用螺栓连接。

(3)将成对的钢板曲壳外套于混凝土电杆,保证其截面圆心与环形混凝土电杆截面形心重合,钢板曲壳对接处留有约1mm 缝隙。

(4)在钢板曲壳与环形混凝土电杆之间注入建筑结构胶。

(5)待建筑结构胶的强度达到设计强度后,清除钢板曲壳对接处约1mm 缝隙处结构胶。

(6)通过螺栓孔,采用螺栓连接,并用扳手对螺栓施加预应力,使得钢板曲壳对接处的缝隙闭合,以保证钢板曲壳对接形成的钢管对内部环形混凝土电杆具有较强的径向压力。

图1 外包钢加固环形混凝土电杆方法示意Fig.1 Schematic diagram of the strengthening

通过以上加固步骤可知,采用外包钢加固环形混凝土电杆方法,外部钢管对环形混凝土电杆形成主动约束,增强了外部钢管与混凝土电杆挤压作用,提高了外部钢管与混凝土电杆之间的滑动摩擦力,促进了加固材料与环形混凝土电杆共同工作性能。这种加固方法便捷快速,经济实用,不仅适用于环形混凝土电杆整体加固,也适用于环形混凝土电杆局部加固。

2 外包钢加固环形混凝土电杆受弯承载力计算

界面粘结力是保证两者共同工作的重要因素[11],钟善桐[8]提出的外包钢加固钢筋混凝土方法,通过径向的压力有效地保证了钢管与混凝土之间的粘结力,从而使得加固组合柱具有钢管混凝土相同的受力性能。本文提出的外包钢加固环形混凝土电杆的加固方法,通过径向压力保证了钢管与环形混凝土电杆有效地粘结; 由于加工精度的影响,外包钢管内径尺寸和环形混凝土电杆外径尺寸存在误差,填充建筑结构胶,弥补了两者之间的缝隙,增强了混凝土与钢管之间的界面作用力,使得加固后的环形混凝土电杆与空心钢管混凝土具有相同的受力性能,因此如果要得到外包钢加固环形混凝土电杆受弯承载力,首先应当了解空心钢管混凝土受弯性能及受弯承载力的计算。

2.1 空心钢管混凝土受弯承载力性能及计算

根据前述,外包钢加固混凝土电杆具有与空心钢管混凝土相同的性能,可以根据空心钢管混凝土理论建立受弯承载力计算公式。在工程应用中,一般荷载作用下,空心钢管混凝土结构的内力并不高,结构处于弹性工作状态; 在受力过程中,即使混凝土出现脱落现象,构件的承载力并不随之降低,而是以构件的变形来维持荷载。在对空心钢管混凝土受弯性能进行分析时,一般引入合理的假设,假定钢材处于单向受力状态,混凝土不承担抗拉作用,当构件达到受弯极限承载力时,混凝土受压强度达到峰值。空心钢管混凝土受弯承载力计算是以钢管混凝土统一理论为基础建立的。钢管混凝土统一理论把钢管混凝土视为统一的、连续的和相关的材料,空心钢管混凝土的工作性能随着材料的物理参数、几何参数、截面形式和应力状态的变化而变化。《空心钢管混凝土结构技术规程》(CECS 254： 2009)采用有限元法对实心钢管受弯全过程进行分析[12],最大拉应变为10000με 时对应的弯矩为极限弯矩,由此推导出的空心钢管混凝土受弯承载力计算公式：

式中： γm为塑性发展系数; Wsc为受弯构件截面模量(mm3); fsc为空心钢管混凝土抗压强度设计值(N/mm2); ϕ 为空心率; θ 为套箍系数; r1、r2为空心钢管混凝土内半径、外半径(mm); B、C 为截面影响系数; fc为混凝土抗压强度设计值(N/mm2)。

塑性发展系数γm主要考虑了空心率ϕ 和套箍系数θ 的影响,空心钢管混凝土的空心率ϕ 计算公式：

式中： Ah为空心部分面积(mm2); Ac为混凝土面积(mm2)。

套箍系数θ 计算公式：

式中： αsc为实心或空心钢管混凝土构件的含钢率; f 为钢材的抗压强度设计值(N/mm2); As为钢管面积(mm2)。

空心钢管混凝土抗压强度设计值除了考虑套箍系数之外,还考虑了截面影响系数B和C,其计算公式：

2.2 环形混凝土电杆受弯承载力计算

环形混凝土电杆一般沿周边均匀布置纵向受力钢筋,直接套用环形压弯构件,按轴向力等于零进行计算,其基本假定与普通钢筋混凝土受弯构件基本假定相同,主要设计技术标准有《混凝土结构设计规范》(GB50010 -2010)、《环形混凝土电杆国家标准》(GB/T4623 -2006)、《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T 5154 -2012)。以最新技术标准《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T 5154 -2012)进行相应计算分析,其受弯承载能力计算公式：

式中：α1为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,当混凝土强度不超过C50 时α1取为1.0,当混凝土强度等级为C80 时取为0.94,其间按线性内插值法确定;A为混凝土截面面积(mm2);α为受压区混凝土截面面积与全面积的比值;fs为钢筋抗拉强度设计值(N/mm2);As为纵向钢筋截面面积(mm2);rs为纵向普通钢筋所在圆的半径(N/mm2);αt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α＞2/3 时,取αt=0。

2.3 外包钢加固混凝土电杆受弯承载力简化与假定

根据空心钢管混凝土计算公式(1) ～公式(7)可知,空心钢管混凝土内部混凝土为素混凝土; 根据环形混凝土受弯承载力计算公式(8) ～公式(10)可知,计算公式考虑了纵向受力钢筋和环形箍筋对受弯承载力的影响。当外包钢加固环形混凝土电杆受弯承载力采用空心钢管混凝土受弯承载力理论和公式进行计算时,很明显,忽略了环形混凝土电杆中纵向钢筋和环形箍筋对受弯承载力的贡献。然而,忽略环形混凝土电杆中纵向钢筋和环形箍筋对受弯承载力的贡献,可以大大减小计算工作量,而且为加固构件储备了较大的安全余度。在外界自然环境和内应力的作用下,环形混凝土电杆出现裂缝、钢筋锈蚀和混凝土劣化等缺陷,这些缺陷分布不均匀,难以准确地检测和评估。因此,对加固构件的受弯承载力计算留有一定的安全余度是有必要的,从而增加构件受弯承载力的可靠性。

综上所述,建立外包钢加固环形混凝土电杆受弯承载力计算公式假定条件为： (1)忽略环形混凝土电杆中纵向钢筋和环向箍筋对受弯承载力的贡献; (2)环形混凝土和外部钢材组成的材料视为统一的、连续的和相关的材料。

根据这两条基本假定,外包钢加固环形混凝土电杆受弯承载力提高幅度：

式中：M1为按式(1) ～式(7)计算的外包钢加固环形混凝土电杆受弯承载力(N·mm);M0为按式(8) ～式(10)计算的环形混凝土电杆受弯乘承载力(N·mm)。

3 外包钢加固混凝土电杆受弯承载力计算实例

为了比较加固前后受弯承载力的变化,给出一组电杆加固前的测试数据,采用厚度为5mm、牌号为Q345、测试屈服强度为360N/mm2的钢管对环形混凝土电杆进行加固,根据上述推导的公式,编制Excel 表格进行计算,加固前后的计算数据见表1。

表1 外包钢加固环形混凝土电杆受弯承载力计算Tab.1 Calculation of flexural bearing capacity

表1 给出的外包钢加固环形混凝土电杆受弯承载力计算数据表明,采用空心钢管混凝土受弯承载力公式的计算值大于环形混凝土电杆加固前的受弯承载力计算值,符合构件经过加固后承载力得到提高的一般规律。因此,采用空心钢管混凝土受弯承载力公式计算外包钢加固环形混凝土电杆受弯承载力具有可行性。

4 结论

1.外包钢加固环形混凝土电杆的理论基础为空心钢管混凝土结构理论。

2.外包钢加固环形混凝土电杆的核心工艺是外部钢管对混凝土电杆形成主动约束。该加固工艺既适合于环形混凝土电杆整体加固,也适用于环形混凝土电杆局部加固。

3.空心钢管混凝土受弯承载力公式计算外包钢加固环形混凝土电杆受弯承载力具有可行性。