部分預應力筋RPC電桿的連接設計研究

何 平，何若冰，王新穎，于東旭

(1.廣東省廣東電網公司陽江供電局，廣東 陽江 529500;2.東北電力大學建筑工程學院，吉林 吉林 132012;3.黑龍江省大慶市電業局，黑龍江 大慶 163000)

活性粉末混凝土(RPC)是一種超高強度、超高性能的高致密水泥基復合材料，其制作的基本思路是剔除掉粗骨料，依據最密實堆積原理，摻入一定量的短細纖維和活性礦物的摻合料，并且在養護過程中施加圍壓、采用熱處理的方式，從而獲得非常優異的力學性能、耐久性及環保性能，適宜做高耐久性高強混凝土電桿[1，2]。但電桿的長度過長使得電桿的生產采用分段式生產方式，存在一個桿段連接拼裝的問題。目前常用的連接方式有兩種:鋼圈焊接和法蘭連接[3]。鑒此，本文以鋼管塔中常用的法蘭連接的方式為原型，設計出適合本課題組所研發的現有部分預應力筋RPC電桿的連接法蘭，根據國家電網企業執行標準設計適合500 kV部分預應力筋RPC電桿的連接法蘭規格。采用法蘭連接有助于縮短施工周期，便于更換，方便利用機械化進行操作，有極大的理論與實際意義，在工程應用中值得廣泛推廣。

1 法蘭節點詳述

法蘭的節點形式主要包括:剛性法蘭(也稱有加勁法蘭)、柔性法蘭(也稱無加勁法蘭)等，最為傳統的也是應用最為普遍的是帶加勁肋的剛性法蘭，剛性法蘭具有很高的強度和剛度，符合“強節點、弱構件”的設計原理[4，5，6，7]。結合部分預應力筋RPC電桿強度高等特點，本文選取剛性法蘭的連接方式來設計電桿的連接法蘭。

在帶加勁肋法蘭盤厚度方面，《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》[8]要求不小于16 mm;《高聳結構設計規范》不小于20 mm。

2 法蘭規格的擬定

2.1 法蘭盤尺寸的擬定

以目前常用的連接法蘭的構造模式(如圖1所示)和本課題組所研發的現有的500 kV部分預應力筋雙桿尺寸(如圖2所示)為依據，按照《國家電網企業執行標準》Q/GDW391－2009中輸電線路鋼管塔構造設計規定中的有勁法蘭規格表來設計[9]。RPC電桿尺寸為:外圓半徑Dw=200 mm，內圓半徑Dn=150 mm，鋼筋與電桿中心距r=175 mm。初步擬定法蘭尺寸如圖3所示，外圓半徑D'w=331 mm，內圓半徑D'n=150 mm，螺栓與法蘭盤中心距r'=227 mm，焊接與法蘭盤的鋼管外徑Dsw=200 mm，內徑Dsn=190 mm，鋼管高度H=200 mm。

圖1 常用連接法蘭的構造模式

圖2 RPC電桿的電桿尺寸

圖3 初步擬定法蘭尺寸

2.2 螺栓規格和個數以及加勁板尺寸的擬定

根據國家電網企業執行標準，按照初步擬定法蘭尺寸來選定螺栓規格和個數以及加勁板的尺寸，國家電網企業執行標準如下所示:

2.2.1 剛性法蘭(也稱有加勁法蘭)的螺栓按下列系列公式計算:

(1)軸心受拉作用時，按下式計算:

(2)受拉(壓)、彎共同作用時:

式中:M為法蘭所受到的彎矩荷載，N.mm;N為法蘭所受到的軸心作用力，N，在壓力情況下取為負值;Yi為螺栓的中心到旋轉軸的距離，mm。

通過查有勁法蘭規格表，確定螺栓規格為M36×130，數目為16。有勁法蘭，共16個。普通粗制鍍鋅螺栓8.8 級。

2.2.2 有勁法蘭的法蘭板厚度，應按下列公式計算:

通過查表可知法蘭板厚度t=22 mm。

2.2.3 有勁法蘭的加勁板，應按下列公式計算:

(1)豎向對接焊縫:

通過查有勁法蘭規格表可知加勁板尺寸如圖4。

圖4 加勁板尺寸圖

3 利用ABAQUS軟件建立部分預應力筋RPC電桿和法蘭模型

ABAQUS是一種強大的有限元分析軟件，在商業有限元軟件中占有極其重要的位置。它在從簡單的線性問題到復雜的幾何非線性、材料非線性問題上均獲得了廣泛應用，不論在工程應用還是在科學研究方面其有效性均得到了驗證。ABAQUS包含了豐富的單元庫和材料庫，能夠模擬各種材料受力和變形行為[10]?；谝陨显颍疚倪x擇利用ABAQUS有限元分析軟件對初步擬定的法蘭尺寸進行法蘭和電桿的數值模擬。

考慮混凝土與鋼筋具有相互獨立的力學行為，為了實現混凝土與鋼筋的界面效應，通過采用在混凝土模型中將“拉伸強化(tension stiffing)”，例如鎖固行為與粘結滑移，以此可以將荷載傳遞作用通過模擬鋼筋在開裂區已達到。所建立的有限元模型如圖5所示、模型的相互作用如圖6所示、具體參數如表1:

圖5 網格劃分示例圖

圖6 模型的相互作用定義效果圖

表1 材料特性表

4 主要結果及討論

4.1 通過ABAQUS有限元分析軟件得到以下結果

(1)部分預應力筋RPC電桿在受到極限荷載時的應力云圖，如圖7、8所示。

圖7 法蘭底部應力云圖

圖8 在兩個圖上繪制應力云圖(放大100倍)

(2)受外荷載作用時模型的變形圖如圖9所示。

(3)法蘭盤底、法蘭盤的加勁板、法蘭鋼圈在受外荷載時危險點處的應力曲線，如圖10(a)、(b)、(c)。

圖9 受外荷載作用時的變形圖(放大100倍)

圖10

4.2 對有限元分析結果的討論

(1)對RPC進行分析，RPC電桿的抗壓強度為145～170 MPa，而從RPC柱的應力云圖以及危險點處的應力曲線圖中可知，RPC柱的最危險點處的壓應力大小為85 Mpa左右，遠小于RPC電桿的抗壓強度，這說明混凝土電桿的強度足以滿足實際工況最大荷載的要求，也就是說電桿在受到實際工況最大外荷載作用的情況下，電桿是不會破壞的。

(2)Q345鋼的屈服極限274～343 MPa，強度極限471～710 MPa。法蘭盤底最危險點處應力大小為135 MPa左右，明顯小于Q345鋼的屈服極限274～343 MPa，結果表明所設計的剛性法蘭滿足強度的要求。

5 結 論

針對本課題組所設計RPC電桿的特點，借鑒現有部分預應力筋混凝土電桿連接的相關設計規范要求，擬定法蘭的規格。通過ABAQUS軟件對法蘭和電桿進行數值模擬和有限元分析得出:當電桿和法蘭受到極限外荷載作用時，法蘭底、法蘭加勁板和鋼圈均出現最危險點，其最危險點的應力值均小于Q345鋼的屈服極限。結果表明本文設計的部分預應力筋RPC電桿的連接法蘭滿足強度要求，從而解決了500 kV部分預應力筋RPC電桿在生產流程中的拼裝連接問題，使之易于機械化操作，在設計和施工方面具有極大的理論與實際意義。

[1]安明哲，王慶生，丁建彤.活性粉末混凝土的配制原理及應用前景[J].建筑技術，2001，32(1):15－16.

[2]張燕.活性粉末混凝土(RPC)的結構工程應用及發展空間[J].山東建材，2004，25(1):46－48.

[3]呂耀章，高泉興.砼體底部帶法蘭的電桿.中國，CN03278199.7[p].公開號CN2641214.

[4]司惠禮.螺栓預拉力對柔性法蘭連接節點剛度影響的試驗設計[J].華北水利水電學院學報，2012，33(3):78－81.

[5]陳海波，何長華，李振福，邢海軍.鋼管結構無加勁法蘭計算方法的試驗研究[J].電力建設，2005，26(7):16－20.

[6]黃永嘉，薛偉辰.軸心受拉柔性法蘭設計研究[J].特種結構同濟大學土木工程學院，2004，21(2):38－40.

[7]黃譽，鄧洪洲，金曉華.鋼性桿中剛性法蘭的有限元分析[J].特種結構同濟大學土木工程學院，2004，21(2):38－40.

[8]國家電力公司發布.架空送電線路鋼管桿設計技術規定.北京:中國電力出版社，2002.

[9]國家電網公司企業標準Q/GDW391－2009[S].北京:中國電力出版社，2009.

[10]費康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京:中國水利水電出版社，2009.