鋼筋水泥桿撓度測量研究

金坤鵬，錢錫穎，陸琛杰，俞 捷

（寧波送變電建設有限公司質檢中心，浙江 寧波 315032）

0 引言

根據2016年國網物資線路材料檢測內容，鋼筋水泥桿是電網架空線路中重要的組成部分，其安全性關系到輸送電線路的正常運行，因此提高對鋼筋水泥桿的質量檢測水平顯得非常重要[1]。配電網常用的鋼筋水泥桿檢測項目主要有外觀質量、尺寸允許偏差、力學性能和鋼筋保護層厚度等[2]。目前針對電網用鋼筋水泥桿展開的檢測，均在水泥桿生產廠家現場進行，從國內范圍來看，各檢測機構普遍采取的檢測方式是通過肉眼觀察、卡尺和放大鏡進行外觀質量、尺寸允許偏差的檢測；對其力學性能通常采用撓度指標來表征，撓度的測量主要通過撓度測試儀、人工手拉鏈條葫蘆、荷載傳感器等設備來進行，最后通過計算得到鋼筋水泥桿撓度值[3]。

隨著水泥桿成型技術的發展，其外觀尺寸、力學性能也有了極大的提高，使用范圍也得到了極大的拓展，目前不僅只限于在低壓輸電線路上，同時在部分110～500 kV高壓架空線路也開始運用鋼筋水泥電桿[4-5]，因此國家電網公司物資部對水泥電桿的安全性檢測提出了更高的要求，其檢測結果對輸電線路的安全穩定運行有著非常大的影響[6]。通過試驗研究了不同檢測過程中，荷載保載方法對鋼筋水泥桿的最終力學性能的影響，試驗通過對兩根不同長度、相同等級的水泥桿在不同保載條件下檢測了其力學性能，并對其撓度值結果進行了研究，對指導檢測配網用鋼筋水泥桿力學性能檢測具有重要意義。

1 試驗概況

1.1 試驗方法

試驗模擬鋼筋水泥電桿在實際使用過程中的受力狀態，為了更好地體現本試驗的代表性，試驗樣品選擇為目前國網物資使用較多的錐形水泥桿進行試驗。試驗方法參考GB 4623-2014《環形混凝土電桿》[7]，采用懸臂法進行力學性能檢測。試驗前，鋼筋水泥桿根端固定在兩水泥墩之間，與水泥墩的接觸面采用U型枕木隔開并緊固，為消除電桿自然彎曲的影響，在距離根端3 m和7 m處各設置1個由萬向輪小車構成的支撐點，確保鋼筋水泥桿中心處于水平直線上，同時為了消除摩擦力的影響，在萬向輪下方墊上鋼板，并在鋼板表面涂潤滑油處理。在進行加載前，先對錐形鋼筋水泥桿進行外觀質量和尺寸偏差檢測，檢驗方法嚴格按照GB 4623-2014《環形混凝土電桿》7.4節規定進行[7]，檢驗合格的鋼筋水泥電桿方能作為樣品進行力學性能試驗。加載力采用60 kN手拉葫蘆施加，受力點距離梢端0.25 m處，荷載位移的具體數據由LH-4-5型水泥桿撓度檢測儀記錄，同時記錄裂（紋）縫寬及條數等有用數據，裂縫寬度采用20倍讀數顯微鏡觀測。

1.2 位移傳感器的布置

在對鋼筋水泥桿進行力學性能實驗過程前，位移傳感器放置于鋼筋水泥桿縱向剖面線上，位移變化方向與拉力方向平行，并且通過數據線及時將數據傳輸到手持式終端。位移傳感器位置如表1所示。

表1 位移傳感器位置分布

1.3 荷載方案

試驗為了判斷不同加載方案對鋼筋水泥桿力學性能的影響，采用的鋼筋水泥桿共兩個型號，分別為錐形Φ190mm×12mmM型和Φ190mm×15mm M型，根據GB 4623-2014《環形混凝土電桿》[7]，加載到標準檢驗稍端荷載6 kN。加載前注意接線緊固，手拉接線和連接頭無松動，同時用塞尺檢查確認傳感器端面到水泥桿之間距離符合檢定證書的要求。加載過程采用直線加載法和分段保載加載法分別測試。在分段加載過程中，分別在額定稍端荷載的分段點（20%，40%，60%，80%，90%，100%）進行保載，保載時間分別為1 min，3 min，5 min，直線加載過程中保載時間計為0 min，同時記錄保載結束時各位移檢測點位移變化情況。

2 測試成果分析

2.1 不同保載時間對C點位移的影響

圖1繪出了錐心Φ190 mm×12 mm M及Φ190 mm×15 mm M型鋼筋水泥桿稍端荷載與C點位移的關系。圖1（a），（b）為12m和15m鋼筋水泥桿在不同保載時間下，稍端荷載與C點位移的關系。由圖1可知，在保載時間為0 min時（直線加載法），稍端荷載與C點位移呈正相關，隨著手拉葫蘆加載過程不斷進行，其稍端荷載不斷增加，同時C點位移也隨之呈增長趨勢，其稍端荷載-位移關系曲線比較平滑。當隨著分段保載時間的延長，在相同荷載下，從圖1中可以發現其C點位移均大于不進行保載的試驗方法，同時C點位移與保載時間呈正比，但隨著保載時間的延長，后趨于穩定。該現象說明，隨著保載時間的延長，鋼筋水泥桿在相應荷載條件下發生彎曲變形充分，反應出了其在不同加載力作用下的真實變形性能。

同時從圖1可以發現，隨著保載時間的延長，稍端荷載-位移關系曲線在保載過程中出現折線段，如圖1中保載點箭頭所示。出現該現象的原因在于在保載過程中，由于手拉葫蘆加載對荷載大小無法精確控制，隨著保載時間的延長，其稍端不斷受到拉力的作用導致C點位移不斷加大。但與此同時，由于稍端到葫蘆之間的距離減少，且鋼筋水泥桿具有一定彈性，導致其實際荷載降低，而手拉鏈條無法及時對下降的荷載進行重新加載。因此在保載過程中出現了荷載下降，C點位移緩慢上升的折線段，并且從圖1中可以發現，隨著保載時間的延長，其折線段回折距離也隨之變大，實際荷載下降愈加明顯。

2.2 不同保載時間對水泥桿撓度值的影響

撓度Y的計算采用公式：

圖1 稍端荷載-位移關系曲線

式中：aA為A支點位移；aB為B支點位移；aC為C支點位移；L2為B支點到底端距離；L為整桿長度[11]。aA，aB，aC數據采集整理如表2所示。

表2 水泥桿在各荷載下位移 mm

圖2繪出了各鋼筋水泥桿撓度與保載時間的關系曲線，圖 2（a）與（b）分別表示的是 Φ190 mm×12 mm M型和Φ190 mm×15 mm M型水泥桿的關系曲線。由圖2可知，當不保載時，其撓度值最??；當保載時間為1 min時，其撓度值迅速上升，當保載時間延長到3 min時，其撓度基本達到穩定值，隨后進一步延長保載時間，其撓度值雖略有上升，但幅度較小，趨于穩定。以上結果表明，在荷載大小一定的情況下，鋼筋水泥桿的撓度值隨加載過程中各區間保載時間的延長而增加，并最后趨于定值。

圖2 保載時間與撓度關系曲線

2.3 裂縫寬度及分析

裂縫寬度是判斷鋼筋水泥桿力學性能的重要指標之一[8]，根據國標[7]可知，裂縫寬度W≤0.20 mm為合格。為了研究不同保載時間對鋼筋水泥桿裂縫寬度和數量的影響，試驗采用20倍讀數顯微鏡對不同測試條件下的鋼筋水泥桿裂（紋）縫寬及條數進行了觀測，具體數值如表3所示。

表3 最大裂縫寬度及條數

由表3可知，當稍端荷載不進行保載，而采用直線加載試驗時，其鋼筋水泥桿的最大裂縫寬度均較有保載過程的鋼筋水泥桿要大，同時其裂縫條數也相對較多。究其原因在于，對于未保載的鋼筋水泥桿其荷載在加載過程中一直處于上升狀態，并且由于荷載加載速率比較大，鋼筋水泥桿在彎曲過程中內部應力不斷累積，得不到釋放，當內部應力達到一定值后，只能通過水泥保護層的開裂來進行釋放，從而造成裂縫寬度較大[9-10]；而對于有保載過程的鋼筋水泥桿，當荷載加載到一定數值后停止加載，在保載過程中，其水泥保護層應力集中區域通過豫馳作用，累積的應力向周邊得到擴散，該過程在每1次保載時間段內都得以完成，鋼筋水泥桿內部應力得到釋放，導致鋼筋水泥桿內部應力集中區域和應力值均小于無保載過程鋼筋水泥桿，因此最終其最大裂縫寬度和裂縫條數都小于無保載過程的鋼筋水泥桿[11-12]。而有保載過程的水泥桿最大裂縫寬度與裂縫條數與具體保載時間無相關性。

3 結語

對鋼筋水泥桿進行檢測，在加載過程中分階段保載有助于提高其力學性能—撓度值的準確性，并且當保載時間小于3 min時，該撓度值與保載時間呈正相關；當分階段保載時間為3 min及以上時，撓度值趨于穩定，該值可判斷為鋼筋水泥桿真實撓度。因此，從檢測效率上來講一般分階段保載時間可選取為3 min；同時，裂縫寬度及裂紋條數減小對減輕運行過程中電桿受有害物質侵蝕程度和鋼筋銹蝕程度、提高電桿的耐久性是非常有利的[13]，采用分階段保載檢測可有效降低檢測過程中鋼筋水泥桿最大裂縫寬度及裂紋條數，盡可能降低檢測過程對電網物資的破壞。

在荷載保載過程中，提高荷載穩定性對提高檢測結果的準確性非常重要，目前對鋼筋水泥桿力學性能檢測還基本上都是采用手拉鏈條葫蘆進行加載，結果顯示該加載方法具有不穩定性，在保載過程中無法對荷載大小進行精確控制，由于在保載過程中存在荷載下降的現象，其有可能降低鋼筋水泥桿的撓度[14]。因此，結合研究結果，進一步改進加載方案提高檢測的準確性顯得尤為必要。

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