外包鋼加固環形混凝土電桿受彎承載力研究?

殷曉三

(中原工學院建筑工程學院 鄭州451191)

引言

電網建設推動著國民經濟的發展,國民經濟的發展對電網建設提出了更高的要求。在電網建設中,輸電線路工作性能直接影響到電力供應的安全性,而環形混凝土電桿在輸電線路中扮演中重要的角色,是保障輸電線路正常運營的重要組成部分。然而,隨著服役時間的推移、環境的侵蝕、荷載的增加、混凝土材料的老化和使用功能的改變等因素的影響,大量的環形混凝土電桿已經不滿足相應的結構功能要求,在電力系統正常的運行中埋下了安全隱患。如果將電桿拆除重建,不僅工程量大、造價高昂,而且中斷電力供應,將帶來負面的社會影響。因此,采取維修加固的方法是解決該問題的必要選項,研究環形混凝土電桿不同的加固方法,對延長電桿的服役壽命具有現實意義[1,2]。為了能夠對輸電線路在臺風作用下的力學影響進行準確的分析,以便有效地提高輸電線路的防風加固效益,鄧惠華[3]采用ABAQUS/CAE 建立了10kV 單回路配電線路一個標準段的有限元模型,對不同風速下線路的力學響應進行了研究。碳纖維布具有高強、輕質和耐久性良好等優點,被廣泛應用于加固領域,徐金俊等人[5,6]對碳纖維加固環形混凝土電桿的受力性能展開的試驗研究和受力機理分析,研究結果表明,碳纖維加固環形混凝土電桿后,受彎承載力得到了顯著的提高,提高程度隨著碳纖維粘貼層數增加而增加,但是與碳纖維粘貼層數不呈比例關系,其破壞形態呈現出明顯的脆性。為了彌補碳纖維加固環形混凝土電桿受力性能的不足,本文提出了外包鋼加固混凝土電桿的加固方法和施工工藝,并對外包鋼加固鋼筋混凝土電桿的受彎性能進行了分析,建立了受彎承載力計算公式,為選擇環形電桿加固方法提供參考。

1 加固原理及施工工藝

1.1 加固原理

在鋼管內澆筑素混凝土形成的鋼管混凝土構件,不僅具有承載能力高、延性性能好、抗震性能優越等優點,而且具有節約材料、施工方便等經濟效益,被廣泛應用于工業與民用建筑,在城市拱橋和高爐鍋爐構架中也普遍被接受。基于鋼管混凝土理論,盧亦焱等[7]提出了鋼管混凝土加固理論,在既有鋼筋混凝土構件外部安裝截面尺寸較大的鋼管,在既有鋼筋混凝土構件和外套鋼管之間的間隙澆筑自密實混凝土,從而形成整體性能良好的加固組合柱,試驗研究結果表明,可以按照鋼管混凝土理論進行計算和設計。基于鋼管混凝土理論,鐘善桐[8]提出了外包鋼加固鋼筋混凝土方法,在既有鋼筋混凝土構件外部設置鋼殼,通過外部擠壓作用,將鋼殼與鋼筋混凝土構件緊密貼近,隨后采用焊接的方式,將鋼殼連接形成鋼管,從而形成類似鋼管混凝土的加固組合柱,經過工程實例驗證,其受力性能與鋼管混凝土一致。

為了降低工程造價,適應于我國電力工業的快速發展,在鋼管混凝土理論的基礎上,哈爾濱工業大學、浙江大學、浙江省電力勘測設計院和遼寧省電力勘測設計院等科研機構開發了空心鋼管混凝土結構。空心鋼管混凝土又稱離心鋼管混凝土,是在鋼管中澆筑混凝土,采用螺旋法在離心力的作用下,混凝土貼近鋼管內壁,采用蒸汽養護,從而形成的空心的鋼管混凝土構件[9]。空心混凝土電桿具有生產成本低、制作方便、使用壽命長、施工方便和環境適應性強等優勢,被廣泛應用于農配網輸電線路、廣播通訊和鐵路接觸網線支柱等領域,2017年上半年混凝土電桿生產量達到823萬根,比2016年同期增長17.2%[10]。根據空心鋼管混凝土理論,在外包鋼加固鋼筋混凝土方法的基礎上,提出了外包鋼加固環形混凝土電桿方法,用于改善環形混凝土電桿的結構功能。

1.2 加固施工工藝

外包鋼加固環形混凝土電桿方法,以空心混凝土電桿為加固對象,以鋼材為加固材料,以螺栓連接為連接方式,圖1 給出了加固方法的示意圖,加固施工工藝主要步驟如下：

(1)對于受損的環形混凝土電桿,清理受損部位的混凝土保護層,直至露出新鮮的混凝土骨料和受力鋼筋,并清洗表面的雜物和粉塵; 對于混凝土劣化而表面無破損的電桿,清洗電桿表面的雜物和粉塵。

(2)根據對環形混凝土電桿受彎承載力的要求,選擇相應厚度的鋼板,根據環形混凝土電桿的直徑,將鋼板加工為成對的鋼板曲殼,使得成對的鋼板曲殼對接組合成鋼管,成對的鋼板殼具有相對應的螺栓孔,以便采用螺栓連接。

(3)將成對的鋼板曲殼外套于混凝土電桿,保證其截面圓心與環形混凝土電桿截面形心重合,鋼板曲殼對接處留有約1mm 縫隙。

(4)在鋼板曲殼與環形混凝土電桿之間注入建筑結構膠。

(5)待建筑結構膠的強度達到設計強度后,清除鋼板曲殼對接處約1mm 縫隙處結構膠。

(6)通過螺栓孔,采用螺栓連接,并用扳手對螺栓施加預應力,使得鋼板曲殼對接處的縫隙閉合,以保證鋼板曲殼對接形成的鋼管對內部環形混凝土電桿具有較強的徑向壓力。

圖1 外包鋼加固環形混凝土電桿方法示意Fig.1 Schematic diagram of the strengthening

通過以上加固步驟可知,采用外包鋼加固環形混凝土電桿方法,外部鋼管對環形混凝土電桿形成主動約束,增強了外部鋼管與混凝土電桿擠壓作用,提高了外部鋼管與混凝土電桿之間的滑動摩擦力,促進了加固材料與環形混凝土電桿共同工作性能。這種加固方法便捷快速,經濟實用,不僅適用于環形混凝土電桿整體加固,也適用于環形混凝土電桿局部加固。

2 外包鋼加固環形混凝土電桿受彎承載力計算

界面粘結力是保證兩者共同工作的重要因素[11],鐘善桐[8]提出的外包鋼加固鋼筋混凝土方法,通過徑向的壓力有效地保證了鋼管與混凝土之間的粘結力,從而使得加固組合柱具有鋼管混凝土相同的受力性能。本文提出的外包鋼加固環形混凝土電桿的加固方法,通過徑向壓力保證了鋼管與環形混凝土電桿有效地粘結; 由于加工精度的影響,外包鋼管內徑尺寸和環形混凝土電桿外徑尺寸存在誤差,填充建筑結構膠,彌補了兩者之間的縫隙,增強了混凝土與鋼管之間的界面作用力,使得加固后的環形混凝土電桿與空心鋼管混凝土具有相同的受力性能,因此如果要得到外包鋼加固環形混凝土電桿受彎承載力,首先應當了解空心鋼管混凝土受彎性能及受彎承載力的計算。

2.1 空心鋼管混凝土受彎承載力性能及計算

根據前述,外包鋼加固混凝土電桿具有與空心鋼管混凝土相同的性能,可以根據空心鋼管混凝土理論建立受彎承載力計算公式。在工程應用中,一般荷載作用下,空心鋼管混凝土結構的內力并不高,結構處于彈性工作狀態; 在受力過程中,即使混凝土出現脫落現象,構件的承載力并不隨之降低,而是以構件的變形來維持荷載。在對空心鋼管混凝土受彎性能進行分析時,一般引入合理的假設,假定鋼材處于單向受力狀態,混凝土不承擔抗拉作用,當構件達到受彎極限承載力時,混凝土受壓強度達到峰值。空心鋼管混凝土受彎承載力計算是以鋼管混凝土統一理論為基礎建立的。鋼管混凝土統一理論把鋼管混凝土視為統一的、連續的和相關的材料,空心鋼管混凝土的工作性能隨著材料的物理參數、幾何參數、截面形式和應力狀態的變化而變化。《空心鋼管混凝土結構技術規程》(CECS 254： 2009)采用有限元法對實心鋼管受彎全過程進行分析[12],最大拉應變為10000με 時對應的彎矩為極限彎矩,由此推導出的空心鋼管混凝土受彎承載力計算公式：

式中： γm為塑性發展系數; Wsc為受彎構件截面模量(mm3); fsc為空心鋼管混凝土抗壓強度設計值(N/mm2); ? 為空心率; θ 為套箍系數; r1、r2為空心鋼管混凝土內半徑、外半徑(mm); B、C 為截面影響系數; fc為混凝土抗壓強度設計值(N/mm2)。

塑性發展系數γm主要考慮了空心率? 和套箍系數θ 的影響,空心鋼管混凝土的空心率? 計算公式：

式中： Ah為空心部分面積(mm2); Ac為混凝土面積(mm2)。

套箍系數θ 計算公式：

式中： αsc為實心或空心鋼管混凝土構件的含鋼率; f 為鋼材的抗壓強度設計值(N/mm2); As為鋼管面積(mm2)。

空心鋼管混凝土抗壓強度設計值除了考慮套箍系數之外,還考慮了截面影響系數B和C,其計算公式：

2.2 環形混凝土電桿受彎承載力計算

環形混凝土電桿一般沿周邊均勻布置縱向受力鋼筋,直接套用環形壓彎構件,按軸向力等于零進行計算,其基本假定與普通鋼筋混凝土受彎構件基本假定相同,主要設計技術標準有《混凝土結構設計規范》(GB50010 -2010)、《環形混凝土電桿國家標準》(GB/T4623 -2006)、《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》(DL/T 5154 -2012)。以最新技術標準《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》(DL/T 5154 -2012)進行相應計算分析,其受彎承載能力計算公式：

式中：α1為受壓區混凝土矩形應力圖的應力值與混凝土軸心抗壓強度設計值的比值,當混凝土強度不超過C50 時α1取為1.0,當混凝土強度等級為C80 時取為0.94,其間按線性內插值法確定;A為混凝土截面面積(mm2);α為受壓區混凝土截面面積與全面積的比值;fs為鋼筋抗拉強度設計值(N/mm2);As為縱向鋼筋截面面積(mm2);rs為縱向普通鋼筋所在圓的半徑(N/mm2);αt為受拉縱向鋼筋截面面積與全部縱向鋼筋截面面積的比值,當α＞2/3 時,取αt=0。

2.3 外包鋼加固混凝土電桿受彎承載力簡化與假定

根據空心鋼管混凝土計算公式(1) ～公式(7)可知,空心鋼管混凝土內部混凝土為素混凝土; 根據環形混凝土受彎承載力計算公式(8) ～公式(10)可知,計算公式考慮了縱向受力鋼筋和環形箍筋對受彎承載力的影響。當外包鋼加固環形混凝土電桿受彎承載力采用空心鋼管混凝土受彎承載力理論和公式進行計算時,很明顯,忽略了環形混凝土電桿中縱向鋼筋和環形箍筋對受彎承載力的貢獻。然而,忽略環形混凝土電桿中縱向鋼筋和環形箍筋對受彎承載力的貢獻,可以大大減小計算工作量,而且為加固構件儲備了較大的安全余度。在外界自然環境和內應力的作用下,環形混凝土電桿出現裂縫、鋼筋銹蝕和混凝土劣化等缺陷,這些缺陷分布不均勻,難以準確地檢測和評估。因此,對加固構件的受彎承載力計算留有一定的安全余度是有必要的,從而增加構件受彎承載力的可靠性。

綜上所述,建立外包鋼加固環形混凝土電桿受彎承載力計算公式假定條件為： (1)忽略環形混凝土電桿中縱向鋼筋和環向箍筋對受彎承載力的貢獻; (2)環形混凝土和外部鋼材組成的材料視為統一的、連續的和相關的材料。

根據這兩條基本假定,外包鋼加固環形混凝土電桿受彎承載力提高幅度：

式中：M1為按式(1) ～式(7)計算的外包鋼加固環形混凝土電桿受彎承載力(N·mm);M0為按式(8) ～式(10)計算的環形混凝土電桿受彎乘承載力(N·mm)。

3 外包鋼加固混凝土電桿受彎承載力計算實例

為了比較加固前后受彎承載力的變化,給出一組電桿加固前的測試數據,采用厚度為5mm、牌號為Q345、測試屈服強度為360N/mm2的鋼管對環形混凝土電桿進行加固,根據上述推導的公式,編制Excel 表格進行計算,加固前后的計算數據見表1。

表1 外包鋼加固環形混凝土電桿受彎承載力計算Tab.1 Calculation of flexural bearing capacity

表1 給出的外包鋼加固環形混凝土電桿受彎承載力計算數據表明,采用空心鋼管混凝土受彎承載力公式的計算值大于環形混凝土電桿加固前的受彎承載力計算值,符合構件經過加固后承載力得到提高的一般規律。因此,采用空心鋼管混凝土受彎承載力公式計算外包鋼加固環形混凝土電桿受彎承載力具有可行性。

4 結論

1.外包鋼加固環形混凝土電桿的理論基礎為空心鋼管混凝土結構理論。

2.外包鋼加固環形混凝土電桿的核心工藝是外部鋼管對混凝土電桿形成主動約束。該加固工藝既適合于環形混凝土電桿整體加固,也適用于環形混凝土電桿局部加固。

3.空心鋼管混凝土受彎承載力公式計算外包鋼加固環形混凝土電桿受彎承載力具有可行性。