500kV預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土門型電桿設(shè)計(jì)

賈玉琢，單 明，劉紅星

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.南京供電公司，江蘇 南京210019;3.廣東電網(wǎng) 門供電局，廣東江門529000)

近年來500 kV送電線路中主要應(yīng)用鐵塔結(jié)構(gòu)，其原因是一般混凝土電桿滿足不了高電壓等級(jí)的要求，一般在330 kV及以上線路上很少使用混凝土電桿。然而，混凝土電桿與鐵塔相比具有免維護(hù)、耐腐蝕和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn);隨著高強(qiáng)混凝土的出現(xiàn)，尤其是活性粉末混凝土的出現(xiàn)，使得研制500 kV預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土門型電桿有了現(xiàn)實(shí)意義。

提高鋼筋混凝土電桿強(qiáng)度的途徑有2條［1］:一是提高混凝土強(qiáng)度;二是采用高強(qiáng)度鋼筋和增加鋼筋的數(shù)量。普通鋼筋混凝土電桿受幾何尺寸及構(gòu)造的限制，電桿強(qiáng)度的增加有限;另外，普通鋼筋混凝土電桿易產(chǎn)生橫向裂紋，裸露的鋼筋易銹蝕，影響電桿的使用壽命。普通預(yù)應(yīng)力混凝土電桿在增加鋼筋強(qiáng)度和數(shù)量的同時(shí)，施加在混凝土上的壓力也隨之增加了，過大的應(yīng)力值容易使電桿上的混凝土產(chǎn)生縱向裂紋，同樣影響電桿的強(qiáng)度及使用壽命。

活性粉末混凝土是一種新型高性能混凝土尤其是其高強(qiáng)度。用活性粉末混凝土生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力電桿能夠克服上述普通混凝土電桿和普通預(yù)應(yīng)力混凝土的缺點(diǎn)。在這種背景下，研制和開發(fā)500 kV預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿，取代一部分500 kV送電線路常用的鐵塔結(jié)構(gòu)，對(duì)于降低輸電線路投資有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 高強(qiáng)混凝土簡(jiǎn)介

本研究采用的高強(qiáng)混凝土即活性粉末混凝土，它具有強(qiáng)度高、韌性高、耐久性和良好的體積穩(wěn)定性，它是由法國(guó)布伊格公司在1993年率先研制成功的一種良好的水泥基復(fù)合材料，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)200～800 MPa，它的出現(xiàn)使混凝土的耐久性有了很大的提高［2-3］。這種混凝土同一般的高性能混凝土相比，其孔隙率低4～5倍，微孔率低10～30倍，透氣性和吸水性低50倍，氯化物離子的擴(kuò)散性低25倍，這些性能對(duì)電桿的抗凍和防腐具有很重要的意義。RPC的配置原理是，通過提高組分的細(xì)度與活性，使材料內(nèi)部的缺陷(孔隙與微裂縫)減小到最少，以獲得超高強(qiáng)度與高耐久性［4］。

2 門型電桿形式及幾何尺寸

電桿采用自立式門型桿，電桿采用直徑為550 mm，壁厚為100 mm的等徑雙桿，中間用交叉梁系統(tǒng)連接，橫擔(dān)與避雷線支架采用鋼結(jié)構(gòu)，雙桿與基礎(chǔ)固接。混凝土桿由4.5 m、6.0 m長(zhǎng)的桿段組成，分段用電焊連接。通過電氣校驗(yàn)［5］得到電桿各部分幾何尺寸，見圖1。

3 門型電桿工程概況

導(dǎo)線為4分裂LGJ-400/35型鋼芯鋁絞線，采用GJ-150雙避雷線，最大風(fēng)速為30 m/s，水平檔距為420 m，垂直檔距為550 m，最高氣溫為+40℃，最低氣溫為-10℃，設(shè)計(jì)覆冰厚度為10 mm。

采用門型結(jié)構(gòu)，導(dǎo)線水平排列，線間距離為12.0 m，橫擔(dān)外伸尺寸5.5 m，呼稱高度為26.5 m，導(dǎo)線與避雷線的水平位移取2.0m，防雷保護(hù)角為10.8°。

4 全部預(yù)應(yīng)力和部分預(yù)應(yīng)力RPC電桿設(shè)計(jì)過程

圖1 門型電桿幾何尺寸

4.1 門型電桿承受的荷載

為了比較全部預(yù)應(yīng)力和部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿的設(shè)計(jì)過程及強(qiáng)度、變形驗(yàn)算結(jié)果。兩種電桿所承受的荷載設(shè)為相同，文章根據(jù)設(shè)計(jì)條件計(jì)算出電桿在各種工況下所承受的荷載，見表1。

表1 不同氣象條件下的導(dǎo)線、地線荷載

4.2 門型電桿的內(nèi)力計(jì)算

全部預(yù)應(yīng)力和部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿的結(jié)構(gòu)均采用帶叉梁的門型結(jié)構(gòu);其結(jié)構(gòu)體系屬于超靜定結(jié)構(gòu)，假設(shè)地面為剛性，應(yīng)用簡(jiǎn)化計(jì)算方法求解兩種電桿的內(nèi)力，見文獻(xiàn)［6］。

文章計(jì)算了全部預(yù)應(yīng)力和部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿在七種工況下的荷載及內(nèi)力，比較計(jì)算結(jié)果可知，正常情況下電桿的內(nèi)力受最大風(fēng)速條件控制，得到電桿在根部承受最大彎矩為442.3 kNm，荷載分布見圖2。事故情況下電桿的內(nèi)力受斷邊導(dǎo)線條件控制，得到電桿承受最大彎矩為74.8 kNm，荷載分布見圖3。由此可見，電桿設(shè)計(jì)由正常使用情況下的最大風(fēng)條件控制。

4.3 門型電桿截面設(shè)計(jì)及配筋

根據(jù)目前電桿在工程中的應(yīng)用情況，結(jié)合現(xiàn)有制造工藝，通過初步設(shè)計(jì)，選取桿段幾何尺寸:總長(zhǎng)(L)為39.5 m，外徑(D)為550 mm，內(nèi)徑(d)為450 mm，且r1為225 mm，r2為275 mm，rp、rs為250 mm。

圖4 電桿環(huán)形截面布置

全部預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿配筋:預(yù)應(yīng)力筋初步選用:n=16根直徑為12的高強(qiáng)度鋼筋45Si2Cr，鋼筋面積Ap=1808.6 mm2，抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度fp=1000 MPa，抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度f'p=400 MPa。

部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿配筋:預(yù)應(yīng)力主筋初步選用:n=12根直徑為12的高強(qiáng)度鋼筋45Si2Cr，Ap=1356.5 mm2，fp=1000 MPa，f'p=400 MPa;非預(yù)應(yīng)力筋初步選用:n=12根直徑為16的IV級(jí)冷拉鋼筋，As=2411.5 mm2，fy=700 MPa，f'y=400 MPa。預(yù)應(yīng)力鋼筋和非預(yù)應(yīng)力鋼筋相間布置。

門型電桿截面布置如圖4所示。

4.4 門型電桿的承載力及正常使用驗(yàn)算

4.4.1 電桿正截面受彎承載力驗(yàn)算

500 kV全部預(yù)應(yīng)力和部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿的性能指標(biāo)與普通預(yù)應(yīng)力混凝土電桿相同，主要驗(yàn)算電桿正截面受彎承載力、抗裂度、撓度等。電桿的受彎承載力用極限狀態(tài)法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)應(yīng)參照技術(shù)規(guī)定的要求進(jìn)行選用［7-8］。

全部預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿正截面受彎承載力計(jì)算公式如下:

部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿正截面受彎承載力計(jì)算公式如下:

式中，M為彎矩設(shè)計(jì)值，單位為kN·m;A為構(gòu)件截面面積，單位為mm2;Ap為全部預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積，單位為mm2;As為全部非預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積，單位為mm2;r1、r2分別為環(huán)形截面內(nèi)、外半徑，單位為mm;rp為縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋所在圓周的半徑，單位為mm;α為受壓區(qū)混凝土截面面積與全截面面積的比值;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;αc為受拉區(qū)活性粉末混凝土截面面積與全截面面積的比值;fcm為混凝土彎曲抗壓設(shè)計(jì)值，單位為MPa;fp、f'p分別為預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，單位為MPa;fy為非預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，單位為MPa;δpo為預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效預(yù)應(yīng)力，單位為MPa。

由以上門型電桿正截面受彎承載力計(jì)算可知，部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿和全部預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿截面尺寸和配筋狀況滿足強(qiáng)度條件，并且前者較后者承載力有較大提高。

4.4.2 電桿抗裂度驗(yàn)算

全部預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿正截面開裂彎矩計(jì)算公式如下:

最大裂縫寬度的計(jì)算公式如下:

部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿正截面開裂彎矩計(jì)算公式如下:

最大裂縫寬度的計(jì)算公式如下

以上電桿的抗裂性能驗(yàn)算滿足要求。

式中:Mcr為電桿正截面開裂彎矩，單位為kN·m;ftk為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，單位MPa;Wd換算截面

彈性抵抗矩，單位為m3;αL鋼纖維對(duì)活性粉末混凝土抗拉強(qiáng)度的影響系數(shù);βc活性粉末混凝土較普通混凝土抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)系數(shù);δfmax為最大裂縫寬度，單位為mm。

4.4.3 電桿抗撓度驗(yàn)算

全部預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿在水平力作用下，桿頂產(chǎn)生的撓度為:

部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿在水平力作用下，桿頂產(chǎn)生的撓度為:

以上撓度驗(yàn)算滿足要求。

式中:ω為撓度;L為張拉端至錨固端的長(zhǎng)度，單位為m。

5 全部預(yù)應(yīng)力和部分預(yù)應(yīng)力RPC電桿性能比較

為了對(duì)比全部預(yù)應(yīng)力和部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿的受力性能，文章采用相同電壓等級(jí)，相同的設(shè)計(jì)氣象條件，相同的導(dǎo)線、地線和相同檔距等情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)研究［9］，在同時(shí)滿足承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)下，得到兩種電桿的性能特點(diǎn)，見表2。

表2 全部預(yù)應(yīng)力和部分預(yù)應(yīng)力RPC電桿性能

由表2可知，部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿作為一種新型桿塔結(jié)構(gòu)型式，與全部預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿相比，在許多方面存在著明顯的優(yōu)勢(shì)，具體如下。

(1)當(dāng)電桿的抗彎承載力設(shè)計(jì)值相近時(shí)，部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿采用的電桿直徑較小，活性粉末混凝土的用量也大大降低，故可知部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿更適合應(yīng)用于大線徑、大檔距、多回路輸電線路中。

(2)部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿受彎時(shí)正截面開裂彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電桿在控制工況下產(chǎn)生的最大彎矩，也就是說在正常使用階段是不會(huì)出現(xiàn)裂縫，所以裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

(3)經(jīng)濟(jì)性上，部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿的活性粉末混凝土用量只占全部預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿活性粉末混凝土用量的70%，活性粉末混凝土用量同比減少了30%，從而使得電桿的造價(jià)大大降低。

6 結(jié) 論

(1)500 kV部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿不僅能夠滿足強(qiáng)度要求，而且具有較大的安全儲(chǔ)備，同時(shí)具有良好的韌性和抗裂性;這是目前超高壓送電線路中常用的鐵塔和鋼管塔所不能達(dá)到的，因此部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿應(yīng)用到500 kV送電線路中去是可行的。

(2)500 kV部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿降低了電桿的縱向壓應(yīng)力，也就是說減小了縱向裂縫寬度，因此，部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿比全部預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿的縱向抗裂性有較大提高。

(3)500 kV部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿和全部預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿相比，當(dāng)電桿的抗彎承載力設(shè)計(jì)值相近時(shí)，部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿采用的電桿直徑減小，活性粉末混凝土的用量也大大降低，只占全部預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿活性粉末混凝土用量的70%，這也降低了電桿基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求，從而大大降低了電桿造價(jià)。因此，500 kV部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土門型電桿在送電線路工程中具有很高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景，必將廣泛應(yīng)用到超高壓送電線路中。

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