部分預(yù)應(yīng)力筋RPC電桿的連接設(shè)計(jì)研究

何 平，何若冰，王新穎，于東旭

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

活性粉末混凝土(RPC)是一種超高強(qiáng)度、超高性能的高致密水泥基復(fù)合材料，其制作的基本思路是剔除掉粗骨料，依據(jù)最密實(shí)堆積原理，摻入一定量的短細(xì)纖維和活性礦物的摻合料，并且在養(yǎng)護(hù)過程中施加圍壓、采用熱處理的方式，從而獲得非常優(yōu)異的力學(xué)性能、耐久性及環(huán)保性能，適宜做高耐久性高強(qiáng)混凝土電桿[1，2]。但電桿的長(zhǎng)度過長(zhǎng)使得電桿的生產(chǎn)采用分段式生產(chǎn)方式，存在一個(gè)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(shè)計(jì)出適合本課題組所研發(fā)的現(xiàn)有部分預(yù)應(yīng)力筋RPC電桿的連接法蘭，根據(jù)國家電網(wǎng)企業(yè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)適合500 kV部分預(yù)應(yīng)力筋RPC電桿的連接法蘭規(guī)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(jī)械化進(jìn)行操作，有極大的理論與實(shí)際意義，在工程應(yīng)用中值得廣泛推廣。

1 法蘭節(jié)點(diǎn)詳述

法蘭的節(jié)點(diǎn)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(tǒng)的也是應(yīng)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(qiáng)度和剛度，符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原理[4，5，6，7]。結(jié)合部分預(yù)應(yīng)力筋RPC電桿強(qiáng)度高等特點(diǎn)，本文選取剛性法蘭的連接方式來設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[8]要求不小于16 mm;《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》不小于20 mm。

2 法蘭規(guī)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(gòu)造模式(如圖1所示)和本課題組所研發(fā)的現(xiàn)有的500 kV部分預(yù)應(yīng)力筋雙桿尺寸(如圖2所示)為依據(jù)，按照《國家電網(wǎng)企業(yè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)》Q/GDW391－2009中輸電線路鋼管塔構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)定中的有勁法蘭規(guī)格表來設(shè)計(jì)[9]。RPC電桿尺寸為:外圓半徑Dw=200 mm，內(nèi)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(nèi)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(nèi)徑Dsn=190 mm，鋼管高度H=200 mm。

圖1 常用連接法蘭的構(gòu)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(guī)格和個(gè)數(shù)以及加勁板尺寸的擬定

根據(jù)國家電網(wǎng)企業(yè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，按照初步擬定法蘭尺寸來選定螺栓規(guī)格和個(gè)數(shù)以及加勁板的尺寸，國家電網(wǎng)企業(yè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算:

(1)軸心受拉作用時(shí)，按下式計(jì)算:

(2)受拉(壓)、彎共同作用時(shí):

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(fù)值;Yi為螺栓的中心到旋轉(zhuǎn)軸的距離，mm。

通過查有勁法蘭規(guī)格表，確定螺栓規(guī)格為M36×130，數(shù)目為16。有勁法蘭，共16個(gè)。普通粗制鍍鋅螺栓8.8 級(jí)。

2.2.2 有勁法蘭的法蘭板厚度，應(yīng)按下列公式計(jì)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(yīng)按下列公式計(jì)算:

(1)豎向?qū)雍缚p:

通過查有勁法蘭規(guī)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(yù)應(yīng)力筋RPC電桿和法蘭模型

ABAQUS是一種強(qiáng)大的有限元分析軟件，在商業(yè)有限元軟件中占有極其重要的位置。它在從簡(jiǎn)單的線性問題到復(fù)雜的幾何非線性、材料非線性問題上均獲得了廣泛應(yīng)用，不論在工程應(yīng)用還是在科學(xué)研究方面其有效性均得到了驗(yàn)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?，本文選擇利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)初步擬定的法蘭尺寸進(jìn)行法蘭和電桿的數(shù)值模擬。

考慮混凝土與鋼筋具有相互獨(dú)立的力學(xué)行為，為了實(shí)現(xiàn)混凝土與鋼筋的界面效應(yīng)，通過采用在混凝土模型中將“拉伸強(qiáng)化(tension stiffing)”，例如鎖固行為與粘結(jié)滑移，以此可以將荷載傳遞作用通過模擬鋼筋在開裂區(qū)已達(dá)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(shù)如表1:

圖5 網(wǎng)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(jié)果及討論

4.1 通過ABAQUS有限元分析軟件得到以下結(jié)果

(1)部分預(yù)應(yīng)力筋RPC電桿在受到極限荷載時(shí)的應(yīng)力云圖，如圖7、8所示。

圖7 法蘭底部應(yīng)力云圖

圖8 在兩個(gè)圖上繪制應(yīng)力云圖(放大100倍)

(2)受外荷載作用時(shí)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(shí)危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力曲線，如圖10(a)、(b)、(c)。

圖9 受外荷載作用時(shí)的變形圖(放大100倍)

圖10

4.2 對(duì)有限元分析結(jié)果的討論

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

(2)Q345鋼的屈服極限274～343 MPa，強(qiáng)度極限471～710 MPa。法蘭盤底最危險(xiǎn)點(diǎn)處應(yīng)力大小為135 MPa左右，明顯小于Q345鋼的屈服極限274～343 MPa，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的剛性法蘭滿足強(qiáng)度的要求。

5 結(jié) 論

針對(duì)本課題組所設(shè)計(jì)RPC電桿的特點(diǎn)，借鑒現(xiàn)有部分預(yù)應(yīng)力筋混凝土電桿連接的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，擬定法蘭的規(guī)格。通過ABAQUS軟件對(duì)法蘭和電桿進(jìn)行數(shù)值模擬和有限元分析得出:當(dāng)電桿和法蘭受到極限外荷載作用時(shí)，法蘭底、法蘭加勁板和鋼圈均出現(xiàn)最危險(xiǎn)點(diǎn)，其最危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力值均小于Q345鋼的屈服極限。結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的部分預(yù)應(yīng)力筋RPC電桿的連接法蘭滿足強(qiáng)度要求，從而解決了500 kV部分預(yù)應(yīng)力筋RPC電桿在生產(chǎn)流程中的拼裝連接問題，使之易于機(jī)械化操作，在設(shè)計(jì)和施工方面具有極大的理論與實(shí)際意義。

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