高強(qiáng)部分預(yù)應(yīng)力混凝土電桿的連接設(shè)計(jì)研究

吳晨曦,吳秋生,于東旭,多偉紅,白俊峰

(1.國(guó)網(wǎng)揚(yáng)州供電公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.國(guó)網(wǎng)大慶供電公司；黑龍江 大慶 163458；3.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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高強(qiáng)部分預(yù)應(yīng)力混凝土電桿的連接設(shè)計(jì)研究

吳晨曦1,吳秋生1,于東旭2,多偉紅2,白俊峰3

(1.國(guó)網(wǎng)揚(yáng)州供電公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.國(guó)網(wǎng)大慶供電公司；黑龍江 大慶 163458；3.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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，具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性，是制作高強(qiáng)部分預(yù)應(yīng)力混凝土電桿的理想材料。目前這種電桿桿段的設(shè)計(jì)理論已經(jīng)成熟，為推廣應(yīng)用現(xiàn)開(kāi)展電桿桿段間及電桿同基礎(chǔ)間連接方式的設(shè)計(jì)研究，并運(yùn)用ABAQUS程序?qū)λO(shè)計(jì)的剛性法蘭連接方式進(jìn)行數(shù)值模擬，分析局部受力情況，從而得到適合超高壓線路使用的部分預(yù)應(yīng)力RPC混凝土電桿的連接方式。

高強(qiáng)部分預(yù)應(yīng)力混凝土電桿；連接設(shè)計(jì)；剛性法蘭；數(shù)值模擬

1　高強(qiáng)部分預(yù)應(yīng)力RPC電桿

鋼筋混凝土電桿是我國(guó)的輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的主要形式之一，具有方便施工、鋼用量少、經(jīng)濟(jì)性好維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)，但是在一些惡劣條件下，如高寒地區(qū)、鹽類及電化學(xué)侵蝕等，普通鋼筋混凝土電桿在經(jīng)歷幾年或幾十年的運(yùn)行后，會(huì)不同程度地出現(xiàn)縱向橫向裂紋、蜂窩麻面、掉砂掉塊等現(xiàn)象，過(guò)早結(jié)束使用壽命。

活性粉末混凝土(RPC)是一種新型超高強(qiáng)度超高性能的高致密水泥基復(fù)合材料。目前研究的RPC材料抗壓強(qiáng)度可達(dá)170 MPa以上，抗折強(qiáng)度和彈性模量分別高達(dá)30 MPa和50 GPa；由于內(nèi)部孔隙率很小，所以有著優(yōu)良的抗氯離子滲透、抗碳化、抗腐蝕、抗?jié)B、抗凍及耐磨等耐久性。因此RPC是制作混凝土電桿的最理想材料[1]。

部分預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土電桿是合理地選用預(yù)應(yīng)力與非預(yù)應(yīng)力鋼筋，配以高強(qiáng)度RPC混凝土，使三者有機(jī)結(jié)合，從而極大提高了混凝土電桿的強(qiáng)度及抗裂性能，并具有良好的耐久性和免維護(hù)性[2]。

目前這種高強(qiáng)度部分預(yù)應(yīng)力RPC電桿本體從材料配比到設(shè)計(jì)再到生產(chǎn)過(guò)程的相關(guān)技術(shù)都已成熟，但對(duì)使用過(guò)程中的拼裝連接問(wèn)題還有待研究。

2　連接方式選擇

目前普通混凝土電桿考慮堆放、運(yùn)輸和施工等環(huán)節(jié)，桿段間通常主要使用鋼圈焊接，并且得到推廣，但缺點(diǎn)是只能承受很小的彎矩。少部分混凝土電桿采用法蘭連接，混凝土電桿連接的法蘭構(gòu)造上可分為有勁法蘭和無(wú)勁法蘭兩種形式。前者稱為剛性法蘭，剛性法蘭的特點(diǎn)即剛度大、承載力高，但也有弱點(diǎn)，如節(jié)點(diǎn)焊接工作量大，焊接后焊縫中的殘余應(yīng)力則難以估計(jì)。后者又稱為柔性法蘭，因?yàn)槿サ袅思觿爬撸蟠鬁p少了法蘭盤的焊縫數(shù)量，加工簡(jiǎn)單，安裝方便，可以保證法蘭盤平整度，但節(jié)點(diǎn)剛度比較小，法蘭盤和的連接螺栓的受力狀態(tài)相對(duì)于有加勁肋法蘭而言比較復(fù)雜。

鑒于高強(qiáng)度部分預(yù)應(yīng)力筋RPC電桿代替鐵塔應(yīng)用到超高壓輸電線路中，設(shè)計(jì)荷載特別大，連接處受力要比普通混凝土電桿大很多，也復(fù)雜很多。借鑒鋼管桿的連接設(shè)計(jì)，擬采用剛性法蘭作為高強(qiáng)度部分預(yù)應(yīng)力筋RPC電桿的桿段連接方式。重點(diǎn)分析混凝土和法蘭鋼圈間、預(yù)應(yīng)力筋和法蘭板間相互作用及傳力機(jī)理。

3　剛性法蘭設(shè)計(jì)

3.1受力模式

當(dāng)剛性法蘭在承受壓力荷載和彎曲荷載時(shí)，其受壓邊緣的力是由鋼管管壁與法蘭板之間的內(nèi)外環(huán)連接焊縫來(lái)傳遞的，而內(nèi)外連接環(huán)焊縫的承載力之和應(yīng)不小于鋼管管壁的承載能力。法蘭在受拉的過(guò)程中法蘭盤承受的是彎曲荷載，法蘭盤的受彎是由最大受彎螺栓所在的區(qū)域控制的[3]。

3.2剛性法蘭的螺栓計(jì)算[4]

(1)軸心受拉作用時(shí)，按下式計(jì)算：

(1)

(2)受拉(壓)、彎共同作用時(shí):

(2)

3.3剛性法蘭中法蘭盤的計(jì)算

(1)法蘭盤的受力特性，可視作三邊支撐板，即兩邊固定、一邊簡(jiǎn)支見(jiàn)圖1所示：

圖1　剛性法蘭盤受力示意圖

板上的均布荷載：

(3)

(2)板中的最大彎矩：

(4)

(3)法蘭盤的厚度：

(5)

式中：t為法蘭盤的厚度，mm。

3.4剛性法蘭中加勁肋板的計(jì)算

(1)在采用對(duì)接焊縫時(shí)，按下式計(jì)算(圖2)：

圖2　加勁肋板受力簡(jiǎn)圖

豎向?qū)雍缚p：

(6)

(7)

(8)

水平對(duì)接焊縫：

(9)

(2)在采用角焊縫時(shí)，按下列公式計(jì)算：

剪應(yīng)力：

(10)

正應(yīng)力：

(11)

3.5初步擬定法蘭規(guī)格

以東北電力大學(xué)鞠彥忠教授課題組研發(fā)的500 kV送電線路部分預(yù)應(yīng)力筋RPC雙桿為研究對(duì)象[2]，外形尺寸及抵抗彎矩見(jiàn)圖3。

圖3　高強(qiáng)部分預(yù)應(yīng)力RPC雙桿外形、截面尺寸圖以及抵抗彎矩圖(mm)

根據(jù)部分預(yù)應(yīng)力筋RPC混凝土電桿尺寸，以及《國(guó)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)定擬定法蘭的尺寸，法蘭材質(zhì)Q345鋼。

法蘭外徑：d1=662 mm；螺栓孔定位圓直徑：d2=544 mm；鋼圈外徑：d3=400 mm；鋼管端部與連接面距離：h1=12 mm；法蘭厚度：C=22 mm；加勁板寬度：b1=128 mm；加勁板倒角后寬度：b2=10 mm；加勁板焊接切角寬度：b3=12 mm；加勁板高度：h2=140 mm。

3.6初步擬定螺栓規(guī)格[5]

螺栓個(gè)數(shù)計(jì)算時(shí)，先取鋼管所能承受的最大設(shè)計(jì)荷載為計(jì)算荷載，按照規(guī)范公式計(jì)算出需要的螺栓數(shù)目。若計(jì)算出的數(shù)目為奇數(shù)，再加三個(gè)確定為所需螺栓數(shù)目；若計(jì)算出的數(shù)目為偶數(shù)，再加二個(gè)確定為所需螺栓數(shù)目。再看所需螺栓數(shù)目是否為4的倍數(shù)，如果不是，則增加螺栓數(shù)目使其成為4的倍數(shù)。

確定螺栓規(guī)格為M36X130，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)。

4　有限元分析

考慮電桿在生產(chǎn)過(guò)程中剛性法蘭是同預(yù)應(yīng)力筋錨固并施加預(yù)應(yīng)力后同活性粉末混凝土澆注離心成型，剛性法蘭結(jié)構(gòu)本身、以及同混凝土結(jié)合面處和同預(yù)應(yīng)力筋錨固處的局部受力情況會(huì)非常復(fù)雜，有必要考慮不同介質(zhì)的接觸問(wèn)題對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到局部受力情況。

4.1有限元模型建立

作為通用的有限元分析軟件，ABAQUS特別擅長(zhǎng)處理一些材料不均勻，接觸面復(fù)雜的問(wèn)題。對(duì)于接觸問(wèn)題，目前比較成熟的解決辦法是將相鄰的部位定義成接觸面，兩側(cè)的構(gòu)筑物定義為不同的材質(zhì)進(jìn)行模擬，目前比較常用的處理接觸面問(wèn)題的有直接法、接觸力學(xué)方法和接觸面單元法[6-8]。

考慮幾何及材料非線性，將結(jié)構(gòu)分為混凝土、鋼筋(包括預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力筋)和法蘭四部分(見(jiàn)圖4、圖5、圖6)，鋼筋單元在有限元模型里是被疊加到模擬的混凝土單元網(wǎng)格上，法蘭和鋼筋固接。在混凝土與鋼之間的相互作用定義為摩擦接觸，采用的是“罰函數(shù)”的算法，主動(dòng)面與被動(dòng)面之間的摩擦系數(shù)選取為0.5。在法向的接觸特性上，接觸狀態(tài)由接觸面上的法向壓強(qiáng)決定。當(dāng)兩個(gè)接觸面處于接觸狀態(tài)時(shí)，法向壓力為正，壓力通過(guò)接觸面可以傳遞。當(dāng)法向應(yīng)力減小至零或負(fù)的時(shí)候，接觸面開(kāi)始分離；而分離的接觸面重新接觸的時(shí)候，意味著法向壓力重新為正。

圖4 鋼筋(預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋)與法蘭盤有限元模型圖5 混凝土電桿有限元模型圖6 整體有限元模型圖7 模型的相互作用定義效果圖

針對(duì)本模型的實(shí)際情況，對(duì)本模型共定義了6個(gè)相互作用，它們都是RPC混凝土和Q345鋼之間的相互作用，其中相互作用屬性定義為摩擦接觸。與此同時(shí)創(chuàng)建了10個(gè)約束，其中鋼筋與混凝土之間的約束定義為內(nèi)置區(qū)域作用，鋼筋與短柱端面定義為耦合作用，其余約束均定義為綁定。定義后的效果示意圖如圖7所示。

4.2結(jié)果分析

通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算得到以下結(jié)果：

圖8　混凝土電桿柱應(yīng)力云圖

(1)首先對(duì)電桿同法蘭接觸部分的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行分析：部分預(yù)應(yīng)力筋RPC混凝土電桿本體在受到實(shí)際工況下最大荷載時(shí)的應(yīng)力云圖如圖8所示，其最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在電桿同法蘭底盤接觸處底面及內(nèi)壁，危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力大小為85 MPa，小于其抗壓強(qiáng)度145-170 MPa[9]，不會(huì)發(fā)生混凝土壓潰現(xiàn)象。所以可以斷定高強(qiáng)部分預(yù)應(yīng)力筋RPC電桿在同法蘭連接處的混凝土是不會(huì)發(fā)生受壓破壞的，滿足強(qiáng)度要求。

(2)剛性法蘭中的鋼圈、加勁板和盤底在受到實(shí)際工況下最大荷載時(shí)的應(yīng)力云圖如圖9所示。鋼圈的最大拉應(yīng)力101.54 MPa出現(xiàn)在電桿受彎內(nèi)側(cè)鋼圈同盤底交界處，最大壓應(yīng)力102.73 MPa出現(xiàn)在電桿受彎外側(cè)同加勁板頂角焊接的位置；加勁板最大拉應(yīng)力76.23 MPa出現(xiàn)在電桿受彎外側(cè)同盤底焊接位置，最大壓應(yīng)力121.09 MPa出現(xiàn)在電桿受彎內(nèi)側(cè)同盤底焊接處；法蘭盤底最大拉應(yīng)力134.59 MPa出現(xiàn)在電桿受彎外側(cè)同預(yù)應(yīng)力筋固結(jié)位置，最大壓應(yīng)力162.31 MPa出現(xiàn)在受彎內(nèi)側(cè)同受壓區(qū)混凝土接觸處。均小于Q345鋼的屈服極限274-343 MPa，因此可以說(shuō)明所設(shè)計(jì)剛性法蘭的強(qiáng)度滿足要求。

圖9　法蘭的應(yīng)力云圖

5　結(jié)　　論

參考現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的鋼管塔連接法蘭的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對(duì)適用于超高壓線路上的高強(qiáng)度部分預(yù)應(yīng)力筋RPC電桿的連接剛性法蘭進(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮接觸問(wèn)題利用有限元軟件ABAQUS對(duì)所設(shè)計(jì)的法蘭進(jìn)行數(shù)值模擬，得到局部受力情況，從而使得高強(qiáng)度部分預(yù)應(yīng)力筋RPC電桿的拼裝連接問(wèn)題得以解決。通過(guò)研究主要得出以下結(jié)論：

(1)采用剛性法蘭連接500kV高強(qiáng)度部分預(yù)應(yīng)力筋RPC電桿桿段及電桿與基礎(chǔ)是可行的，可參照鋼管塔節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)其他類型大彎矩高強(qiáng)混凝土電桿連接設(shè)計(jì)提供參考，完善了大彎矩電桿的設(shè)計(jì)理論。

(2)有限元分析中高強(qiáng)部分預(yù)應(yīng)力筋RPC混凝土電桿本體在最不利荷載作用下最大壓應(yīng)力為85 MPa，出現(xiàn)在同剛性法蘭連接處，已經(jīng)超過(guò)普通混凝土的承壓能力，只有使用超高強(qiáng)度高性能混凝土才能達(dá)到500 kV輸電線路電桿的承載能力要求。

(3)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示剛性法蘭的各個(gè)部件只有法蘭盤底處同預(yù)應(yīng)力筋固結(jié)處的應(yīng)力最大，但是未超過(guò)Q345鋼的屈服極限，因此可以說(shuō)明所設(shè)計(jì)的剛性法蘭的強(qiáng)度滿足要求。

[1]鞠彥忠，王德弘，張超.活性粉末混凝土的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(5/6)：9-15.

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[9]鞠彥忠，王德弘，單明.活性粉末混凝土力學(xué)性及凍融性能研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2009，27(2)：214-220.

A Studyon Connection Design of the Partial Prestressed High Strength Concrete Pole

WU Chen-xi1,WU Qiu-sheng1,YU Dong-xu2,DUO Wei-hong2,BAI Jun-feng3

(1.Yangzhou Power Supply Company，Jiangsu 225000，China；2. Daqing Power Supply Company，Heilongjiang 163458，China；3.School of Architecture Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China)

Reactive Powder Concrete (RPC) is a new material with ultra high strength,high toughness,ultra-high durability and excellent volume stability.It is the best material to make EHV partial prestressed high strength concrete pole.The study of design theory of this pole has been very mature so far.To apply practically，the thesis studied and resolved the problem of connection on the section of the partial prestressed RPC pole,and utilized ABAQUS to analyze the stress state of rigid flange and the partial prestressed RPC pole.Therefor it obtained compatible connection-mode of EHV partially prestressed high strength concrete pole.

The EHV partial prestressed high strength concrete pole；The design of connection；Rigid Flange；Numerical Simulation

2016-04-12

吳晨曦(1985-)，男，江蘇省揚(yáng)州市人，國(guó)家電網(wǎng)揚(yáng)州供電公司工程師，碩士，主要研究方向：輸電線路工程管理.

1005-2992(2016)04-0078-06

TM753

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