鋼筋水泥桿撓度測(cè)量研究

金坤鵬，錢(qián)錫穎，陸琛杰，俞 捷

（寧波送變電建設(shè)有限公司質(zhì)檢中心，浙江 寧波 315032）

0 引言

根據(jù)2016年國(guó)網(wǎng)物資線路材料檢測(cè)內(nèi)容，鋼筋水泥桿是電網(wǎng)架空線路中重要的組成部分，其安全性關(guān)系到輸送電線路的正常運(yùn)行，因此提高對(duì)鋼筋水泥桿的質(zhì)量檢測(cè)水平顯得非常重要[1]。配電網(wǎng)常用的鋼筋水泥桿檢測(cè)項(xiàng)目主要有外觀質(zhì)量、尺寸允許偏差、力學(xué)性能和鋼筋保護(hù)層厚度等[2]。目前針對(duì)電網(wǎng)用鋼筋水泥桿展開(kāi)的檢測(cè)，均在水泥桿生產(chǎn)廠家現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，從國(guó)內(nèi)范圍來(lái)看，各檢測(cè)機(jī)構(gòu)普遍采取的檢測(cè)方式是通過(guò)肉眼觀察、卡尺和放大鏡進(jìn)行外觀質(zhì)量、尺寸允許偏差的檢測(cè)；對(duì)其力學(xué)性能通常采用撓度指標(biāo)來(lái)表征，撓度的測(cè)量主要通過(guò)撓度測(cè)試儀、人工手拉鏈條葫蘆、荷載傳感器等設(shè)備來(lái)進(jìn)行，最后通過(guò)計(jì)算得到鋼筋水泥桿撓度值[3]。

隨著水泥桿成型技術(shù)的發(fā)展，其外觀尺寸、力學(xué)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(shí)在部分110～500 kV高壓架空線路也開(kāi)始運(yùn)用鋼筋水泥電桿[4-5]，因此國(guó)家電網(wǎng)公司物資部對(duì)水泥電桿的安全性檢測(cè)提出了更高的要求，其檢測(cè)結(jié)果對(duì)輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著非常大的影響[6]。通過(guò)試驗(yàn)研究了不同檢測(cè)過(guò)程中，荷載保載方法對(duì)鋼筋水泥桿的最終力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)通過(guò)對(duì)兩根不同長(zhǎng)度、相同等級(jí)的水泥桿在不同保載條件下檢測(cè)了其力學(xué)性能，并對(duì)其撓度值結(jié)果進(jìn)行了研究，對(duì)指導(dǎo)檢測(cè)配網(wǎng)用鋼筋水泥桿力學(xué)性能檢測(cè)具有重要意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)M鋼筋水泥電桿在實(shí)際使用過(guò)程中的受力狀態(tài)，為了更好地體現(xiàn)本試驗(yàn)的代表性，試驗(yàn)樣品選擇為目前國(guó)網(wǎng)物資使用較多的錐形水泥桿進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)方法參考GB 4623-2014《環(huán)形混凝土電桿》[7]，采用懸臂法進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。試驗(yàn)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(kāi)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(shè)置1個(gè)由萬(wàn)向輪小車構(gòu)成的支撐點(diǎn)，確保鋼筋水泥桿中心處于水平直線上，同時(shí)為了消除摩擦力的影響，在萬(wàn)向輪下方墊上鋼板，并在鋼板表面涂潤(rùn)滑油處理。在進(jìn)行加載前，先對(duì)錐形鋼筋水泥桿進(jìn)行外觀質(zhì)量和尺寸偏差檢測(cè)，檢驗(yàn)方法嚴(yán)格按照GB 4623-2014《環(huán)形混凝土電桿》7.4節(jié)規(guī)定進(jìn)行[7]，檢驗(yàn)合格的鋼筋水泥電桿方能作為樣品進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。加載力采用60 kN手拉葫蘆施加，受力點(diǎn)距離梢端0.25 m處，荷載位移的具體數(shù)據(jù)由LH-4-5型水泥桿撓度檢測(cè)儀記錄，同時(shí)記錄裂（紋）縫寬及條數(shù)等有用數(shù)據(jù)，裂縫寬度采用20倍讀數(shù)顯微鏡觀測(cè)。

1.2 位移傳感器的布置

在對(duì)鋼筋水泥桿進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)數(shù)據(jù)線及時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞殖质浇K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(yàn)為了判斷不同加載方案對(duì)鋼筋水泥桿力學(xué)性能的影響，采用的鋼筋水泥桿共兩個(gè)型號(hào)，分別為錐形Φ190mm×12mmM型和Φ190mm×15mm M型，根據(jù)GB 4623-2014《環(huán)形混凝土電桿》[7]，加載到標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)稍端荷載6 kN。加載前注意接線緊固，手拉接線和連接頭無(wú)松動(dòng)，同時(shí)用塞尺檢查確認(rèn)傳感器端面到水泥桿之間距離符合檢定證書(shū)的要求。加載過(guò)程采用直線加載法和分段保載加載法分別測(cè)試。在分段加載過(guò)程中，分別在額定稍端荷載的分段點(diǎn)（20%，40%，60%，80%，90%，100%）進(jìn)行保載，保載時(shí)間分別為1 min，3 min，5 min，直線加載過(guò)程中保載時(shí)間計(jì)為0 min，同時(shí)記錄保載結(jié)束時(shí)各位移檢測(cè)點(diǎn)位移變化情況。

2 測(cè)試成果分析

2.1 不同保載時(shí)間對(duì)C點(diǎn)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(diǎn)位移的關(guān)系。圖1（a），（b）為12m和15m鋼筋水泥桿在不同保載時(shí)間下，稍端荷載與C點(diǎn)位移的關(guān)系。由圖1可知，在保載時(shí)間為0 min時(shí)（直線加載法），稍端荷載與C點(diǎn)位移呈正相關(guān)，隨著手拉葫蘆加載過(guò)程不斷進(jìn)行，其稍端荷載不斷增加，同時(shí)C點(diǎn)位移也隨之呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其稍端荷載-位移關(guān)系曲線比較平滑。當(dāng)隨著分段保載時(shí)間的延長(zhǎng)，在相同荷載下，從圖1中可以發(fā)現(xiàn)其C點(diǎn)位移均大于不進(jìn)行保載的試驗(yàn)方法，同時(shí)C點(diǎn)位移與保載時(shí)間呈正比，但隨著保載時(shí)間的延長(zhǎng)，后趨于穩(wěn)定。該現(xiàn)象說(shuō)明，隨著保載時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼筋水泥桿在相應(yīng)荷載條件下發(fā)生彎曲變形充分，反應(yīng)出了其在不同加載力作用下的真實(shí)變形性能。

同時(shí)從圖1可以發(fā)現(xiàn)，隨著保載時(shí)間的延長(zhǎng)，稍端荷載-位移關(guān)系曲線在保載過(guò)程中出現(xiàn)折線段，如圖1中保載點(diǎn)箭頭所示。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于在保載過(guò)程中，由于手拉葫蘆加載對(duì)荷載大小無(wú)法精確控制，隨著保載時(shí)間的延長(zhǎng)，其稍端不斷受到拉力的作用導(dǎo)致C點(diǎn)位移不斷加大。但與此同時(shí)，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(dǎo)致其實(shí)際荷載降低，而手拉鏈條無(wú)法及時(shí)對(duì)下降的荷載進(jìn)行重新加載。因此在保載過(guò)程中出現(xiàn)了荷載下降，C點(diǎn)位移緩慢上升的折線段，并且從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，隨著保載時(shí)間的延長(zhǎng)，其折線段回折距離也隨之變大，實(shí)際荷載下降愈加明顯。

2.2 不同保載時(shí)間對(duì)水泥桿撓度值的影響

撓度Y的計(jì)算采用公式：

圖1 稍端荷載-位移關(guān)系曲線

式中：aA為A支點(diǎn)位移；aB為B支點(diǎn)位移；aC為C支點(diǎn)位移；L2為B支點(diǎn)到底端距離；L為整桿長(zhǎng)度[11]。aA，aB，aC數(shù)據(jù)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(shí)間的關(guān)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(guān)系曲線。由圖2可知，當(dāng)不保載時(shí)，其撓度值最??；當(dāng)保載時(shí)間為1 min時(shí)，其撓度值迅速上升，當(dāng)保載時(shí)間延長(zhǎng)到3 min時(shí)，其撓度基本達(dá)到穩(wěn)定值，隨后進(jìn)一步延長(zhǎng)保載時(shí)間，其撓度值雖略有上升，但幅度較小，趨于穩(wěn)定。以上結(jié)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(guò)程中各區(qū)間保載時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，并最后趨于定值。

圖2 保載時(shí)間與撓度關(guān)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(xué)性能的重要指標(biāo)之一[8]，根據(jù)國(guó)標(biāo)[7]可知，裂縫寬度W≤0.20 mm為合格。為了研究不同保載時(shí)間對(duì)鋼筋水泥桿裂縫寬度和數(shù)量的影響，試驗(yàn)采用20倍讀數(shù)顯微鏡對(duì)不同測(cè)試條件下的鋼筋水泥桿裂（紋）縫寬及條數(shù)進(jìn)行了觀測(cè)，具體數(shù)值如表3所示。

表3 最大裂縫寬度及條數(shù)

由表3可知，當(dāng)稍端荷載不進(jìn)行保載，而采用直線加載試驗(yàn)時(shí)，其鋼筋水泥桿的最大裂縫寬度均較有保載過(guò)程的鋼筋水泥桿要大，同時(shí)其裂縫條數(shù)也相對(duì)較多。究其原因在于，對(duì)于未保載的鋼筋水泥桿其荷載在加載過(guò)程中一直處于上升狀態(tài)，并且由于荷載加載速率比較大，鋼筋水泥桿在彎曲過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)力不斷累積，得不到釋放，當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到一定值后，只能通過(guò)水泥保護(hù)層的開(kāi)裂來(lái)進(jìn)行釋放，從而造成裂縫寬度較大[9-10]；而對(duì)于有保載過(guò)程的鋼筋水泥桿，當(dāng)荷載加載到一定數(shù)值后停止加載，在保載過(guò)程中，其水泥保護(hù)層應(yīng)力集中區(qū)域通過(guò)豫馳作用，累積的應(yīng)力向周邊得到擴(kuò)散，該過(guò)程在每1次保載時(shí)間段內(nèi)都得以完成，鋼筋水泥桿內(nèi)部應(yīng)力得到釋放，導(dǎo)致鋼筋水泥桿內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)力值均小于無(wú)保載過(guò)程鋼筋水泥桿，因此最終其最大裂縫寬度和裂縫條數(shù)都小于無(wú)保載過(guò)程的鋼筋水泥桿[11-12]。而有保載過(guò)程的水泥桿最大裂縫寬度與裂縫條數(shù)與具體保載時(shí)間無(wú)相關(guān)性。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)鋼筋水泥桿進(jìn)行檢測(cè)，在加載過(guò)程中分階段保載有助于提高其力學(xué)性能—撓度值的準(zhǔn)確性，并且當(dāng)保載時(shí)間小于3 min時(shí)，該撓度值與保載時(shí)間呈正相關(guān)；當(dāng)分階段保載時(shí)間為3 min及以上時(shí)，撓度值趨于穩(wěn)定，該值可判斷為鋼筋水泥桿真實(shí)撓度。因此，從檢測(cè)效率上來(lái)講一般分階段保載時(shí)間可選取為3 min；同時(shí)，裂縫寬度及裂紋條數(shù)減小對(duì)減輕運(yùn)行過(guò)程中電桿受有害物質(zhì)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(cè)可有效降低檢測(cè)過(guò)程中鋼筋水泥桿最大裂縫寬度及裂紋條數(shù)，盡可能降低檢測(cè)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)物資的破壞。

在荷載保載過(guò)程中，提高荷載穩(wěn)定性對(duì)提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性非常重要，目前對(duì)鋼筋水泥桿力學(xué)性能檢測(cè)還基本上都是采用手拉鏈條葫蘆進(jìn)行加載，結(jié)果顯示該加載方法具有不穩(wěn)定性，在保載過(guò)程中無(wú)法對(duì)荷載大小進(jìn)行精確控制，由于在保載過(guò)程中存在荷載下降的現(xiàn)象，其有可能降低鋼筋水泥桿的撓度[14]。因此，結(jié)合研究結(jié)果，進(jìn)一步改進(jìn)加載方案提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性顯得尤為必要。

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