外包鋼加固環(huán)形混凝土電桿受彎承載力研究?

殷曉三

(中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院 鄭州451191)

引言

電網(wǎng)建設(shè)推動著國民經(jīng)濟的發(fā)展,國民經(jīng)濟的發(fā)展對電網(wǎng)建設(shè)提出了更高的要求。在電網(wǎng)建設(shè)中,輸電線路工作性能直接影響到電力供應(yīng)的安全性,而環(huán)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(huán)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(huán)形混凝土電桿已經(jīng)不滿足相應(yīng)的結(jié)構(gòu)功能要求,在電力系統(tǒng)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(yīng),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(huán)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(xiàn)實意義[1,2]。為了能夠?qū)旊娋€路在臺風(fēng)作用下的力學(xué)影響進行準(zhǔn)確的分析,以便有效地提高輸電線路的防風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)段的有限元模型,對不同風(fēng)速下線路的力學(xué)響應(yīng)進行了研究。碳纖維布具有高強、輕質(zhì)和耐久性良好等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于加固領(lǐng)域,徐金俊等人[5,6]對碳纖維加固環(huán)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(jié)果表明,碳纖維加固環(huán)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(shù)增加而增加,但是與碳纖維粘貼層數(shù)不呈比例關(guān)系,其破壞形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的脆性。為了彌補碳纖維加固環(huán)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(huán)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(nèi)澆筑素混凝土形成的鋼管混凝土構(gòu)件,不僅具有承載能力高、延性性能好、抗震性能優(yōu)越等優(yōu)點,而且具有節(jié)約材料、施工方便等經(jīng)濟效益,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑,在城市拱橋和高爐鍋爐構(gòu)架中也普遍被接受?；阡摴芑炷晾碚?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(gòu)件外部安裝截面尺寸較大的鋼管,在既有鋼筋混凝土構(gòu)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(jié)果表明,可以按照鋼管混凝土理論進行計算和設(shè)計?；阡摴芑炷晾碚?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(gòu)件外部設(shè)置鋼殼,通過外部擠壓作用,將鋼殼與鋼筋混凝土構(gòu)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(jīng)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(yīng)于我國電力工業(yè)的快速發(fā)展,在鋼管混凝土理論的基礎(chǔ)上,哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、浙江省電力勘測設(shè)計院和遼寧省電力勘測設(shè)計院等科研機構(gòu)開發(fā)了空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)?？招匿摴芑炷劣址Q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(nèi)壁,采用蒸汽養(yǎng)護,從而形成的空心的鋼管混凝土構(gòu)件[9]?？招幕炷岭姉U具有生產(chǎn)成本低、制作方便、使用壽命長、施工方便和環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于農(nóng)配網(wǎng)輸電線路、廣播通訊和鐵路接觸網(wǎng)線支柱等領(lǐng)域,2017年上半年混凝土電桿生產(chǎn)量達到823萬根,比2016年同期增長17.2%[10]。根據(jù)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(chǔ)上,提出了外包鋼加固環(huán)形混凝土電桿方法,用于改善環(huán)形混凝土電桿的結(jié)構(gòu)功能。

1.2 加固施工工藝

外包鋼加固環(huán)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(huán)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(jù)對環(huán)形混凝土電桿受彎承載力的要求,選擇相應(yīng)厚度的鋼板,根據(jù)環(huán)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(yīng)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(huán)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(huán)形混凝土電桿之間注入建筑結(jié)構(gòu)膠。

(5)待建筑結(jié)構(gòu)膠的強度達到設(shè)計強度后,清除鋼板曲殼對接處約1mm 縫隙處結(jié)構(gòu)膠。

(6)通過螺栓孔,采用螺栓連接,并用扳手對螺栓施加預(yù)應(yīng)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(nèi)部環(huán)形混凝土電桿具有較強的徑向壓力。

圖1 外包鋼加固環(huán)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(huán)形混凝土電桿方法,外部鋼管對環(huán)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(huán)形混凝土電桿共同工作性能。這種加固方法便捷快速,經(jīng)濟實用,不僅適用于環(huán)形混凝土電桿整體加固,也適用于環(huán)形混凝土電桿局部加固。

2 外包鋼加固環(huán)形混凝土電桿受彎承載力計算

界面粘結(jié)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(jié)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(huán)形混凝土電桿的加固方法,通過徑向壓力保證了鋼管與環(huán)形混凝土電桿有效地粘結(jié); 由于加工精度的影響,外包鋼管內(nèi)徑尺寸和環(huán)形混凝土電桿外徑尺寸存在誤差,填充建筑結(jié)構(gòu)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(huán)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(huán)形混凝土電桿受彎承載力,首先應(yīng)當(dāng)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(jù)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(jù)空心鋼管混凝土理論建立受彎承載力計算公式。在工程應(yīng)用中,一般荷載作用下,空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力并不高,結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài); 在受力過程中,即使混凝土出現(xiàn)脫落現(xiàn)象,構(gòu)件的承載力并不隨之降低,而是以構(gòu)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(shè),假定鋼材處于單向受力狀態(tài),混凝土不承擔(dān)抗拉作用,當(dāng)構(gòu)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(tǒng)一理論為基礎(chǔ)建立的。鋼管混凝土統(tǒng)一理論把鋼管混凝土視為統(tǒng)一的、連續(xù)的和相關(guān)的材料,空心鋼管混凝土的工作性能隨著材料的物理參數(shù)、幾何參數(shù)、截面形式和應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化?！犊招匿摴芑炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)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(yīng)變?yōu)?0000με 時對應(yīng)的彎矩為極限彎矩,由此推導(dǎo)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(fā)展系數(shù); Wsc為受彎構(gòu)件截面模量(mm3); fsc為空心鋼管混凝土抗壓強度設(shè)計值(N/mm2); ? 為空心率; θ 為套箍系數(shù); r1、r2為空心鋼管混凝土內(nèi)半徑、外半徑(mm); B、C 為截面影響系數(shù); fc為混凝土抗壓強度設(shè)計值(N/mm2)。

塑性發(fā)展系數(shù)γm主要考慮了空心率? 和套箍系數(shù)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(shù)θ 計算公式：

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

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

2.2 環(huán)形混凝土電桿受彎承載力計算

環(huán)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(huán)形壓彎構(gòu)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(gòu)件基本假定相同,主要設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010 -2010)、《環(huán)形混凝土電桿國家標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T4623 -2006)、《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5154 -2012)。以最新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5154 -2012)進行相應(yīng)計算分析,其受彎承載能力計算公式：

式中：α1為受壓區(qū)混凝土矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力值與混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值的比值,當(dāng)混凝土強度不超過C50 時α1取為1.0,當(dāng)混凝土強度等級為C80 時取為0.94,其間按線性內(nèi)插值法確定;A為混凝土截面面積(mm2);α為受壓區(qū)混凝土截面面積與全面積的比值;fs為鋼筋抗拉強度設(shè)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(dāng)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(jù)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(nèi)部混凝土為素混凝土; 根據(jù)環(huán)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(huán)形箍筋對受彎承載力的影響。當(dāng)外包鋼加固環(huán)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(huán)形混凝土電桿中縱向鋼筋和環(huán)形箍筋對受彎承載力的貢獻。然而,忽略環(huán)形混凝土電桿中縱向鋼筋和環(huán)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(gòu)件儲備了較大的安全余度。在外界自然環(huán)境和內(nèi)應(yīng)力的作用下,環(huán)形混凝土電桿出現(xiàn)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(zhǔn)確地檢測和評估。因此,對加固構(gòu)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(gòu)件受彎承載力的可靠性。

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

根據(jù)這兩條基本假定,外包鋼加固環(huán)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(huán)形混凝土電桿受彎承載力(N·mm);M0為按式(8) ～式(10)計算的環(huán)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(shù)據(jù),采用厚度為5mm、牌號為Q345、測試屈服強度為360N/mm2的鋼管對環(huán)形混凝土電桿進行加固,根據(jù)上述推導(dǎo)的公式,編制Excel 表格進行計算,加固前后的計算數(shù)據(jù)見表1。

表1 外包鋼加固環(huán)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(huán)形混凝土電桿受彎承載力計算數(shù)據(jù)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(huán)形混凝土電桿加固前的受彎承載力計算值,符合構(gòu)件經(jīng)過加固后承載力得到提高的一般規(guī)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(huán)形混凝土電桿受彎承載力具有可行性。

4 結(jié)論

1.外包鋼加固環(huán)形混凝土電桿的理論基礎(chǔ)為空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)理論。

2.外包鋼加固環(huán)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(huán)形混凝土電桿整體加固,也適用于環(huán)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(huán)形混凝土電桿受彎承載力具有可行性。