曹文典,吳 婷
(中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司,江西南昌330063)
混凝土電桿是我國(guó)供配電網(wǎng)中的重要電力設(shè)施。普通電桿大部分都自重大、容易開(kāi)裂、耐久性方面較差、壽命短,一定程度上限制了它的應(yīng)用范圍。隨著國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的發(fā)展,對(duì)混凝土電桿的各方面性能要求比以往要高;普通電桿的上述缺點(diǎn)在一定程度上制約著電網(wǎng)的發(fā)展,隱藏著較大的安全隱患,對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。超高強(qiáng)混凝土本身?yè)碛袕?qiáng)度大,耐久性能好的優(yōu)異特點(diǎn),能夠有效克服普通混凝土的不足,目前已運(yùn)用在橋梁、鐵路、預(yù)應(yīng)力管樁構(gòu)件中,在混凝土電桿方面的運(yùn)用還鮮有報(bào)道。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,我國(guó)城市土地資源越來(lái)越短缺,超高強(qiáng)混凝土電桿可以憑借其強(qiáng)度高的特點(diǎn),避免了拉線占用土地資源的缺陷;借助薄壁質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn),可以在山區(qū)等運(yùn)輸條件差和運(yùn)行環(huán)境惡劣的地區(qū)得到運(yùn)用。
超高強(qiáng)混凝土作為新型的水泥基材料,與常規(guī)混凝土相比,具有強(qiáng)度大、耐久性能好的優(yōu)點(diǎn)。隨著電網(wǎng)建設(shè)工程的發(fā)展,在綠色環(huán)保理念的大環(huán)境下,混凝土研究朝著高強(qiáng)度的方向發(fā)展。在各國(guó)學(xué)者精心研究和不懈努力下,Larrard等在1994年提出超高強(qiáng)混凝土這一概念[1]。它具有許多優(yōu)點(diǎn),如抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)混凝土;具備和一些金屬等同的韌性,使結(jié)構(gòu)在極限荷載下具備更好的可靠性;由于低水膠比和孔隙率,使其具有較強(qiáng)的抗?jié)B透能力和抗腐蝕能力;因?yàn)槠鋬?nèi)部存在大量的沒(méi)有完全水化反應(yīng)的水泥顆粒,使其在開(kāi)裂狀態(tài)下可以進(jìn)行自我修復(fù);自重的減少顯著降低靜荷載,有利于結(jié)構(gòu)的制造和降低工程成本[2]。
該材料通過(guò)在砼中添加超細(xì)活性礦物料,如硅灰、磨細(xì)礦渣、磨細(xì)粉煤灰等,使基體內(nèi)部的孔隙等缺陷變少,從而獲得較高的強(qiáng)度和優(yōu)異的耐久性能。謝友均等運(yùn)用硅灰、水泥和超細(xì)粉煤灰以0.25∶1∶(0.3~0.4)的用量比,在水膠比小于0.16 和100 ℃的熱水養(yǎng)護(hù)下制備了超高強(qiáng)混凝土,未添加鋼纖維的抗壓強(qiáng)度值為200 MPa,添加比例為3%時(shí)其值接近250 MPa[3]。黃政宇等采用河砂代替石英砂,制備含粗骨料超高強(qiáng)混凝土,其力學(xué)性能優(yōu)異[4]。魯亞等通過(guò)制備多種等級(jí)的超高強(qiáng)混凝土開(kāi)展力學(xué)性能試驗(yàn),研究常規(guī)混凝土與超高強(qiáng)混凝土測(cè)驗(yàn)方法之間的差異,發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)都可以按照普通混凝土的試驗(yàn)方法進(jìn)行操作[5]。國(guó)愛(ài)麗等用水泥、石英砂、粉煤灰、礦渣以及2%的鋼纖維制備了超高強(qiáng)混凝土,經(jīng)過(guò)3 天的60 ℃熱養(yǎng)護(hù),混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到160 MPa[6]。
普通混凝土?xí)谐叽缧?yīng)問(wèn)題,在超高強(qiáng)混凝土當(dāng)中同樣會(huì)有這個(gè)問(wèn)題??聲攒姷炔捎迷囼?yàn)方法證明超高強(qiáng)混凝土材料彈性模量和強(qiáng)度較大,對(duì)尺寸效應(yīng)反應(yīng)的敏感性要比常規(guī)混凝土弱[7]。添加鋼纖維、硅粉、粉煤灰等原材料,運(yùn)用熱養(yǎng)護(hù)方法,都可以提高混凝土抗壓強(qiáng)度值,相反加入聚丙烯纖維會(huì)對(duì)強(qiáng)度有降低的作用[8]。王軍委等研究表明,水膠比為0.24時(shí),對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)最有利[9]。隨著水膠比的變大,其抗壓強(qiáng)度會(huì)顯著降低;礦物料的添加對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度影響比較明顯,對(duì)混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)影響有限,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最適宜的比例為40%。膠凝材料用量的多少對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有一定的影響,一般總量為600 kg/m3最合適。
超高強(qiáng)混凝土抗拉強(qiáng)度的測(cè)試方式和普通混凝土相同,采用軸拉試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)。超高強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度從低到高排序?yàn)閺澙瓘?qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和軸拉強(qiáng)度。超高強(qiáng)混凝土控制開(kāi)裂的能力較好,最大拉應(yīng)變達(dá)到3%以上。蒲心誠(chéng)等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著抗壓強(qiáng)度的增大,超高強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度也相應(yīng)的提高,但相應(yīng)的增速比普通混凝土的要小[10]??拐蹚?qiáng)度和劈裂強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值較常規(guī)混凝土的要小,表明超高強(qiáng)混凝土的脆性比常規(guī)混凝土的要弱。
混凝土電桿屬于城鄉(xiāng)中低壓電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。按桿上下端的直徑差異分成等徑桿和錐形桿兩類[11]。電桿結(jié)構(gòu)截面一般采用環(huán)形,由于環(huán)形截面具備下列優(yōu)勢(shì):1)各向承載力均等;2)比實(shí)心截面節(jié)材約40%;3)環(huán)形截面無(wú)突出部分,不易損壞。環(huán)形截面電桿普遍采取離心工藝成型,運(yùn)用常壓蒸養(yǎng)養(yǎng)護(hù)[12]。
目前混凝土電桿主要在低電壓等級(jí)的線路工程和通訊工程中運(yùn)用。在輸電線路工程中,常規(guī)電桿應(yīng)用比例越來(lái)越高,預(yù)應(yīng)力混凝土電桿應(yīng)用較少[13],大彎矩混凝土電桿應(yīng)用有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在生產(chǎn)方面,國(guó)家相關(guān)技術(shù)規(guī)范的實(shí)施,使得混凝土電桿的生產(chǎn)更加規(guī)范,電桿的質(zhì)量保證更加完善。在日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求下,大部分企業(yè)建設(shè)了蒸養(yǎng)池,同時(shí)采用了自動(dòng)化控制系統(tǒng)。目前生產(chǎn)線完成了機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化,各種自動(dòng)和智能的設(shè)施得到應(yīng)用,例如自動(dòng)吊具、自動(dòng)清模設(shè)備等。
雖然混凝土電桿具備自身的優(yōu)點(diǎn),但其在生產(chǎn)、運(yùn)輸及后期的運(yùn)行過(guò)程中會(huì)存在問(wèn)題,縮短電桿的使用壽命,增加電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。
1)目前混凝土電桿表面強(qiáng)度大多為C50,強(qiáng)度等級(jí)較低,在大跨越和轉(zhuǎn)角時(shí)需要安裝拉線,拉線的安裝會(huì)占用一定的土地資源,在城區(qū)等土地較緊缺的地域應(yīng)用受限。
2)普通混凝土電桿的強(qiáng)度較低,在承受大荷載的情況下,容易導(dǎo)致開(kāi)裂發(fā)生桿塔倒塌事故,造成供電故障風(fēng)險(xiǎn)。
3)普通水泥電桿常年承受垂直方向、水平方向的不對(duì)稱拉力作用,會(huì)產(chǎn)生淺表性裂紋,外部雨水和潮濕空氣會(huì)隨著裂紋侵蝕到電桿內(nèi)部,引起鋼骨架腐蝕,造成電桿的服役年限縮短。
4)混凝土電桿多數(shù)采用離心成型工藝,雖然此工藝能夠使混凝土更加密實(shí),但是仍然有20%左右的水分殘留在混凝土中,水分揮發(fā)后殘留下孔隙的比例較高。隨著氣候的變暖和雨雪冰凍天氣的增加,孔隙率較高的混凝土電桿的耐久性能較差,一定程度上影響到電桿的服役年限。
隨著輸電網(wǎng)的建設(shè),桿塔的耐久性、安全性等問(wèn)題越來(lái)越突出,各種新型桿塔不斷研發(fā)出來(lái)。超高強(qiáng)電桿因其強(qiáng)度較高、性能優(yōu)異的特點(diǎn),在電力線路中得到認(rèn)可[14]。
超高強(qiáng)混凝土電桿比普通水泥桿具備更高的強(qiáng)度,其抗壓強(qiáng)度是普通混凝土的2 倍以上,在同等承載能力的前提下采用超高強(qiáng)混凝土制成的電桿壁厚比普通電桿減少50%,重量也相應(yīng)的可降低30%~50%。在山區(qū)、丘陵等運(yùn)輸條件困難,特別是需要人工進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)的環(huán)境下,因其自重輕可以采用。
電桿高強(qiáng)度的表現(xiàn)有以下3個(gè)方面:1)基體材料的抗壓強(qiáng)度高;2)超高強(qiáng)混凝土集料粒徑較小,鋼筋間距能夠大幅減小,可配置的鋼筋數(shù)量變多,配筋率相應(yīng)提高,電桿的強(qiáng)度也會(huì)提高;3)混凝土水膠比較低,離心成型后電桿的密實(shí)度更高,強(qiáng)度也更大,在一定電壓等級(jí)條件下可以替代拉線桿、窄基塔和鋼管桿,不需要安裝拉線,基礎(chǔ)土方開(kāi)挖工作量也相應(yīng)減少,在施工及后期的檢修維護(hù)方面比較方便,減少土地的占用面積和桿塔成本,具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
超高強(qiáng)電桿因其具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),使電桿在荷載作用下可以承受較大的變形。在極端天氣條件下,減少對(duì)結(jié)構(gòu)的損害。同時(shí)超高強(qiáng)混凝土電桿具備很好的抗?jié)B透性能,使其在侵蝕嚴(yán)重的環(huán)境下具有更高的使用壽命,適用于在鹽堿地、沿海等侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)使用。
3.2.1 電桿試件
超高強(qiáng)混凝土桿具有承載負(fù)荷大、重量輕、施工方便等優(yōu)點(diǎn),為了驗(yàn)證電桿結(jié)構(gòu)的合理性、可靠性,進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用C120混凝土制作電桿,電桿總長(zhǎng)18 m,由2段9 m的桿件組成,采用法蘭連接,設(shè)計(jì)大風(fēng)30 m/s,覆冰風(fēng)速10 m/s,覆冰厚度20 mm,桿件的稍徑和根徑分別為230 mm和470 mm。
3.2.2 試驗(yàn)工況
電桿試驗(yàn)分標(biāo)準(zhǔn)荷載、覆冰荷載、大風(fēng)荷載三種工況,采用立式試驗(yàn),分析桿件在真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景下的工作情況。試驗(yàn)時(shí),將電桿承受的風(fēng)荷載簡(jiǎn)化成桿段重心處的橫向集中力,導(dǎo)地線上的風(fēng)荷載簡(jiǎn)化為掛點(diǎn)處的橫向集中力,導(dǎo)線自重則為垂直的集中力,各工況荷載見(jiàn)表1。各荷載施加位置及位移觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)如圖1所示。
表1 各工況加載值
圖1 荷載加載點(diǎn)和位移觀測(cè)點(diǎn)
3.2.3 試驗(yàn)概況
電桿在施加荷載過(guò)程中,產(chǎn)生橫向彎曲變形,如圖2所示,具體加載方式如下:
工況1:標(biāo)準(zhǔn)荷載;試驗(yàn)荷載為100%設(shè)計(jì)荷載。荷載按0-50%-75%-90%-95%-100%-0順序加荷,當(dāng)荷載加至100%時(shí),第1 觀測(cè)點(diǎn)橫向位移為482 mm,縱向位移為-3 mm,垂直位移為-20 mm。
工況2:最大覆冰;試驗(yàn)荷載為100%設(shè)計(jì)荷載。垂直、橫向荷載按0-50%-75%-90%-95%-100%-0 順序加荷,當(dāng)荷載施加到100%的時(shí)候,第1觀測(cè)點(diǎn)水平位移為15 mm,縱向位移為-18 mm,垂直位移為0 mm。
工況3:90°大風(fēng)(超載);試驗(yàn)荷載為140%設(shè)計(jì)荷載。垂直、橫向荷載按0-50%-75%-90%-95%-100%-105%-110%-115%-120%-125%-130%-135%-140%-0順序加荷,當(dāng)荷載施加到100%時(shí),第1觀測(cè)點(diǎn)橫向位移為1030 mm,縱向位移為3 mm,垂直位移為-59 mm;當(dāng)荷載施加到140%時(shí),第1 觀測(cè)點(diǎn)橫向位移為2335 mm,縱向位移為-20 mm,垂直位移為-236 mm。
圖2 電桿變形
3.2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析
工況2 屬于垂直荷載控制,三個(gè)方向位移值都比較?。还r1、工況3都是橫向風(fēng)控制,橫向水平位移是主要的方向,且數(shù)值較大,本文只對(duì)工況1、工況3 的橫向水平位移進(jìn)行繪圖分析,見(jiàn)表2、表3;圖3、圖4所示。
表2 工況1:電桿橫向水平位移
圖3 工況1:電桿橫向水平位移
在工況1作用下,電桿的桿頂撓度為482 mm,桿件沒(méi)有發(fā)生破壞或局部破壞,電桿沒(méi)有發(fā)生破壞或局部破壞,處于彈性狀態(tài)。小于75%設(shè)計(jì)荷載時(shí),曲線是線性變化,荷載超過(guò)75%時(shí),曲線呈現(xiàn)雙線性變化特征,9 m處為電桿撓度變形的分界線;9 m下?lián)隙茸兓苄。?5%設(shè)計(jì)荷載撓度是55 mm,100%荷載時(shí)為150 mm;9 m以上隨著荷載的變大撓度增加較大,18 m處75%設(shè)計(jì)荷載撓度是196 mm,100%荷載時(shí)為482 mm。
表3 工況3:電桿橫向水平位移
在工況3(90°大風(fēng)超載)作用下,電桿在100%和140%荷載值時(shí)桿頂部撓度是1030 mm和2335 mm,電桿未發(fā)生破壞,處于彈性狀態(tài)。小于75%設(shè)計(jì)荷載時(shí),曲線是線性變化,荷載超過(guò)75%時(shí),曲線呈現(xiàn)雙線性變化特征,9 m 處為電桿撓度變形的分界點(diǎn);9 m以下?lián)隙茸兓苄。?00%設(shè)計(jì)荷載撓度是317 mm,140%荷載時(shí)為747 mm;9 m以上伴隨荷載的變大撓度增加很大,18 m 處100%設(shè)計(jì)荷載撓度是1030 mm,140%荷載時(shí)為2335 mm。
圖4 工況3:電桿橫向水平位移
電桿通過(guò)了3 個(gè)工況的100%設(shè)計(jì)荷載測(cè)試,其中90 °大風(fēng)(超載)工況荷載加至140%,試驗(yàn)完成后對(duì)被試驗(yàn)桿進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)被試桿根部受壓區(qū),離地2.3 m 處桿身混凝土壓碎,見(jiàn)圖5 所示。經(jīng)過(guò)對(duì)桿身混凝土破碎現(xiàn)象分析,認(rèn)為是由于生產(chǎn)工藝的原因,造成混凝土水灰比偏大,導(dǎo)致強(qiáng)度未達(dá)到要求;桿件在卸除全部荷載后,變形恢復(fù)原始狀態(tài),結(jié)構(gòu)顯示優(yōu)異的變形能力,可以滿足工程應(yīng)用的要求。
圖5 桿件根部混凝土碎裂
混凝土電桿朝著抵御荷載效果更好、承載力更高的方向發(fā)展。超高強(qiáng)混凝土作為一種新發(fā)展的高強(qiáng)度、韌性優(yōu)良、孔隙率較低的水泥基材料,將其應(yīng)用于電桿中具有比傳統(tǒng)電桿更好的性能優(yōu)勢(shì)。超高強(qiáng)電桿通過(guò)真型試驗(yàn),驗(yàn)證了其具有一定的過(guò)載能力,可以在工程中應(yīng)用。
本次試驗(yàn)驗(yàn)證了超高強(qiáng)電桿具有優(yōu)異的變形性能,但由于某些原因,未能做破壞性試驗(yàn),其在極限荷載作用下產(chǎn)生的裂縫的分布形態(tài)等一些問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。