某地區(qū)環(huán)形混凝土電桿斷裂分析

熊 宇，潘 星，豐波濤，田 澤

（1.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

環(huán)形混凝土電桿為用混凝土和鋼筋或鋼絲制成的電桿，近些年逐步取代木制電桿，成為線路的主要支撐件，與架空導(dǎo)線［1-3］、橫擔(dān)［4］、絕緣子［5］、金具［6］等使導(dǎo)線對地面和其他交叉跨越物保持足夠安全距離的重要作用［7］。按材質(zhì)不同，電桿分為金屬電桿（簡稱“鋼管桿”）［8-10］和環(huán)形混凝土電桿（以下簡稱“電桿”）兩種，常用于10 kV 和35 kV 的輸電線路［10-14］中。根據(jù)制作工藝和鋼筋原材料［15］的配比，電桿可分為鋼筋混凝土電桿、預(yù)應(yīng)力混凝土電桿和部分預(yù)應(yīng)力混凝土電桿；按外形可分為錐形桿和等徑桿。近年來，隨著農(nóng)村電網(wǎng)改造和移動通訊設(shè)施建設(shè)的推進［16］，電桿的生產(chǎn)和應(yīng)用得到迅猛發(fā)展，而絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家規(guī)模較小，設(shè)備簡陋，工藝不完善，導(dǎo)致電桿質(zhì)量問題頻出。電桿的主要問題為原材料、工藝控制和包裝運輸?shù)龋?7］，不合格的電桿投入使用后若失效，會造成局部范圍非計劃停電，對人民的生產(chǎn)生活帶來不必要的麻煩，所以應(yīng)加強電桿的生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)督［18］，防止劣質(zhì)產(chǎn)品流入電網(wǎng)。

2022 年2 月，湖北省多個地區(qū)發(fā)生了不同程度的降雪，受惡劣天氣的影響［19-20］國網(wǎng)某供電公司1998年至2000 年第一批農(nóng)網(wǎng)改造項目的電桿發(fā)生了不同程度的斷裂、倒桿情況［21］。國網(wǎng)某供電公司物資供應(yīng)中心現(xiàn)場抽取了4 根斷裂后的電桿送至指定場地進行檢測、分析，斷裂的4 根電桿屬于標(biāo)準中規(guī)定的預(yù)應(yīng)力混凝土電桿，形狀為錐型桿，因工程改造時間相對久遠無法提供型號、規(guī)格，電桿已經(jīng)斷裂，無法進行力學(xué)性能試驗，本次分析從電桿外觀質(zhì)量、鋼筋骨架分布、保護層厚度、混凝土強度、混凝土碳化層深度［22］、鋼筋抗拉強度等方面進行試驗和分析，從各項試驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果可知，混凝土電桿存在以下質(zhì)量問題：第一，生產(chǎn)時未按標(biāo)準尺寸配置螺旋筋；第二，離心過程中因工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致鋼筋偏心；第三，混凝土與鋼筋骨架結(jié)合不牢固；第四，保護層厚度不滿足要求，沒有起到保護作用導(dǎo)致電桿強度降低；第五，鋼筋原材料的鋼材抗拉強度不合格，預(yù)應(yīng)力鋼筋未完全張拉至標(biāo)準要求所需的強度。該批混凝土電桿的斷裂主要由于以上質(zhì)量問題，并遇到惡劣氣候環(huán)境而導(dǎo)致［23］。本文的分析過程與結(jié)果僅供生產(chǎn)廠家和使用單位提供經(jīng)驗參考。

1 外觀質(zhì)量檢測與分析

分析前，將4根電桿依次編號為1號-4號，外觀質(zhì)量檢測發(fā)現(xiàn)斷裂部位均位于電桿下半段，根據(jù)表1 中的剩余長度可知1號、2號、4號斷裂部位大致位于埋深線附近，3號電桿斷裂部位位于中部，如圖1所示。1號電桿混凝土外觀完整，無漏漿，表面未發(fā)現(xiàn)縱向裂縫；2號電桿表面漏漿，多處表面水泥漿流失，露出砂石，合縫處有縱向裂縫；3 號電桿表面混凝土完整，內(nèi)部露筋；4 號電桿表面蜂窩、漏漿，有縱向裂縫［24］。由于運行時間長達20 多年，4 根電桿均有不同程度的外觀質(zhì)量缺陷，由于電桿已斷裂，故不對其裂紋進行評判，如表1所示。

2 鋼筋骨架檢查

將4 根電桿沿橫向切開后對其鋼筋骨架進行檢測，檢測結(jié)果如表2所示，通過檢測發(fā)現(xiàn)1號電桿縱向受力鋼筋為螺旋肋鋼筋，2 號、3 號、4 號均為光圓冷拉鋼絲，根據(jù)《GB 4623-94 環(huán)形預(yù)應(yīng)力混凝土電桿》附錄A中A4.a條鋼筋根數(shù)的要求，梢徑小于等于150 mm的錐型桿不少于6 根，A5 條規(guī)定主筋凈距不宜小于30 mm，A9、A10條規(guī)定整根錐形桿在其長度范圍內(nèi)均應(yīng)配置螺旋鋼筋，當(dāng)梢徑小于190 mm的錐形桿螺旋筋的直徑不應(yīng)小于2.5 mm。根據(jù)表2 可知，1 號-4 號電桿縱向受力鋼筋規(guī)格、數(shù)量均符合標(biāo)準要求，除了1號電桿有布置螺旋筋外，其余3根均未布置螺旋筋，不符合要求。

表2 鋼筋骨架尺寸檢查及標(biāo)準要求Table 2 Dimension inspection and standard requirements of steel skeleton

螺旋筋、架力圈與縱向受力鋼筋共同組成電桿的鋼筋骨架，螺旋筋的作用是固定縱向受力鋼筋的位置，減小電桿離心時縱向受力鋼筋的位移，提高電桿內(nèi)外壁保護層厚度的均勻性，確保埋深線以下的縱向鋼筋受力均勻，避免因骨架受力不均而降低骨架的剛度；由于混凝土容易因為溫度變化產(chǎn)生收縮，通體的螺旋筋能夠減少電桿混凝土收縮裂紋的出現(xiàn)，提高電桿的使用壽命；螺旋筋與縱筋的組合能夠使電桿在受力過程中將所受力分散到整個骨架和管狀混凝土桶中，提高電桿的承載力。本次檢測的4 根電桿中2 號-4 號電桿均未設(shè)置螺旋筋，無螺旋筋會導(dǎo)致電桿混凝土結(jié)構(gòu)承受更大的內(nèi)應(yīng)力［25］，造成混凝土結(jié)構(gòu)容易開裂，也容易使鋼筋骨架結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而影響電桿的整體強度。

3 保護層厚度檢查與分析

將4根電桿切割后分別從中部和尾部的端面對保護層和壁厚進行測量，測量值如表3 所示。根據(jù)《GB 4623-94 環(huán)形預(yù)應(yīng)力混凝土電桿》第5.4.1 保護層厚度中規(guī)定預(yù)應(yīng)力鋼筋直徑為小于等于6 mm時，保護層厚度不得小于12 mm。從表3可知，1號-4號電桿最小保護層厚度均小于12 mm，不符合標(biāo)準要求。從電桿的壁厚檢測結(jié)果可見，壁厚大于縱向受力鋼筋直徑（5 mm或6 mm）+內(nèi)外壁最小要求保護層厚度（12 mm×2），因此，4根電桿的壁厚可以滿足保護層厚度的要求，但檢查發(fā)現(xiàn)，4根電桿的保護層厚度在截面范圍內(nèi)不均勻［26］，如圖2所示，究其原因是，電桿在離心時，無螺旋筋固定的鋼筋骨架發(fā)生變形，導(dǎo)致保護層厚度不均勻（在360°范圍內(nèi)不均勻，內(nèi)外壁保護層厚度也不均勻）。

圖2 1號-4號電桿端面宏觀縱向鋼筋和混凝土偏心Fig.2 Macro longitudinal reinforcement and concrete eccentricity of No.1-No.4 electric pole

表3 電桿切割后各段最小保護層和壁厚測量值Table 3 Measured values of minimum protective layer and wall thickness of each section after pole cutting

4 混凝土強度及碳化層深度檢測與分析

現(xiàn)場對4根電桿的混凝土抗壓強度采用回彈法進行檢測［27］，對碳化層深度采用原位檢測方法進行，混凝土抗壓強度和碳化層深度檢測結(jié)果如表4所示。

表4 混凝土強度和碳化層深度檢測結(jié)果Table 4 Test results of concrete strength and carbonation layer depth

根據(jù)《GB 4623-94 環(huán)形預(yù)應(yīng)力混凝土電桿》5.3條規(guī)定，預(yù)應(yīng)力電桿離心混凝土的設(shè)計強度等級不宜低于C50 級，出廠時應(yīng)不低于設(shè)計的混凝土強度等級的80%，2號、4號電桿目前混凝土強度已低于標(biāo)準值。

2號、4號電桿碳化層深度已經(jīng)大于其實測最小保護層厚度，混凝土碳化后將從堿性變?yōu)橹行?，失去對鋼筋的防腐作用，?dǎo)致鋼筋腐蝕，而對鋼筋的外觀檢查發(fā)現(xiàn)部分鋼筋已發(fā)生腐蝕。

5 鋼筋拉伸試驗與分析

將每根電桿的混凝土敲碎后取3段未腐蝕的縱向受力鋼筋進行拉伸試驗，拉伸試驗數(shù)據(jù)和標(biāo)準要求如表5所示。由表5可見，4根電桿的縱向受力鋼筋抗拉強度均低于標(biāo)準要求，導(dǎo)致鋼筋抗拉強度不合格的原因包括預(yù)應(yīng)力鋼絲張拉不到位［28］，和鋼絲原材料不合格。

表5 鋼筋拉伸試驗結(jié)果Table 5 Tensile test results of reinforcement

6 結(jié)論

4 根電桿中除了1 號電桿的鋼筋骨架符合標(biāo)準要求外，其余3根均未設(shè)置螺旋筋，無螺旋筋會導(dǎo)致電桿混凝土結(jié)構(gòu)承受更大的內(nèi)應(yīng)力，造成混凝土結(jié)構(gòu)容易開裂，也容易使鋼筋骨架結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而影響電桿的整體強度。

4 根電桿的保護層厚度不滿足要求，所測得的混凝土的碳化層深度超過最小保護層厚度，已失去了對鋼筋的防腐作用。

4根電桿的縱向受力鋼筋抗拉強度均低于標(biāo)準要求，電桿在彎曲時，電桿一側(cè)的混凝土受壓應(yīng)力、另一側(cè)的鋼筋受拉應(yīng)力，因此電桿的抗彎能力是由混凝土的抗壓強度和鋼筋的抗拉強度共同提供的，當(dāng)鋼筋抗拉強度不足時，將影響電桿的整體抗彎能力。

綜上所述，以上電桿存在偷工減料和制作工藝不當(dāng)?shù)葐栴}，導(dǎo)致電桿多項技術(shù)指標(biāo)不滿足標(biāo)準要求，同時，在惡劣天氣影響下，電桿無法承受外部載荷導(dǎo)致斷裂。

7 結(jié)語

針對生產(chǎn)企業(yè)，應(yīng)加強原材料的進場檢驗和生產(chǎn)工藝的控制，在運輸過程中，特別是裝卸起吊時要輕拿輕放，并使用兩點式吊桿，嚴禁卸車時暴力摔卸電桿［29］。

對于安裝單位，應(yīng)嚴格按照相應(yīng)的施工驗收標(biāo)準要求進行安裝，保證基礎(chǔ)的牢固性和電桿的埋深滿足要求，杜絕野蠻施工。

對于使用單位，應(yīng)加強電桿的抽樣檢驗，在抽樣過程中應(yīng)保證樣品的隨機性［30］，同時，可制定不同型號電桿的鋼筋骨架標(biāo)準化圖紙，將其列入招標(biāo)文件中，進一步減少可能導(dǎo)致電桿質(zhì)量參差不齊的因素。