中空夾層鋼管混凝土電桿適用性分析

王曉明，閆風(fēng)潔，李辛庚

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

鋼管桿是110 kV 及以下電壓等級(jí)線路在城市、郊區(qū)等常用的電桿型式，其具有占地面積少、外形美觀、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)推出便獲得迅速推廣［1］。但是其也存在用鋼量大、成本高、壁厚大易撕裂等缺點(diǎn)［2］。夾層鋼管混凝土電桿是在鋼管凝土電桿基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型電桿，其繼承了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)鋼管壁薄、用鋼量少、承載力大優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)去除芯部混凝土克服了質(zhì)量大、運(yùn)輸施工困難的缺點(diǎn)［3］，在天湖—崇賢開口環(huán)入育苗220 kV輸電線路等工程中開展了應(yīng)用［4］。

學(xué)者們對(duì)中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗軸壓性能［5-7］、抗彎性能［8-10］、抗震［11-13］、抗沖擊［14-16］、抗循環(huán)載荷性能［17-18］、抗壓彎等復(fù)雜應(yīng)力作用下的性能［19-20］都進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并根據(jù)研究數(shù)據(jù)編制T/CEC 185—2018《輸電線路中空夾層鋼管混凝土桿塔技術(shù)規(guī)范》［21］，但中空夾層鋼管混凝土電桿與鋼管桿間的性能差異，如強(qiáng)度、剛度、質(zhì)量等均不明晰。這對(duì)于輸配電線路工程中的電桿選型非常不便，也不利于中空夾層鋼管混凝土電桿的推廣使用。

針對(duì)該問(wèn)題，以現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，分別對(duì)剛度控制和強(qiáng)度控制條件下的鋼管桿為基準(zhǔn)，對(duì)比分析中空夾層鋼管混凝土桿與鋼管桿間的性能差異，以明確中空夾層鋼管混凝土電桿的適用性。

1 基礎(chǔ)條件

桿體是電桿的主要構(gòu)成，分別對(duì)以鋼管結(jié)構(gòu)和中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)成的桿體為研究對(duì)象進(jìn)行性能分析。中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是混凝土與鋼管的復(fù)合結(jié)構(gòu)（下文簡(jiǎn)稱復(fù)合桿）。鋼管桿和復(fù)合桿的截面型式如圖1所示，其中t為鋼管桿壁厚，D為鋼管桿外徑，ti為復(fù)合桿內(nèi)鋼管壁厚，to為復(fù)合桿外鋼管壁厚，Do為復(fù)合桿外徑，Di為復(fù)合桿內(nèi)鋼管外徑。

圖1 截面型式

電桿長(zhǎng)度與線路的電壓等級(jí)和回路數(shù)量有關(guān)，和電桿型式無(wú)關(guān)，即鋼管桿與復(fù)合桿長(zhǎng)度相同。對(duì)相同高度位置的鋼管桿和復(fù)合桿的性能進(jìn)行對(duì)比分析。

復(fù)合桿結(jié)構(gòu)存在混凝土與鋼材的配合，以輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土和不同屈服強(qiáng)度鋼材為使用原料開展分析。輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度為65 MPa，密度1.85 g/cm2；鋼材材質(zhì)包括：Q235、Q355、Q420、Q460和Q690。復(fù)合桿的設(shè)計(jì)依據(jù)T/CEC 185—2018《輸電線路中空夾層鋼管混凝土桿塔技術(shù)規(guī)范》，其參數(shù)包括徑厚比、直徑、空心率。為更清楚地了解規(guī)律性，復(fù)合桿的空心率和徑厚比選擇范圍覆蓋并小幅超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)推薦范圍，空心率為0.1～0.9，徑厚比最大為限定值1.2倍。

鋼管桿設(shè)計(jì)遵守DL/T 5130—2001《架空送電線路鋼管桿設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》和GB/T 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定?？紤]Q355 強(qiáng)度相對(duì)較高，能夠滿足絕大部分鋼管桿的使用，為簡(jiǎn)化分析，鋼管桿材質(zhì)選擇Q355。決定鋼管桿性能的關(guān)鍵參數(shù)有直徑、徑厚比，鋼管的徑厚比取標(biāo)準(zhǔn)中極限值。用復(fù)合桿和鋼管外徑比值作為對(duì)比兩桿體的關(guān)聯(lián)參數(shù)。

輸電線路用電桿使用性能受占地面積（外徑）、成本（用鋼量）和施工方便性（質(zhì)量）等因素的影響。

2 性能對(duì)比分析

電桿在服役過(guò)程中承受本體質(zhì)量、導(dǎo)線及附件質(zhì)量和拉力、風(fēng)壓、覆冰、地震等復(fù)雜載荷，電桿失效處常位于電桿桿體［22］。電桿在服役過(guò)程中應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度等的要求。由電桿在線路中承擔(dān)懸垂、轉(zhuǎn)角和耐張作用不同，電桿設(shè)計(jì)可分為強(qiáng)度控制和剛度控制兩類。在強(qiáng)度控制條件下，電桿滿足強(qiáng)度要求時(shí)，剛度即能滿足要求；在剛度控制條件下，電桿滿足剛度要求時(shí)，強(qiáng)度即能滿足要求?？紤]到復(fù)合桿在服役過(guò)程中承受載荷情況復(fù)雜、性能規(guī)律不明晰，從鋼管分別處強(qiáng)度控制和剛度控制兩種荷載條件的角度進(jìn)行兩種桿體性能的對(duì)比，分析復(fù)合桿的適用性，分別簡(jiǎn)稱為強(qiáng)度控制和剛度控制。

2.1 強(qiáng)度控制條件下的性能對(duì)比

以鋼管桿為基準(zhǔn)，使復(fù)合桿與鋼管桿強(qiáng)度等效。在此條件下，決定復(fù)合桿結(jié)構(gòu)的參數(shù)可歸結(jié)為外徑和空心率兩個(gè)變量。通過(guò)調(diào)整該兩變量，對(duì)比復(fù)合桿和鋼管桿的差異。

復(fù)合桿空心率的影響結(jié)果如圖2 所示，復(fù)合桿的總質(zhì)量較同承載力鋼管桿質(zhì)量增加?？招穆试?.6～0.8 范圍內(nèi)，復(fù)合桿質(zhì)量可增加0.5～3.0 倍；當(dāng)鋼材材質(zhì)強(qiáng)度提高，復(fù)合桿質(zhì)量增加量減少。用低強(qiáng)鋼和高強(qiáng)鋼時(shí)復(fù)合桿質(zhì)量相差可達(dá)2 倍。另外，空心率越小，復(fù)合桿質(zhì)量增加量越大。復(fù)合桿的用鋼量較鋼管桿用鋼量均低?？招穆试?.6～0.8 范圍內(nèi)，復(fù)合桿用鋼量降低25%左右；空心率減小，復(fù)合桿用鋼量減少更多。強(qiáng)度控制條件下，隨空心率增大復(fù)合桿的總質(zhì)量降低，用鋼量卻在增加，設(shè)計(jì)復(fù)合桿時(shí)應(yīng)綜合考慮桿體總質(zhì)量和用鋼量?jī)烧唛g關(guān)系。

圖2 強(qiáng)度等效條件下空心率的影響（徑厚比取限值）

復(fù)合桿外徑的影響結(jié)果如圖3 所示，復(fù)合桿質(zhì)量均超過(guò)鋼管桿質(zhì)量，用高強(qiáng)鋼的復(fù)合桿質(zhì)量增加幅度相對(duì)較小，最大增加幅度為1.5 倍，用高強(qiáng)鋼時(shí)的復(fù)合桿外徑較鋼管桿外徑顯著減小，約為后者的0.6 倍；用低強(qiáng)鋼復(fù)合桿的質(zhì)量增加幅度較大，最大可達(dá)5.5 倍，用低強(qiáng)鋼的復(fù)合桿外徑較大，Q235 鋼的外徑較鋼管桿可擴(kuò)大到1.2倍。復(fù)合桿的用鋼量較鋼管桿用鋼量都有下降，用高強(qiáng)鋼的復(fù)合桿用鋼量下降幅度較用低強(qiáng)鋼材的復(fù)合桿下降更為顯著。

圖3 強(qiáng)度等效條件下兩桿外徑比的影響（徑厚比取限值）

由復(fù)合桿的質(zhì)量分析可以明確：強(qiáng)度控制條件下復(fù)合桿質(zhì)量超過(guò)鋼管桿；在選擇高強(qiáng)度鋼材和合適空心率時(shí)，復(fù)合桿質(zhì)量增加幅度較小；復(fù)合桿的用鋼量較鋼管桿可下降25%左右，復(fù)合桿的外徑也明顯減小。

強(qiáng)度控制條件下復(fù)合桿的整體質(zhì)量和用鋼量都隨著鋼材材質(zhì)強(qiáng)度等級(jí)的提高而減小，外徑降低，使用高強(qiáng)度鋼材的復(fù)合桿優(yōu)勢(shì)更明顯。選擇Q690、Q460鋼作為復(fù)合桿用鋼材，徑厚比在1.0～1.2倍限值范圍內(nèi)取值，分析與鋼管桿承載力相同的復(fù)合桿性能。

選擇Q690 鋼計(jì)算得到的復(fù)合桿質(zhì)量和用鋼量如圖4所示。由圖4可知，空心率減小，復(fù)合桿質(zhì)量提高，用鋼量降低?？招穆试诓怀^(guò)T/CEC 185—2018《輸電線路中空夾層鋼管混凝土桿塔技術(shù)規(guī)范》限值0.75 的情況下，復(fù)合桿的整體質(zhì)量是鋼管桿質(zhì)量的1.25 倍以上，在空心率達(dá)0.6 時(shí)質(zhì)量比也僅為1.5；用鋼量相比鋼管減少近25%。復(fù)合桿內(nèi)外鋼管的徑厚比增加對(duì)于總質(zhì)量和用鋼量的影響都較小，徑厚比采用保守值有利于保證復(fù)合桿的整體穩(wěn)定性。

圖4 復(fù)合桿用Q690鋼參數(shù)變化規(guī)律

選擇Q460 鋼計(jì)算復(fù)合桿的總質(zhì)量和用鋼量結(jié)果如圖5 所示。此時(shí)仍然存在空心率下降，復(fù)合桿總質(zhì)量增加、用鋼量減少的規(guī)律。但空心率小于0.75時(shí)，復(fù)合桿質(zhì)量是鋼管桿的1.75 倍及以上，高于用Q690 鋼的復(fù)合桿質(zhì)量，復(fù)合桿用鋼量降低幅度在20%左右，也低于用Q690 鋼的復(fù)合桿。徑厚比增加，對(duì)復(fù)合桿的總質(zhì)量影響較小，用鋼量能進(jìn)一步小幅度降低。

圖5 復(fù)合桿用Q460鋼參數(shù)變化規(guī)律

根據(jù)強(qiáng)度相等條件設(shè)計(jì)的復(fù)合桿與鋼管桿剛度的比值如圖6 所示。復(fù)合桿使用高強(qiáng)鋼材時(shí)，其剛度相比鋼管桿下降；使用低強(qiáng)度鋼材時(shí)，其剛度較鋼管桿要高。復(fù)合桿空心率提高時(shí)，其剛度降低。

圖6 強(qiáng)度控制時(shí)復(fù)合桿與鋼管桿剛度比（徑厚比取限值）

強(qiáng)度控制條件下，復(fù)合桿選擇高強(qiáng)鋼材不僅可以降低用鋼量、減小外徑，總質(zhì)量也較小。但是此時(shí)復(fù)合桿剛度可能相比鋼管桿降低，需根據(jù)荷載不同導(dǎo)致桿體對(duì)剛度需求的改變，優(yōu)選鋼材強(qiáng)度、優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，使復(fù)合桿的承載力和剛度均滿足使用要求。

2.2 剛度控制條件下的性能對(duì)比

以鋼管桿為基準(zhǔn)，使復(fù)合桿與鋼管桿剛度等效。復(fù)合桿結(jié)構(gòu)的參數(shù)仍歸結(jié)為空心率和外徑兩個(gè)變量。調(diào)整該參數(shù)，分析復(fù)合桿和鋼管桿的性能差異。

空心率的影響結(jié)果如圖7 所示，復(fù)合桿的質(zhì)量均在同剛度鋼管桿質(zhì)量的1.5倍以上。剛度控制條件下，復(fù)合桿不能降低整體質(zhì)量，反而增加。在選擇合適鋼材和控制空心率條件下，復(fù)合桿的用鋼量較鋼管桿用鋼量下降幅度巨大，采用復(fù)合桿的方式有利于降低用鋼量。另一方面，鋼材強(qiáng)度越高，復(fù)合桿用鋼量反而越大，與強(qiáng)度控制條件下的情況相反。在鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋼管壁厚與強(qiáng)度成反比關(guān)系，剛度控制條件下高強(qiáng)度鋼材不僅不能提高剛度反而需要更大厚度，最終導(dǎo)致用鋼量增大。

圖7 剛度等效條件下空心率的影響（徑厚比取限值）

空心率增加時(shí)，復(fù)合桿用鋼量增大，甚至超過(guò)鋼管桿質(zhì)量，此時(shí)同樣是復(fù)合桿鋼管桿的徑厚比限值決定了較大直徑的內(nèi)管壁厚不能降低，內(nèi)管用鋼量較大。

復(fù)合桿的總質(zhì)量和用鋼量?jī)烧唠S空心率變化趨勢(shì)相反。復(fù)合桿設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮兩者關(guān)系。

復(fù)合桿外徑的影響結(jié)果如圖8 所示，復(fù)合桿質(zhì)量均超過(guò)鋼管桿。鋼材強(qiáng)度高時(shí)用鋼量達(dá)，鋼材強(qiáng)度降低，用鋼量下降量明顯，這與圖7 中規(guī)律相同。復(fù)合桿質(zhì)量與用鋼量隨外徑增加而變化的規(guī)律相反，即總質(zhì)量隨外徑增加而增大時(shí)，用鋼量下降；總質(zhì)量下降時(shí)，用鋼量增大。并且鋼的強(qiáng)度改變時(shí)質(zhì)量和用鋼量的變化規(guī)律也發(fā)生變化。用高強(qiáng)度鋼時(shí)，復(fù)合桿外徑增加，質(zhì)量增加，用鋼量降低；用低強(qiáng)度鋼時(shí)，外徑增加，復(fù)合桿質(zhì)量減小，用鋼量提高。

圖8 剛度等效條件下兩桿外徑比的影響（徑厚比取限值）

由復(fù)合桿的質(zhì)量分析可以明確：復(fù)合桿質(zhì)量總是超過(guò)鋼管桿，但是在設(shè)計(jì)合適時(shí)其用鋼量相比鋼管桿能夠顯著降低；復(fù)合桿中鋼材強(qiáng)度越高，復(fù)合桿質(zhì)量增加越顯著，用鋼量也大。高強(qiáng)度鋼材不利于剛度控制的復(fù)合桿整體質(zhì)量和用鋼量的降低。

剛度控制條件下復(fù)合桿的整體質(zhì)量和用鋼量都隨著鋼材強(qiáng)度降低而減小，分析使用較低強(qiáng)度鋼材的復(fù)合桿質(zhì)量變化有助于確定較優(yōu)指標(biāo)。選擇強(qiáng)度低的Q235、Q345 鋼作為復(fù)合桿用鋼材，徑厚比在小幅度突破限值的1.0～1.2 倍限值范圍內(nèi)取值，分析與鋼管桿剛度相同復(fù)合桿的質(zhì)量特征。

選擇Q235 鋼計(jì)算得到的復(fù)合桿質(zhì)量和用鋼量如圖9 所示。由圖9 可知，空心率減小，復(fù)合桿質(zhì)量提高，用鋼量降低?？招穆试诓怀^(guò)限值0.75 的情況下，復(fù)合桿的整體質(zhì)量是鋼管桿質(zhì)量的2 倍以上，最高質(zhì)量比值可以達(dá)到3；用鋼量相比鋼管桿減少20%以上，最多可以減少60%。此時(shí)復(fù)合桿內(nèi)外鋼管的徑厚比增加對(duì)于總質(zhì)量和用鋼量的影響都較小。

圖9 用Q235鋼時(shí)復(fù)合桿總質(zhì)量和用鋼量變化規(guī)律

復(fù)合桿采用Q235 鋼可以顯著減少用鋼量，參數(shù)選用合適時(shí)總質(zhì)量增加可以控制在2.5倍以下。此時(shí)徑厚比提高對(duì)質(zhì)量和用鋼量影響不明顯，徑厚比采用保守值有利于保證復(fù)合桿的整體穩(wěn)定性。

用Q345 鋼時(shí)，復(fù)合桿的質(zhì)量和用鋼量計(jì)算結(jié)果如圖10 所示。此時(shí)空心率下降，復(fù)合桿質(zhì)量增加、用鋼量減少。且在空心率小于0.75時(shí)，復(fù)合桿質(zhì)量仍然是鋼管桿的2 倍及以上。但是，復(fù)合桿用鋼量減少值較用Q235 時(shí)要小，只有空心率接近0.6 時(shí)，用鋼量才能減少20%以上。此時(shí)徑厚比增加，對(duì)復(fù)合桿的總質(zhì)量影響較小，而對(duì)用鋼量影響稍大。

圖10 用Q345鋼時(shí)復(fù)合桿總質(zhì)量和用鋼量變化規(guī)律

由上可知，用Q235 鋼的復(fù)合桿質(zhì)量可控制在鋼管桿質(zhì)量的2.5 倍以下、用鋼量控制在鋼管桿質(zhì)量80%以下；用Q345 鋼的復(fù)合桿用鋼量控制在鋼管質(zhì)量80%以下，徑厚比較限值放大1.1倍時(shí)總質(zhì)量達(dá)鋼管桿質(zhì)量2.5倍，徑厚比取限值時(shí)總質(zhì)量為鋼管桿質(zhì)量2.6倍。剛度控制條件下復(fù)合桿的直徑約為鋼管桿外徑的0.9倍，在減小桿體體積和施工難度方面有一定優(yōu)勢(shì)。

以剛度控制為前提設(shè)計(jì)的復(fù)合桿，其承載力與所用鋼材強(qiáng)度有很大關(guān)系。根據(jù)剛度相等條件設(shè)計(jì)的復(fù)合桿與鋼管桿承載力的比值如圖11 所示。復(fù)合桿用低強(qiáng)度鋼時(shí)，其承載力總是小于該設(shè)計(jì)條件下的鋼管桿。提高鋼材強(qiáng)度，復(fù)合桿的剛度快速提升，且相比鋼管桿有較大裕量，復(fù)合桿承受突發(fā)載荷的能力更強(qiáng)。復(fù)合桿的承載力隨著空心率的增加而逐漸提高，這與該設(shè)計(jì)條件下空心率提高復(fù)合桿的外徑增大有關(guān)。

圖11 剛度控制復(fù)合桿與鋼管桿承載力比（徑厚比取限值）

低強(qiáng)度鋼材有利于提高復(fù)合桿的剛度，但是另一方面卻削弱了復(fù)合桿的承載力。在剛度控制復(fù)合桿設(shè)計(jì)時(shí)，不能僅強(qiáng)調(diào)提升剛度選擇低強(qiáng)度鋼材，而導(dǎo)致復(fù)核桿的承載力不足。采用剛度控制條件計(jì)算時(shí)，承載力的校核不能缺失。

3 結(jié)語(yǔ)

在前述分析條件下，復(fù)合桿的外徑幾乎均小于鋼管桿的外徑，這對(duì)于承載多線多回電桿而言，地上桿體和地下基礎(chǔ)的占地減小，施工工程量和施工成本會(huì)大幅度降低。復(fù)合桿相比鋼管桿更有優(yōu)勢(shì)。

強(qiáng)度控制條件下，復(fù)合桿適合選擇較高強(qiáng)度鋼材，其用鋼量可大幅度降低，總質(zhì)量也增加較小，但是復(fù)合桿剛度可能會(huì)有削弱，需注意校核。

剛度控制條件下，復(fù)合桿適合選擇較低強(qiáng)度鋼材，其用鋼量降低幅度更為顯著，但是復(fù)合桿的受彎承載力可能會(huì)有削弱，須注意校核。