吳晨曦,吳秋生,于東旭,多偉紅,白俊峰

(1.國網揚州供電公司，江蘇 揚州 225000；2.國網大慶供電公司；黑龍江 大慶 163458；3.東北電力大學 建筑工程學院，吉林 吉林 132012)

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高強部分預應力混凝土電桿的連接設計研究

吳晨曦1,吳秋生1,于東旭2,多偉紅2,白俊峰3

(1.國網揚州供電公司，江蘇 揚州 225000；2.國網大慶供電公司；黑龍江 大慶 163458；3.東北電力大學 建筑工程學院，吉林 吉林 132012)

活性粉末混凝土(RPC)是一種超高強度、超高性能的高致密水泥基復合材料，具有非常優(yōu)異的力學性能和耐久性，是制作高強部分預應力混凝土電桿的理想材料。目前這種電桿桿段的設計理論已經成熟，為推廣應用現(xiàn)開展電桿桿段間及電桿同基礎間連接方式的設計研究，并運用ABAQUS程序對所設計的剛性法蘭連接方式進行數(shù)值模擬，分析局部受力情況，從而得到適合超高壓線路使用的部分預應力RPC混凝土電桿的連接方式。

高強部分預應力混凝土電桿；連接設計；剛性法蘭；數(shù)值模擬

1　高強部分預應力RPC電桿

鋼筋混凝土電桿是我國的輸電線路桿塔結構的主要形式之一，具有方便施工、鋼用量少、經濟性好維護工作量少等優(yōu)點，但是在一些惡劣條件下，如高寒地區(qū)、鹽類及電化學侵蝕等，普通鋼筋混凝土電桿在經歷幾年或幾十年的運行后，會不同程度地出現(xiàn)縱向橫向裂紋、蜂窩麻面、掉砂掉塊等現(xiàn)象，過早結束使用壽命。

活性粉末混凝土(RPC)是一種新型超高強度超高性能的高致密水泥基復合材料。目前研究的RPC材料抗壓強度可達170 MPa以上，抗折強度和彈性模量分別高達30 MPa和50 GPa；由于內部孔隙率很小，所以有著優(yōu)良的抗氯離子滲透、抗碳化、抗腐蝕、抗?jié)B、抗凍及耐磨等耐久性。因此RPC是制作混凝土電桿的最理想材料[1]。

部分預應力活性粉末混凝土電桿是合理地選用預應力與非預應力鋼筋，配以高強度RPC混凝土，使三者有機結合，從而極大提高了混凝土電桿的強度及抗裂性能，并具有良好的耐久性和免維護性[2]。

目前這種高強度部分預應力RPC電桿本體從材料配比到設計再到生產過程的相關技術都已成熟，但對使用過程中的拼裝連接問題還有待研究。

2　連接方式選擇

目前普通混凝土電桿考慮堆放、運輸和施工等環(huán)節(jié)，桿段間通常主要使用鋼圈焊接，并且得到推廣，但缺點是只能承受很小的彎矩。少部分混凝土電桿采用法蘭連接，混凝土電桿連接的法蘭構造上可分為有勁法蘭和無勁法蘭兩種形式。前者稱為剛性法蘭，剛性法蘭的特點即剛度大、承載力高，但也有弱點，如節(jié)點焊接工作量大，焊接后焊縫中的殘余應力則難以估計。后者又稱為柔性法蘭，因為去掉了加勁肋，大大減少了法蘭盤的焊縫數(shù)量，加工簡單，安裝方便，可以保證法蘭盤平整度，但節(jié)點剛度比較小，法蘭盤和的連接螺栓的受力狀態(tài)相對于有加勁肋法蘭而言比較復雜。

鑒于高強度部分預應力筋RPC電桿代替鐵塔應用到超高壓輸電線路中，設計荷載特別大，連接處受力要比普通混凝土電桿大很多，也復雜很多。借鑒鋼管桿的連接設計，擬采用剛性法蘭作為高強度部分預應力筋RPC電桿的桿段連接方式。重點分析混凝土和法蘭鋼圈間、預應力筋和法蘭板間相互作用及傳力機理。

3　剛性法蘭設計

3.1受力模式

當剛性法蘭在承受壓力荷載和彎曲荷載時，其受壓邊緣的力是由鋼管管壁與法蘭板之間的內外環(huán)連接焊縫來傳遞的，而內外連接環(huán)焊縫的承載力之和應不小于鋼管管壁的承載能力。法蘭在受拉的過程中法蘭盤承受的是彎曲荷載，法蘭盤的受彎是由最大受彎螺栓所在的區(qū)域控制的[3]。

3.2剛性法蘭的螺栓計算[4]

(1)軸心受拉作用時，按下式計算：

(1)

(2)受拉(壓)、彎共同作用時:

(2)

3.3剛性法蘭中法蘭盤的計算

(1)法蘭盤的受力特性，可視作三邊支撐板，即兩邊固定、一邊簡支見圖1所示：

圖1　剛性法蘭盤受力示意圖

板上的均布荷載：

(3)

(2)板中的最大彎矩：

(4)

(3)法蘭盤的厚度：

(5)

式中：t為法蘭盤的厚度，mm。

3.4剛性法蘭中加勁肋板的計算

(1)在采用對接焊縫時，按下式計算(圖2)：

圖2　加勁肋板受力簡圖

豎向對接焊縫：

(6)

(7)

(8)

水平對接焊縫：

(9)

(2)在采用角焊縫時，按下列公式計算：

剪應力：

(10)

正應力：

(11)

3.5初步擬定法蘭規(guī)格

以東北電力大學鞠彥忠教授課題組研發(fā)的500 kV送電線路部分預應力筋RPC雙桿為研究對象[2]，外形尺寸及抵抗彎矩見圖3。

圖3　高強部分預應力RPC雙桿外形、截面尺寸圖以及抵抗彎矩圖(mm)

根據(jù)部分預應力筋RPC混凝土電桿尺寸，以及《國家電網企業(yè)執(zhí)行標準》Q/GDW391-2009中輸電線路鋼管塔構造設計規(guī)定擬定法蘭的尺寸，法蘭材質Q345鋼。

法蘭外徑：d1=662 mm；螺栓孔定位圓直徑：d2=544 mm；鋼圈外徑：d3=400 mm；鋼管端部與連接面距離：h1=12 mm；法蘭厚度：C=22 mm；加勁板寬度：b1=128 mm；加勁板倒角后寬度：b2=10 mm；加勁板焊接切角寬度：b3=12 mm；加勁板高度：h2=140 mm。

3.6初步擬定螺栓規(guī)格[5]

螺栓個數(shù)計算時，先取鋼管所能承受的最大設計荷載為計算荷載，按照規(guī)范公式計算出需要的螺栓數(shù)目。若計算出的數(shù)目為奇數(shù)，再加三個確定為所需螺栓數(shù)目；若計算出的數(shù)目為偶數(shù)，再加二個確定為所需螺栓數(shù)目。再看所需螺栓數(shù)目是否為4的倍數(shù)，如果不是，則增加螺栓數(shù)目使其成為4的倍數(shù)。

確定螺栓規(guī)格為M36X130，數(shù)目為16。有勁法蘭，共16個。普通粗制鍍鋅螺栓8.8級。

4　有限元分析

考慮電桿在生產過程中剛性法蘭是同預應力筋錨固并施加預應力后同活性粉末混凝土澆注離心成型，剛性法蘭結構本身、以及同混凝土結合面處和同預應力筋錨固處的局部受力情況會非常復雜，有必要考慮不同介質的接觸問題對結構進行有限元分析，得到局部受力情況。

4.1有限元模型建立

作為通用的有限元分析軟件，ABAQUS特別擅長處理一些材料不均勻，接觸面復雜的問題。對于接觸問題，目前比較成熟的解決辦法是將相鄰的部位定義成接觸面，兩側的構筑物定義為不同的材質進行模擬，目前比較常用的處理接觸面問題的有直接法、接觸力學方法和接觸面單元法[6-8]。

考慮幾何及材料非線性，將結構分為混凝土、鋼筋(包括預應力和非預應力筋)和法蘭四部分(見圖4、圖5、圖6)，鋼筋單元在有限元模型里是被疊加到模擬的混凝土單元網格上，法蘭和鋼筋固接。在混凝土與鋼之間的相互作用定義為摩擦接觸，采用的是“罰函數(shù)”的算法，主動面與被動面之間的摩擦系數(shù)選取為0.5。在法向的接觸特性上，接觸狀態(tài)由接觸面上的法向壓強決定。當兩個接觸面處于接觸狀態(tài)時，法向壓力為正，壓力通過接觸面可以傳遞。當法向應力減小至零或負的時候，接觸面開始分離；而分離的接觸面重新接觸的時候，意味著法向壓力重新為正。

圖4 鋼筋(預應力筋和非預應力筋)與法蘭盤有限元模型圖5 混凝土電桿有限元模型圖6 整體有限元模型圖7 模型的相互作用定義效果圖

針對本模型的實際情況，對本模型共定義了6個相互作用，它們都是RPC混凝土和Q345鋼之間的相互作用，其中相互作用屬性定義為摩擦接觸。與此同時創(chuàng)建了10個約束，其中鋼筋與混凝土之間的約束定義為內置區(qū)域作用，鋼筋與短柱端面定義為耦合作用，其余約束均定義為綁定。定義后的效果示意圖如圖7所示。

4.2結果分析

通過ABAQUS軟件對有限元模型進行計算得到以下結果：

圖8　混凝土電桿柱應力云圖

(1)首先對電桿同法蘭接觸部分的混凝土強度進行分析：部分預應力筋RPC混凝土電桿本體在受到實際工況下最大荷載時的應力云圖如圖8所示，其最大壓應力出現(xiàn)在電桿同法蘭底盤接觸處底面及內壁，危險點應力大小為85 MPa，小于其抗壓強度145-170 MPa[9]，不會發(fā)生混凝土壓潰現(xiàn)象。所以可以斷定高強部分預應力筋RPC電桿在同法蘭連接處的混凝土是不會發(fā)生受壓破壞的，滿足強度要求。

(2)剛性法蘭中的鋼圈、加勁板和盤底在受到實際工況下最大荷載時的應力云圖如圖9所示。鋼圈的最大拉應力101.54 MPa出現(xiàn)在電桿受彎內側鋼圈同盤底交界處，最大壓應力102.73 MPa出現(xiàn)在電桿受彎外側同加勁板頂角焊接的位置；加勁板最大拉應力76.23 MPa出現(xiàn)在電桿受彎外側同盤底焊接位置，最大壓應力121.09 MPa出現(xiàn)在電桿受彎內側同盤底焊接處；法蘭盤底最大拉應力134.59 MPa出現(xiàn)在電桿受彎外側同預應力筋固結位置，最大壓應力162.31 MPa出現(xiàn)在受彎內側同受壓區(qū)混凝土接觸處。均小于Q345鋼的屈服極限274-343 MPa，因此可以說明所設計剛性法蘭的強度滿足要求。

圖9　法蘭的應力云圖

5　結　　論

參考現(xiàn)行標準中的鋼管塔連接法蘭的相關設計規(guī)范要求，對適用于超高壓線路上的高強度部分預應力筋RPC電桿的連接剛性法蘭進行設計，并考慮接觸問題利用有限元軟件ABAQUS對所設計的法蘭進行數(shù)值模擬，得到局部受力情況，從而使得高強度部分預應力筋RPC電桿的拼裝連接問題得以解決。通過研究主要得出以下結論：

(1)采用剛性法蘭連接500kV高強度部分預應力筋RPC電桿桿段及電桿與基礎是可行的，可參照鋼管塔節(jié)點設計規(guī)程進行設計，對其他類型大彎矩高強混凝土電桿連接設計提供參考，完善了大彎矩電桿的設計理論。

(2)有限元分析中高強部分預應力筋RPC混凝土電桿本體在最不利荷載作用下最大壓應力為85 MPa，出現(xiàn)在同剛性法蘭連接處，已經超過普通混凝土的承壓能力，只有使用超高強度高性能混凝土才能達到500 kV輸電線路電桿的承載能力要求。

(3)數(shù)值模擬計算結果顯示剛性法蘭的各個部件只有法蘭盤底處同預應力筋固結處的應力最大，但是未超過Q345鋼的屈服極限，因此可以說明所設計的剛性法蘭的強度滿足要求。

[1]鞠彥忠，王德弘，張超.活性粉末混凝土的研究與應用進展[J].東北電力大學學報，2011，31(5/6)：9-15.

[2]鞠彥忠，劉紅星，汪志,等.超高壓部分預應力活性粉末混凝土電桿的設計[J].沈陽工程學院學報：自然科學版，2009，5(4)：382-386.

[3]林震宇，張 靜，吳炎海,等.鋼管RPC短柱軸心受壓試驗研究[J].福建建筑，2003，14(3)：21-23.

[4]《國家電網公司企業(yè)標準》(Q/GDW391-2009) .北京：中國電力出版社.2009.

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[9]鞠彥忠，王德弘，單明.活性粉末混凝土力學性及凍融性能研究[J].實驗力學，2009，27(2)：214-220.

A Studyon Connection Design of the Partial Prestressed High Strength Concrete Pole

WU Chen-xi1,WU Qiu-sheng1,YU Dong-xu2,DUO Wei-hong2,BAI Jun-feng3

(1.Yangzhou Power Supply Company，Jiangsu 225000，China；2. Daqing Power Supply Company，Heilongjiang 163458，China；3.School of Architecture Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China)

Reactive Powder Concrete (RPC) is a new material with ultra high strength,high toughness,ultra-high durability and excellent volume stability.It is the best material to make EHV partial prestressed high strength concrete pole.The study of design theory of this pole has been very mature so far.To apply practically，the thesis studied and resolved the problem of connection on the section of the partial prestressed RPC pole,and utilized ABAQUS to analyze the stress state of rigid flange and the partial prestressed RPC pole.Therefor it obtained compatible connection-mode of EHV partially prestressed high strength concrete pole.

The EHV partial prestressed high strength concrete pole；The design of connection；Rigid Flange；Numerical Simulation

2016-04-12

吳晨曦(1985-)，男，江蘇省揚州市人，國家電網揚州供電公司工程師，碩士，主要研究方向：輸電線路工程管理.

1005-2992(2016)04-0078-06

TM753

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