预应力等径活性粉末混凝土电杆的设计研究.pdf
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1、2 0 1 3年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 3 No 6 J u n e 预应力等径活性粉末混凝土电杆 的设计研究 王德 弘 , 鞠彦 忠 , 康 孟新 ( 1 东北 电力大学建筑工程学院, 吉林 1 3 2 0 1 2 ; 2 哈尔滨工业大学土木工程学院, 1 5 0 0 9 0 ) 摘要 : 针对活性粉末 混凝 土( 以下简称 RP C) 的力学性能特 点, 通过理论推 导分析 , 提 出 了预 应力 RP C 电杆 的 承栽力计算方法 , 给 出了相应参数的建议取值 范围。对 5 0 0
2、 k v 预应力 RP C电杆进 行 了设计 , 利用有限元软件 ANS Y S 建立 了有限元模 型 , 对不 同工况下预应力等径 RP C双杆的受力性能及 变形性 能进行 了有 限元分析 , 分析结果验证 了 该设计方法的有效性 关 键 词 : 电杆 ; 活 性 粉 末 混 凝 土 ; 预 应 力 ; 设计 方 法 Ab s t r a c t : Ac c o r d i n g t o me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ( h e r e i n a
3、 f t e r r e f e r r e d t o a s RP C) a n d t h e t h e o r y a n a l y s i s ,a n u n i fi e d f o r mu l a f o r c a l c u l a t i n g u l t i ma t e b e a r i n g s t r e n g t h o f e q u a l - d i a me t e r p r e s t r e s s e d RP C p o l e i s d e d u c e d ,a n d t h e s u g g e s t i o n
4、r a n g e s o f r e l e v a n t p a r a me t e r s a r e p r o p o s e d I 1 l e 5 0 0 k V p r e s t r e s s e d RP C p o l e s a r e d e s i g n e d , a n d fi n i t e e l e me n t mo d e l s o f t h e p o l e s a r e e s t a b l i s h e d b y ANS YS s o f t wa r e T h e fi n i t e e l e me n t a n
5、 a l y s i s o n s t r e s s a n d d e fl e c t i o n o f p r e s t r e s s e d RP C d o u b l e p o l e s i n d i ff e r e n t W O r k c o n d i t i o n s are c a r r i e d o u t T h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e s i g n me t h o d i s e ff e c t
6、i v e for t h e p r e s t e s s e d R P C p o l e s Ke y wo r d s : P o l e s ; Re a c t i v e P o wd e r C o n c r e t e ; P r e s t r e s s ; De s i g n Me t h o d s 中图分 类号 : T U 5 2 5 文献标识码 : A 文章 编号: 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 6 2 5 - 0 4 O前 言 钢筋混凝土 电杆 因其耗钢量少 、 成本低 、 施工 简单 、 运行维护工作量少等优点 , 在输电
7、线路中得 到 了广泛应用。但是 , 普通钢筋混凝土 电杆的抗弯 强度低 并且在寒冷 、 盐类及 电化学侵蚀等环境条 件作用下 , 经过数十年运行均会出现不 同程度的开 裂 、 掉砂 、 蜂窝麻 面等破损现象 , 使其使用寿命大大 降低 。限制了其在高电压等级输 电线路 中的应用 。 提高钢筋混凝土 电杆强度有两种途径 : 提高混凝 土强度; 采用高强度钢筋和增加钢筋的数量【ll 。而 受普通钢筋混凝土电杆几何尺寸及构造 的限制 , 电 杆强度的增加有限。 使 用 活 性 粉 末 混 凝 土( R e a c t i v e P o w d e r C o n c r e t e 以下简称 R
8、P C ) 替代普通混凝土制作预应 力电杆可以克服钢筋混凝土电杆 的不足。由于 R P C 具有极高的抗压强度和韧性 , 用其制作预应力 R P C 电杆 , 可以较大程度地提 高其强度 , 同时又可 以大 幅度减小截面尺寸和结构 自重 ; R P C材料优异 的耐 久性可以很大程度上提高其使用寿命 , 并能够长期 免维护运行 , 降低养护费用成本。但是 , R P C作为一 种新型超高性能混凝土材料 , 当前还没有针对性的 结构构件设计规范 , 若简单套用普通混凝土结构设 基金项 目: 国家 自然科学基金 ( 5 0 8 7 8 0 4 0 ) 。 计方法对 R P C结构进行设计 , 很可
9、能造成设计偏于 保守 。 不 能充分 发 挥 R P C材 料 的力学性 能 。 因此 , 有 必要针对 R P C材料的力学性能 研究 R P C电杆的 实 用设 计方 法 。 R P C是一种新型超高强度超高性能 的高致密 水泥基复合材料嘲 。与常规混凝土相比, R P C具有超 高强度 、 高韧性 、 高耐久性及 良好 的体 积稳定性等 特点 ,掺入 了钢纤 维 的 R P C抗压 强度可 达 1 7 0 8 0 0 MP a 抗 折 强 度 达 3 0 6 0 M P a , 断 裂 能 达 到 2 0 0 0 0 4 0 0 0 0 J m 其 抗压 强 度 和抗 折强 度 比普通
10、混 凝土高一个数量级 断裂能比普通混凝土高两个数 量级【 3 。R P C优越 的力学性能和耐久性能 , 使其在输 电线路工程中具有非常广阔的应用前景 , 尤其适宜 于作 为 高耐 久性 预应 力钢 筋混凝 土 电杆 的材料 。本 文以 D I J T 5 1 5 4 -2 0 0 2 架空送 电线路杆塔结构设 计技术规定 为基础 , 参照 C E C S 3 8 : 2 0 0 4 ( 纤维混凝 土结构技术规程 ,并根据本课题组对 R P C材料力 学性 能试 验研 究 的结 果 , 考 虑部分 利 用 R P C材料 的 抗拉强度 提 出了预应力等径 R P C电杆承载力实用 计算方法 并
11、建立 R P C电杆有限元模型进行有限元 分析 验证设计方法的有效性。 1 预应力 R P C电杆承载力计算方法 试验研究表明4 , 等径环形截面钢筋混凝土电 一 25 2 0 1 3年 第 6期 混凝 土 与水泥 制 品 总第 2 0 6期 杆正截面的平均应变基本符合平截面假定 , 截面达 到承载能力极 限状态时 , 截面受拉 区纤维混凝土仍 能承担部分拉力 。 等径预应力 R P C电杆环形截面极 限承载 计算 的应 力状 态如 图 1 所 示 。 图 1 预应力 R P C电杆截面及应力分布图 根据文献 6 1 1 文献 7 】 , 并结合 笔者课题 组对 R P C材料力学性能试验 的
12、研究结果 。 考虑部分利用 R P C较 高 的抗 拉 强 度 及 韧 性 ,引 入钢 纤 维 种 类 对 R P C抗拉 作用 影响 系数 , 提 出 了预应力 R P C电杆 正 截面受弯承载力的统一计算公式 : M p = fA( r 2 ) + 一 ) A r p A( n + r 2 ) + A s ( 1 ) 厶= 1 O ( 2 ) 当只配有预应力钢筋时 ( A 0 ) , 相对含筋率 宜符合 : = 0 7 5 ( 3 ) cA 当同 时采 用 预应 力钢 筋 和非 预应 力 钢筋 时 , 相 对含筋率 宜符合 : : 1 2 5 ( 4 ) , c 式中 : F 2 分别为
13、R P C电杆环形截 面的内外半 径 ; 为纵向预应力筋所在 圆的半径 ; A为 R P C截 面面积 ; A 为纵向预应力钢筋截面面积 ; A 为纵 向 非预应力普通钢筋截面面积 ; 为 R P C轴心抗压强 度设计值 ; 厂 为纵向预应力筋的抗压强度设计值 为纵 向预应力筋的抗拉强度设计值 ; 为纵 向预应 力钢筋 的有效预应力 i 为非预应力钢筋的抗拉强 度设 计值 i 为受 拉 区 R P C等 效矩 形应 力 图形 的抗 拉强度 ; 为等效受压 区 R P C截面面积与全截面面 积的比值 ; 。 为受拉纵 向钢筋截面面积与全部纵向 钢 筋截 面面 积 的 比值( 当 2 3时 , =
14、 0 ) -,j S , 为 R P C 一 2 6 一 基体混凝土抗拉强度设计值 ; A , 为钢纤维含量特征 值 ; 为钢纤维种类对 R P C抗 拉作用影 响系数 。 口 、 的计算方法及 的取值见文献【 8 】 。 2 5 0 0 k V预应 力 R P C 电杆 设计 2 1 5 0 0 k V预应力 R P C电杆结 构形 式及设 计 工况 1 1 0 3 3 0 k V输 电线路 工程 中常用 的门型 电杆具 有承载能力大 , 导线水平排列 , 防雷性能较好 , 能够 防止导线因不均匀脱冰舞动所引起 的碰撞 事故等 优点 , 并且在设计 、 施工、 运行等方面也积累了较成 熟 的
15、经验 。因此 。 本设计选择 自立式 门型电杆作为 5 0 0 k V预 应力 R P C电杆 的结 构形式 。考虑 到 5 0 0 k V 输电线路杆塔结构在大风 、 断线两种工况下承受 的 弯矩均较 大 , 而通过合理设 置叉梁 可使大 风 、 断线 两种工况的弯矩相 当,故中间用交叉梁系统连接 。 电杆的分段按照有关 国家标准 并考虑杆塔施工与 运输方便 , 预应力 R P C电杆杆段长度选 为 9 0 m, 分 段 之 间采 用法 兰连 接 。通 过 电气 校 验9 1 , 得 到带叉 梁 预 应力 R P C电杆 的几何 尺 寸 ( 见 图 2 ) 。 单 位 in l n 图 2门
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