曹 欣，王 剛，侯盛文

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西 太原 030001）

變電站混凝土電桿裝配式連接的受力性能試驗與理論分析研究

曹 欣，王 剛，侯盛文

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西 太原 030001）

以山西省實際工程為背景，使用有限元邁達(dá)斯軟件進(jìn)行了多種工況受力分析，對連接承載力進(jìn)行了理論計算，模擬實際受力進(jìn)行了現(xiàn)場原位試驗，根據(jù)試驗結(jié)果和理論分析驗證了混凝土電桿裝配式連接的可靠性，并對比了有、無裝配式連接的經(jīng)濟(jì)效益，最終將其應(yīng)用于工程設(shè)計中，為評價這種連接形式提供了有力的理論及實踐依據(jù)。

混凝土電桿；裝配式連接；現(xiàn)場原位試驗

0 引言

變電站架構(gòu)是變電站中主要支持結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱。按材料分為鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)[1]，相對應(yīng)的前者采用鋼管柱地腳螺栓式基礎(chǔ)，后者采用混凝土電桿杯口式基礎(chǔ)。

山西省在建的220 kV及以下低壓等級變電站，多采用鋼筋混凝土架構(gòu)這種形式。其杯口式基礎(chǔ)安裝時需二次灌漿，產(chǎn)生了額外的養(yǎng)護(hù)時間，且安裝調(diào)試相當(dāng)繁瑣，因此，將鋼筋混凝土電桿杯口式連接改為基礎(chǔ)中預(yù)埋設(shè)地腳螺栓的方法，具有重要的實際意義和應(yīng)用價值。

本文以在建220 kV變電站工程為背景，使用MIDAS有限元軟件對變電站架構(gòu)進(jìn)行了多種工況受力分析，對連接承載力進(jìn)行了理論計算，并進(jìn)行了現(xiàn)場原位試驗，根據(jù)實驗結(jié)果和理論計算驗證了裝配式連接的可靠性，最終將其應(yīng)用在工程設(shè)計中，為評價這種連接形式提供了有力的理論及實踐依據(jù)。

1 工程概況

工程位于山西省臨汾市洪洞縣境內(nèi)，出線架構(gòu)柱采用鋼筋混凝土環(huán)形桿人字形式，兩頭設(shè)同材質(zhì)端撐，架構(gòu)柱頂標(biāo)高16m，本文選取變電站220 kV出線架構(gòu)作為研究對象。表1為各個工況的導(dǎo)線張力，以此計算架構(gòu)柱的設(shè)計荷載。

表1 各工況導(dǎo)線張力載荷kN

2 理論分析

2.1 設(shè)計荷載及桿截面的選取

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》及《變電所建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》對大風(fēng)、覆冰、安裝、檢修四大工況下進(jìn)行組合[2]，并選取了各個架構(gòu)柱中的最不利荷載大小，M=25.2 kN·m；N=193 kN；V=6.5 kN，初步選取D=400mm，縱向鋼筋A(yù)s=5 900mm2的桿截面。

2.2 裝配式連接設(shè)計

設(shè)計原則要求連接節(jié)點要大于桿體本身強(qiáng)度，混凝土桿鋼圈內(nèi)的鋼筋應(yīng)力有效傳至法蘭盤及其加勁肋，內(nèi)襯混凝土可借助鋼管對形成套箍作用，這樣使電桿底部法蘭盤與混凝土環(huán)形桿能共同工作；各構(gòu)件的重心線應(yīng)盡量交匯于一點，減少偏心，減少應(yīng)力集中和次應(yīng)力；力求結(jié)構(gòu)合理，構(gòu)造簡單，合理統(tǒng)一構(gòu)件的尺寸和規(guī)格，便于工廠化制作和機(jī)械化施工[3]。根據(jù)以上原則繪制連接節(jié)點詳圖。如圖1所示，將混凝土電桿端部的鋼圈嵌入法蘭盤焊接，并加設(shè)加勁板。

圖1 節(jié)點設(shè)計圖，mm

2.3 計算校核

計算具體項目簡要如下，參數(shù)見參考文獻(xiàn)[1]。

桿體正截面承載力計算為

式中：M——彎矩設(shè)計值，kN·m；

fc——混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值,N mm2;

fy——鋼材的屈服強(qiáng)度設(shè)計值,N mm2;

A——環(huán)形截面面積，mm2；

r1——環(huán)形截面的內(nèi)半徑，mm；

r2——環(huán)形截面的外半徑，mm；

α1——受壓區(qū)混凝土矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力值與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值的比值；

α——受壓區(qū)混凝土截面面積與全截面面積的比值。

正截面偏心受壓承載力為

式中：N——軸力設(shè)計值，N；

η——考慮結(jié)構(gòu)偏移或撓曲時偏心距增大系數(shù)；

ei——軸向壓力對截面重心的初始偏心矩，mm；

As——全部縱向普通鋼筋的截面面積，mm2；

rs——縱向普通鋼筋重心所在圓周的半徑，mm；

αt——縱向受拉鋼筋截面面積與全部縱向鋼

筋截面面積的比值。

連接節(jié)點計算，需驗算法蘭板強(qiáng)度、加勁板及其焊縫驗算，鋼筋連接強(qiáng)度。

a）法蘭板強(qiáng)度

式中：Rf——法蘭板之間頂力，N；

Nb——個螺栓對應(yīng)的拉力，N；

e0——軸向壓力對截面重心的偏心矩，mm；

s——螺栓間距，mm；

t——法蘭厚度，mm。

b）法蘭連接焊縫強(qiáng)度

he——角焊縫計算厚度，mm。

c）加勁板及其焊縫驗算

加勁板焊縫驗算沿桿體方向為

式中：hf——角焊縫的焊腳尺寸，mm；

l——焊縫長度，mm。

加勁板焊縫驗算沿法蘭方向為

式中：lw——角焊縫計算長度，mm。

加勁板驗算沿桿體及法蘭方向為

式中：h——加勁板高度，mm。

在接種疫苗的過程中，護(hù)士應(yīng)密切關(guān)注兒童的具體情況，觀察其是否出現(xiàn)汗出、心慌、頭暈、發(fā)熱、面色蒼白等不良反應(yīng)，如出現(xiàn)上述情況，應(yīng)立即通知醫(yī)生，給予妥善處理。

d）混凝土電桿鋼筋連接強(qiáng)度根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第七章相關(guān)公式計算，此處從略。

計算結(jié)果見表2，由表2可知，裝配式連接形式滿足計算要求。

3 試驗驗證

3.1 試驗準(zhǔn)備

本次試驗在山西省某生產(chǎn)試驗基地進(jìn)行,試驗對象選取與實際工程一致鋼筋混凝土環(huán)形桿進(jìn)行試驗，根據(jù)《環(huán)形混凝土電桿》GB/T4623—2006，試驗構(gòu)件的制作、外觀及尺寸偏差需滿足相關(guān)要求。

3.2 加載制度及加載圖示

加載制度分為兩個階段，第一階段檢驗正常使用極限狀態(tài)下的受力情況，使用開裂彎距分級加載，第二階段將進(jìn)行破壞性強(qiáng)度試驗。桿件破壞準(zhǔn)則參照《環(huán)形混凝土電桿》GB/T4623—2006相關(guān)條文如下[4]。

表2 計算結(jié)果

a）受拉區(qū)裂縫寬度達(dá)到1.5mm或受拉鋼筋被拉斷。

b）受壓區(qū)混凝土壓碎破壞。

c）由于連接方式的改變，可能會出現(xiàn)鋼圈屈服變形、鋼筋的連接焊縫破壞，鋼筋被拉出鋼圈或鋼圈本體將連接處的混凝土擠碎的情況。

3.3 實驗結(jié)果簡述

第一次加載：載荷加至開裂荷載，桿件出現(xiàn)輕微的變形，至開裂彎距時，混凝土桿端出現(xiàn)橫向裂縫，連接節(jié)點正常。第二次加載：伴隨加載桿體撓曲變形明顯，桿端橫向裂縫增多，縱向裂縫的出現(xiàn)，直至最后端部出現(xiàn)披裂的縱向裂縫，混凝土保護(hù)層脫落，混凝土桿件宣布破壞，端部鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點處鋼筋未拉斷，焊縫及鋼構(gòu)件板材也未出現(xiàn)斷裂。

試驗結(jié)果說明，連接構(gòu)件的節(jié)點強(qiáng)度大于桿體本身強(qiáng)度，裝配式連接的承載力與理論計算的結(jié)果大致相等，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表3所示。

4 經(jīng)濟(jì)效益比較

現(xiàn)將傳統(tǒng)的混凝土電桿杯口連接、鋼管桿地腳螺栓連接、混凝土電桿裝配式連接3種形式進(jìn)行工程量及經(jīng)濟(jì)效益比較。

表3 試驗結(jié)果

由表4可以看出，杯口式連接改為裝配式連接后，兩者工程量和造價差別并不是很大，但從施工角度出發(fā)裝配式連接減少了濕作業(yè),提前了基礎(chǔ)回填的工程進(jìn)度，縮短了施工周期一個月左右；鋼管桿和混凝土電桿裝配式連接比較得知，鋼結(jié)構(gòu)單價較高，造價昂貴。因此，裝配式混凝土電桿連接經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表4 工程量經(jīng)濟(jì)效益比較

5 工程應(yīng)用

變電站混凝土電桿裝配式連接技術(shù)得到了山西省電力公司的大力推廣，目前已應(yīng)用于山西多個已投產(chǎn)及在建的變電站中。該技術(shù)施工過程如下：澆注基礎(chǔ)(帶地腳螺栓籠)—混凝土電桿(含底板法蘭)工廠制作并運(yùn)至現(xiàn)場—吊裝—校對—裝配連接（見圖2）—打保護(hù)帽。

通過對施工現(xiàn)場調(diào)研，混凝土電桿裝配式連接減少了濕作業(yè)，基礎(chǔ)回填提前了一個月，為后續(xù)的設(shè)備安裝及投產(chǎn)運(yùn)行贏得了時間。

6 結(jié)論

本文結(jié)合工程實例，結(jié)合變電站架構(gòu)實際工況，對混凝土電桿裝配式連接進(jìn)行理論分析及現(xiàn)場試驗，并比較了其經(jīng)濟(jì)效益，可得出如下結(jié)論。

圖2 裝配連接

a）變電站架構(gòu)在各種工況荷載下，混凝土電桿裝配式連接無論從桿體本身還是連接節(jié)點均能滿足承載力要求。

b）選取實際工程一致的桿件進(jìn)行了現(xiàn)場原位試驗，連接構(gòu)件的節(jié)點強(qiáng)度大于桿體本身強(qiáng)度，桿件承載力與理論計算基本符合。

c）混凝土電桿本身就地取材方便，造價較低，在應(yīng)用裝配式連接后，減少施工濕作業(yè)，縮短了施工周期，直接帶來經(jīng)濟(jì)效益。

[1]變電站構(gòu)架設(shè)計手冊[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[2]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.GB50009—2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]電力規(guī)劃設(shè)計總院.DL/T5457—2012 變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[4]蘇州混凝土水泥制品研究院.GB/T4623—2006 環(huán)形混凝土電桿[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

M echanical Property Experiment and Theoretical Analysis on Assembly Connection of Concrete Poles at Transformer Substation

CAO Xin，WANG Gang，HOU Shengwen
（Shanxi Electric Power Exploration&Design Institute of China Energy Engineering Group Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Drawing experience from actual projects in Shanxi province,this article carries out stress analysis under many circumstances using the Finite Element Analysis software MIDAS，and carries out theoretical calculations on the bearing capacity and in-situ tests with simulation of actual stress.The experiment results and theoretical analysis prove the reliability of the prefabricated assembly connection of concrete poles.Thisarticles also compares the economic benefits ofadopting prefabricated assembly connection or not，and this connection mode is adopted to the construction design，which provides strong theoretical and practical evidence for the evaluation ofprefabricated assembly connection.

concrete polesof transformersubstation；assembly connection；in-situ test

TM753

B

1671-0320（2015）04-0062-04

2015-05-10，

2015-06-13

曹 欣（1981），男，山西太原人，2008年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，碩士，工程師，從事變電站土建專業(yè)設(shè)計工作；

王 剛（1983），男，山西大同人，2009年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，碩士，工程師，從事變電站土建專業(yè)設(shè)計工作；

侯盛文（1983），男，山西太原人，2009年畢業(yè)于太原理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，碩士，工程師，從事變電站土建專業(yè)設(shè)計工作。