張 斌，郭詠華，孫 清

(1.中國電建集團(tuán)河南省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450007； 2.西安交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

隨著輸電線路工程的發(fā)展，鐵塔的尺寸、負(fù)荷發(fā)生了質(zhì)的變化，鐵塔越來越趨于大型化。作為承載能力更強(qiáng)的構(gòu)件，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始應(yīng)用于輸電線路桿塔設(shè)計(jì)。相比普通鋼管混凝土，高強(qiáng)鋼管混凝土具有更高的承載力和剛度，是鋼管混凝土發(fā)展的新趨勢(shì)[1-6]。Q690作為一種高強(qiáng)鋼材，已進(jìn)行過相關(guān)研究并應(yīng)用于輸電線路工程中[7-9]，在Q690鋼管中填充混凝土，可防止鋼管過早地發(fā)生局部屈曲，充分發(fā)揮Q690鋼管的承載力優(yōu)勢(shì)，從而顯著降低鐵塔造價(jià)，節(jié)省投資。

本文對(duì)Q690鋼管桿的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)過程進(jìn)行介紹，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)輸電線路工程采用Q690鋼管混凝土的設(shè)計(jì)提出建議。

1 試驗(yàn)概況

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

Z1單回路試驗(yàn)桿設(shè)計(jì)風(fēng)速28 m/s，導(dǎo)線設(shè)計(jì)覆冰10 mm(地線15 mm)，電壓等級(jí)為220 kV，導(dǎo)線型號(hào)為4XLGJ-300/45，地線型號(hào)為JLB40-150，水平檔距250 m，垂直檔距300 m，設(shè)計(jì)呼高18 m，試驗(yàn)桿全高30.6 m。試驗(yàn)桿為拔梢正十六邊形桿，梢徑為342 mm，根徑為750 mm，共分為四段，從底部到頂部，每段長分別為6 m、8 m、8 m、8.6 m，底部兩段為Q690鋼管混凝土桿，內(nèi)填混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，頂部兩段為Q345等級(jí)的空鋼管。

1.2 試驗(yàn)工況及加載級(jí)別

Z1試驗(yàn)桿試驗(yàn)工況為90°大風(fēng)工況，采用分級(jí)加載制度，加載步驟為：10%設(shè)計(jì)荷載-20%設(shè)計(jì)荷載-30%設(shè)計(jì)荷載-40%設(shè)計(jì)荷載-50%設(shè)計(jì)荷載-60%設(shè)計(jì)荷載-70%設(shè)計(jì)荷載-75%設(shè)計(jì)荷載-80%設(shè)計(jì)荷載-85%設(shè)計(jì)荷載-90%設(shè)計(jì)荷載-95%設(shè)計(jì)荷載-100%設(shè)計(jì)荷載-105%設(shè)計(jì)荷載-110%設(shè)計(jì)荷載-115%設(shè)計(jì)荷載-120%設(shè)計(jì)荷載，直至破壞。

1.3 試驗(yàn)測點(diǎn)布置

鋼管測點(diǎn)：在鋼管上距離法蘭盤外側(cè)100 mm處及每段鋼管中部處，環(huán)向按45°布置應(yīng)變片8個(gè)，如圖1所示。

圖1 鋼管應(yīng)變片布置

法蘭盤測點(diǎn)：在受壓區(qū)與受拉區(qū)中心法蘭盤上分別粘貼雙向應(yīng)變花，如圖2所示。

螺栓測點(diǎn)：在螺桿的光滑處均勻地布置2個(gè)單向應(yīng)變片，為保護(hù)應(yīng)變片的數(shù)據(jù)線不受損壞，在螺桿上開槽將引線放置其中，并在螺帽上打孔作為引線出口，螺栓應(yīng)變片布置示意見圖3。

圖2 法蘭盤應(yīng)變花布置 圖3 螺栓應(yīng)變片布置

撓度測量：在真型桿沿桿長方向布置7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，通過激光測距儀、拉尺及經(jīng)緯儀等設(shè)備測量真型桿在各級(jí)荷載下的整體變形情況，并對(duì)比各種撓度測量方案，保證測量結(jié)果正確。位移檢測布置如圖4所示。

圖4 位移監(jiān)測布置

1.4 試驗(yàn)過程描述

試驗(yàn)桿順利通過90°大風(fēng)工況的荷載測試，試驗(yàn)現(xiàn)場加載情況如圖5所示。當(dāng)加載到設(shè)計(jì)荷載的1.25倍時(shí)，試驗(yàn)桿根部受拉區(qū)鋼管撕裂，然后裂紋沿鋼管環(huán)向迅速擴(kuò)展，整個(gè)根部斷裂，試驗(yàn)桿發(fā)生破壞，如圖6所示。

圖5 試驗(yàn)桿加載中

圖6 試驗(yàn)桿根部破壞

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 位移結(jié)果分析

為了盡可能精確地對(duì)比試驗(yàn)桿變形，將試驗(yàn)桿按每段0.5 m分成若干段，各段近似當(dāng)作等截面，根據(jù)國標(biāo)GB 50936-2014[10]、日本規(guī)范AIJ(1999)[11]、美國AISC(2005)[12]等規(guī)范分別計(jì)算各段剛度及整桿變形，與60%極限承載力下的試驗(yàn)桿的實(shí)測變形進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7 計(jì)算變形與試驗(yàn)變形對(duì)比

由圖7可以看出：60%的極限承載力作用時(shí)，日本規(guī)范AIJ(1999)計(jì)算的變形與試驗(yàn)實(shí)測變形較為接近，國標(biāo)GB 50936-2014與美國AISC(2005)計(jì)算變形相比偏小。

2.2 應(yīng)變分析

2.2.1 鋼管應(yīng)變分析

鋼管應(yīng)變數(shù)據(jù)較多，本文取較為典型的應(yīng)變進(jìn)行分析。根部鋼管中間位置的荷載—縱向應(yīng)變圖見圖8。

圖8 鋼管荷載—縱向應(yīng)變曲線

由圖8可以看出：截面左側(cè)縱向應(yīng)變?yōu)樨?fù)，右側(cè)為正，即左側(cè)為受壓側(cè)，右側(cè)為受拉側(cè)。當(dāng)荷載達(dá)到約15%極限荷載時(shí)，曲線均有小幅傾斜，拉壓兩側(cè)應(yīng)變?cè)龃蟾?，這是由于拉區(qū)混凝土達(dá)到極限拉應(yīng)變開始出現(xiàn)裂紋，鋼管的應(yīng)變也就相應(yīng)增大。之后在彈性段內(nèi)基本為直線增長，當(dāng)荷載達(dá)到約70%極限荷載時(shí)，鋼管開始進(jìn)入彈塑性階段，應(yīng)變不再線性增長，曲線開始彎曲。鋼管屈服后，拉壓區(qū)域各測點(diǎn)的應(yīng)變均快速增大，其中以測點(diǎn)27與測點(diǎn)30最大，說明測點(diǎn)27與測點(diǎn)30分別位于拉區(qū)中心與壓區(qū)中心。測點(diǎn)25與測點(diǎn)30處的應(yīng)變均很小，說明中和軸在該兩點(diǎn)附近，而從測點(diǎn)25的應(yīng)變變化情況可以看出，約在20%極限荷載之后，測點(diǎn)25應(yīng)變開始明顯變正，即處于受拉側(cè)，這說明中和軸開始從截面中心往左側(cè)(受壓區(qū))移動(dòng)

2.2.2 法蘭螺栓應(yīng)變分析

第二層法蘭螺栓的縱向應(yīng)變圖見圖9。左側(cè)截面為受壓側(cè)，右側(cè)截面為受拉側(cè)。

圖9 螺栓荷載—縱向應(yīng)變曲線

由圖9可以看出：受壓側(cè)應(yīng)變絕對(duì)值均比受拉側(cè)小，這是由于受拉側(cè)螺栓受力較大，相應(yīng)應(yīng)變也大，受壓側(cè)受壓時(shí)螺桿受壓比較小，相應(yīng)的受壓應(yīng)變也比較小。

對(duì)于真型桿截面，必定會(huì)有一條線(在截面上是一條線，對(duì)于整個(gè)真型桿來說是一個(gè)面)是即不受拉也不受壓的，這條軸線就是中性軸，中性軸上的應(yīng)變?yōu)?。從圖9還可以看出測點(diǎn)23、測點(diǎn)37以及測點(diǎn)39處的應(yīng)變接近于0，說明這些測點(diǎn)基本在中性軸附近。即中性軸位于測點(diǎn)23與測點(diǎn)39的連線附近，如圖10所示虛線為測點(diǎn)23與測點(diǎn)39連線。

圖10 應(yīng)變測得中性軸位置

真型桿斷裂后截面如圖11所示，圖中左側(cè)為受拉區(qū)，右側(cè)為受壓區(qū)。從圖11中可以看出：受壓區(qū)混凝土越靠近邊緣所受壓力越大，其被壓碎的程度越明顯；而越靠近中性軸處混凝土壓碎程度越不明顯，僅有較小的裂紋。相比受壓區(qū)，受拉區(qū)混凝土由于拉裂后退出工作，因此受拉區(qū)斷面相對(duì)平整。根據(jù)以上現(xiàn)象畫出截面中性軸(圖11中虛線所示)，中性軸位置與圖10中應(yīng)變所測的中性軸位置基本一致。

圖11 試驗(yàn)桿截面中性軸

2.2.3 法蘭盤應(yīng)變分析

法蘭盤上應(yīng)變片測得的縱橫向應(yīng)變?nèi)鐖D12、圖13所示。在受壓區(qū)法蘭盤上越靠近鋼管，縱向應(yīng)變?cè)叫?，而測點(diǎn)在法蘭邊上的應(yīng)變會(huì)大一些。對(duì)比測點(diǎn)17與測點(diǎn)19可以看出，彈性階段二者壓應(yīng)變幾乎相等，加載超過60%的極限承載力后，靠近加勁肋(即靠近焊縫)處的測點(diǎn)19應(yīng)變突然增大，說明加勁肋與法蘭焊接處變形增大。

圖12 法蘭受壓區(qū)荷載—應(yīng)變曲線圖

由圖13可以看出：測點(diǎn)1處應(yīng)變與測點(diǎn)2、測點(diǎn)3處應(yīng)變值相反，相對(duì)來說，測點(diǎn)1處應(yīng)變很?。粶y點(diǎn)2與測點(diǎn)3相比較可以看出，靠近加勁肋處的測點(diǎn)3的縱橫向應(yīng)變值均比測點(diǎn)2處的大，說明焊縫處存在應(yīng)力集中。

圖13 法蘭受拉區(qū)荷載—應(yīng)變曲線

2.3 鋼管斷口分析

試驗(yàn)桿拉壓區(qū)兩側(cè)鋼管破壞形態(tài)不同，如圖14所示，可以看出，壓區(qū)鋼管橫截面較為平整，而拉區(qū)鋼管橫截面出現(xiàn)層狀撕裂現(xiàn)象。

圖14 受拉區(qū)、受壓區(qū)鋼管破壞形態(tài)

受拉區(qū)鋼管與受壓區(qū)鋼管掃描電鏡如圖15所示。由圖15可以看出：受拉區(qū)鋼材斷面出現(xiàn)層狀撕裂現(xiàn)象，其中主裂紋在鋼材中部，兩側(cè)有部分小裂紋；受壓區(qū)鋼管斷面沒有明顯分層現(xiàn)象，但存在個(gè)別因缺陷而導(dǎo)致的細(xì)小裂縫，長度約為0.1～0.4 mm。

圖15 鋼材斷面(放大50倍)

真型桿在端部受集中荷載時(shí)，由于核心混凝土對(duì)鋼管有支撐黏結(jié)滑移作用，致使鋼管內(nèi)外表面邊界條件不同。當(dāng)真型桿受拉時(shí)，根部受力最大，受拉區(qū)內(nèi)外層鋼管同時(shí)受拉，但內(nèi)層鋼管受到混凝土的約束，外層鋼管則自由變形，內(nèi)外層鋼管在拉力作用下產(chǎn)生變形不協(xié)調(diào)，尤其當(dāng)鋼管存在上述缺陷時(shí)，導(dǎo)致受拉區(qū)鋼管出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。受壓區(qū)鋼管由于屈服后出現(xiàn)鼓包，鋼管內(nèi)表面與混凝土分離而與外表面變形一致，因而沒有出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。

3 結(jié)論

通過Q690鋼管混凝土真型桿試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象分析，得到以下結(jié)論：

(1) 使用Q690鋼管混凝土，能夠滿足輸電線路鋼管桿的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)可降低造價(jià)，建議在輸電線路工程中試點(diǎn)應(yīng)用。

(2)通過應(yīng)變分析可以發(fā)現(xiàn)，法蘭邊緣處應(yīng)變比法蘭盤根部的應(yīng)變大，靠近焊縫處的應(yīng)變比遠(yuǎn)離焊縫處的應(yīng)變大。這是因?yàn)榧觿爬吲c法蘭交匯處應(yīng)力較大，法蘭盤根部應(yīng)力較小。

(3)通過試驗(yàn)現(xiàn)象及螺栓應(yīng)變分析可知，真型桿中性軸在受拉區(qū)混凝土開裂后向受壓區(qū)移動(dòng)，最后試件破壞時(shí)，截面上僅小部分區(qū)域受壓，大部分區(qū)域?yàn)槭芾瓍^(qū)。

(4)試驗(yàn)中真型桿斷口處受拉區(qū)鋼材明顯分層，而受壓區(qū)鋼材沒有分層，這是由于鋼材在軋制時(shí)，順軋制方向的材質(zhì)最強(qiáng)，橫向軋制方向略次，而在厚度方向最差。當(dāng)鋼材在厚度方向產(chǎn)生應(yīng)變而變形，且變形受到混凝土約束時(shí)，就有可能在厚度方向產(chǎn)生層狀撕裂。

致謝

本文得到齊浩博士、周式明博士的幫助，試驗(yàn)工作是由河南鼎力桿塔股份有限公司和西安交通大學(xué)合作完成的，王玉杰總工承擔(dān)了大量工作，謹(jǐn)此致謝！