高強度混凝土電桿的開發(fā)與應(yīng)用

  摘要：電力輸配電線路的快速發(fā)展，對混凝土電桿產(chǎn)品提出了新的技術(shù)要求。本文詳細介紹了研制開發(fā)高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿系列產(chǎn)品的規(guī)格形式、設(shè)計依據(jù)、計算方法和應(yīng)用實例。

  關(guān)鍵詞：混凝土電桿；高強度；大彎矩；部分預應(yīng)力；開裂檢驗彎矩。

  0 前言

  隨著我國電力工業(yè)的高速發(fā)展，高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿產(chǎn)品的開發(fā)和運用顯得越來越重要，電壓和容量的不斷升級和提高，對輸配電線路相關(guān)產(chǎn)品也提出了更高的技術(shù)要求，其中，混凝土電桿產(chǎn)品就是其中之一。

  在架空輸配電線路設(shè)計中對桿型的選擇類型一般分為三種：鐵塔、鋼管桿和混凝土電桿。就以上三種桿型而言，在線路的直線、轉(zhuǎn)角位置均可選用鐵塔；鋼管桿一般可用于直線以及轉(zhuǎn)角較小、受力較小的位置；混凝土電桿一般僅用于直線位置。目前，一般在35kV送電線路中，普通混凝土電桿常用規(guī)格為13m、15m、18m、21m。近年來，隨著國內(nèi)電力電網(wǎng)容量不斷地擴容和加大，以上常規(guī)采用的電桿產(chǎn)品規(guī)格性能已完全不能適應(yīng)當今電力架空輸配電線路的發(fā)展需要，因此開發(fā)設(shè)計大彎矩、高強度的電桿產(chǎn)品已是放在我們技術(shù)人員面前的一個重要研究課題。

  1 開裂檢驗彎矩比較

  普通電桿產(chǎn)品開裂檢驗彎矩與高強度大彎矩電桿產(chǎn)品開裂檢驗彎矩的比較見表1－1。

  從表1－1中可以明顯看出, 普通電桿產(chǎn)品的開裂檢驗彎矩無論從產(chǎn)品的規(guī)格和品種已遠不能適應(yīng)當今架空輸配電線路的發(fā)展需求。例如：21m電桿，其桿高為19.8m，呼稱高為14.3m，電桿桿段標準檢驗彎矩為140kN·m，就對地矩離來說，目前設(shè)計中線路對地矩離要求較以前嚴格，所以在較多的地方14.3m的呼稱高已不能滿足相關(guān)規(guī)范的要求。另外140kN·m的桿段標準彎矩使得電桿之間的檔距無法拉大，比如在35kV雙回路選用LGJ-185/30導線、選用GJ-35地線的線路中，其最大的水平檔距為110m，所以勢必在整條線路中需要增加電桿的數(shù)量，但同時對一般的交叉跨越也帶來了相當大的困難。

  2   高強度電桿產(chǎn)品介紹

  2.1   24、27、30m高強度電桿設(shè)計舉例

  2.1.1   開裂檢驗彎矩

  24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿產(chǎn)品分為A型、B型兩種類型，產(chǎn)品為錐形組裝桿（錐度為1:75），其開裂檢驗彎矩見表1－2：

  2.1.2   電桿梢徑的設(shè)計

  普通21m電桿采用的是Φ230mm梢徑，經(jīng)過相關(guān)理論計算，選用同樣錐度和混凝土強度的電桿，其梢徑增加一倍，則電桿的抗彎荷載將增大4.8倍。所以在確定了桿段標準彎矩數(shù)據(jù)后，需對原有的架空輸配電線路的設(shè)計進行相應(yīng)的變動，但需要指出的是，在設(shè)計電桿梢徑時，應(yīng)同時考慮其它設(shè)計因素，因為電桿除了滿足功能和結(jié)構(gòu)強度外，還要受生產(chǎn)制造、生產(chǎn)工藝和起吊運輸?shù)雀鞣矫鏃l件的限制影響，比如電桿需離心成型，過大的梢徑需要較大功率的離心機設(shè)備及大規(guī)格的鋼模配套；需要調(diào)整產(chǎn)品運輸用的起吊設(shè)備等等。通過反復設(shè)計計算，最終確定了24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿的梢徑為Φ270mm為最佳合理點。見圖1－1：

  圖1－1

  2.1.3  電桿的分段設(shè)計

  電桿分段設(shè)計的合理性是產(chǎn)品設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。顯然，從開裂檢驗彎矩來看，開裂檢驗彎矩大大提高以后，即滿足了大彎矩、高強度的要求，同時在選用24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿在架空送電線路中亦取得了較滿意的效果。例如：24m電桿，桿高22.6m，呼稱高17.4m，對地距離加大，即擴大了選擇該桿型的應(yīng)用范圍，另外由于桿段彎矩的增大，電桿之間的檔距也相應(yīng)加大，同樣在選用LGJ-185/30導線、選用GJ-35地線的線路中，若選用A型24m電桿其最大的水平檔距為160m,若用B型電桿則可達250m，效果顯而易見，見表1－3。

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  電桿的分段設(shè)計不僅需要滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)受力的要求，還必須滿足相關(guān)國家標準要求，考慮到標準化、規(guī)范化、制造和運輸?shù)雀鞣矫娴囊蟆Ｍㄟ^反復設(shè)計計算，最終對產(chǎn)品進行了合理的分段，詳情見表1－4：

  從表1－4中可以看出，24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿的分段數(shù)最多為四段，這主要是考慮到若電桿的桿段數(shù)過多，在桿段的組裝中需增加組裝的工作量和難度，同時過多的桿段接頭會影響電桿的結(jié)構(gòu)受力；若電桿的桿段數(shù)過少，則會增加桿段的重量，同時由于電桿需要離心成型，這樣會增加電桿制造的難度，過長的桿段還會增加運輸?shù)碾y度。另外需要考慮的是直徑較小的桿段長度較長，直徑較大的桿段長度較短，通過這一規(guī)律可以解決個別桿段過重的問題，還有在設(shè)計時不僅要考慮生產(chǎn)、組裝的通用性，還要考慮產(chǎn)品設(shè)計的標準化，所以綜合各方面因素，通過多次計算和試驗，24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿分段設(shè)計確定前三段均為公用段，這樣既做到了產(chǎn)品的標準化和規(guī)范化，又便于廠家的生產(chǎn)制造，方便產(chǎn)品的組裝。

  2.1.4    電桿結(jié)構(gòu)計算

  根據(jù)《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5154-2012）的要求對電桿進行結(jié)構(gòu)計算，24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿的結(jié)構(gòu)計算包括以下幾個方面：

  2.1.4.1  預應(yīng)力損失的計算

  預應(yīng)力損失有以下四項因素組成：

  a) 張拉端錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起的預應(yīng)力損失；

  b) 混凝土加熱養(yǎng)護時張拉鋼筋與鋼模之間的溫差引起的損失；

  c) 預應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛損失；

  d) 混凝土收縮引起的損失。

  2.1.4.2   承載力計算

  2.1.4.3   極限狀態(tài)裂縫寬度驗算

  2.1.5   新材料應(yīng)用

  2.1.5.1   高強度混凝土的應(yīng)用

  當提高電桿的抗裂性和抗拉強度必須提高混凝土的強度等級，因此在24、27、30m（A型）高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿中采用混凝土強度等級為C60，24、27、30m（B型）高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿混凝土強度等級為C70。使原有電桿的普通混凝土變?yōu)楦邚姸然炷?，這樣即提高了電桿的抗裂性，同時電桿的抗拉彎矩也由普通級升變?yōu)楦邚娂墶?

  2.1.5.2高強鋼筋的應(yīng)用

  在以往21m電桿的設(shè)計中，其采用的是常規(guī)的HRB335鋼筋材料，但是24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿設(shè)計采用的是部分預應(yīng)力、大彎矩、高強度，原有規(guī)格的鋼筋材料已無法滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)受力要求，當采用高強度混凝土無論是在強度匹配上還是在構(gòu)造要求上都需要與高強鋼筋來相匹配，也就是尋找高強鋼筋和高強度混凝土二者之間的最佳合理設(shè)計點。通過市場調(diào)研和反復試驗，在24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿設(shè)計中最終采用了高強刻痕鋼絲（抗拉強度fpty=1420N/mm2）為預應(yīng)力鋼筋，HRB335熱軋螺紋鋼為非預應(yīng)力鋼筋，并運用了交叉配筋的結(jié)構(gòu)方式用以提高電桿的強度和抗裂度，符合了產(chǎn)品設(shè)計要求，取得了比較理想的效果。

  2.1.6    高強度電桿的研發(fā)

  15、18、21、24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿按《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DL/T5154-2012)電力標準設(shè)計，在經(jīng)過多次技術(shù)方案的修改、試驗以及通過了權(quán)威部門的檢驗合格后已批量生產(chǎn)。同時15、18、21、24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿建立了自己的知識產(chǎn)權(quán)，申請了相關(guān)的發(fā)明專利和實用新型專利，另外經(jīng)中國科學院上海科技查新咨詢中心的查新：15、18、21、24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿具有新穎性和廣泛性，屬于國內(nèi)領(lǐng)先，達到國際同類產(chǎn)品先進水平。

  3   產(chǎn)品應(yīng)用實例

  3.1  工程實例:上海振華港機二期項目35kV總降站進線工程

  項目名稱：35kV同桿雙回路架空線路；

  項目地點：上海長興島

  設(shè)計條件：

  導線選用JL/LBIA-400/25，安全系數(shù)9.0；

  地線選用OPGW-2S1/24B1，安全系數(shù)8.5。

  上海振華港機二期項目35kV總降站進線工程中，設(shè)計采用了24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿作為中間桿，最大水平檔矩為130m。該工程已竣工并投入送電運行（見圖1-2），取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益，受到了用戶的好評。

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  4   社會效益

  15、18、21、24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿所產(chǎn)生的社會效益相當明顯，它不僅解決了目前電力發(fā)展對輸電線路電壓等級和容量不斷升級的需求，同時也填補了大彎矩、高強度混凝土系列電桿產(chǎn)品的空白。

  15、18、21、24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿和鐵塔相比，外形簡潔優(yōu)美，和周圍環(huán)境協(xié)調(diào)。電桿占地面積少，可以減少施工時的開挖面積，減少堆土，從而達到對周圍環(huán)境的影響最小的目的。另外電桿可少征地（根據(jù)規(guī)劃部門規(guī)定，電桿可不辦理征地手續(xù)）。不僅可節(jié)省大量的寶貴土地資源和昂貴的征地費用，并可節(jié)省大量的工程投資，加快電力工程建設(shè)的速度。由于該產(chǎn)品具有的獨特性能，在抗腐蝕和耐酸雨等方面要大大優(yōu)于鐵塔和鋼管，可節(jié)省大量的維修工程費用，滿足了電力工業(yè)高速發(fā)展的需求，為電力工業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻。

  5   經(jīng)濟效益

  以下就35kV直線塔（35ZT203）和35kV直線桿（35SDZ-30）進行經(jīng)濟效益比較，見圖1-3：

  和35ZT203鐵塔相比，選用30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿作為上海振華港機二期項目35kV總降站進線工程中的中間桿，兩者的呼稱高相近，但是減少了占地面積（占地面積是鐵塔占地面積的14%）。由于采用了混凝土電桿，因此減少了施工現(xiàn)場的組裝工作量，縮短了工程施工周期，同時節(jié)約了大量的工程造價，據(jù)粗略統(tǒng)計計算，采用電桿造價與鐵塔造價優(yōu)勢相當明顯，見表1－5。

  6   結(jié)束語

  由上海電物器材有限公司與上海電力設(shè)計院有限公司共同研制開發(fā)的15、18、21、24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿系列產(chǎn)品項目已相繼通過了上海市經(jīng)委的產(chǎn)品鑒定，以及國家相關(guān)權(quán)威機構(gòu)的項目檢測，申請了自主知識產(chǎn)權(quán)專利，項目徑中國科學院上?？萍疾樾轮行牟樾?，獲得了較高的評價，產(chǎn)品的適用范圍見表1-6。

  高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿系列產(chǎn)品的研制開發(fā)，解決了高強度鋼筋材料在電桿產(chǎn)品中的應(yīng)用難題和途徑，擴大了金屬材料的應(yīng)用范圍；高強度混凝土配方的工藝設(shè)計，推動了混凝土配方工藝的發(fā)展。高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿系列產(chǎn)品不僅適應(yīng)于上海電力的發(fā)展和需要，而且對推動長江三角地區(qū)乃至國內(nèi)城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造具有深遠的社會效益和經(jīng)濟效益。項目的研制對生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝配制的使用和應(yīng)用提出了新的要求，從而使產(chǎn)品的質(zhì)量提高到了一個新的層次和水平。

  目前， 15、18、21、24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿已經(jīng)成功開發(fā)，并取得了比較滿意的效果，其中，24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿已經(jīng)榮獲了上海市高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化項目（A級）和上海市電力公司科學技術(shù)進步二等獎。15、18、21、24、27、30m高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿是一種大彎矩、高強度的電桿產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品在目前的輸電線路中已得到廣泛應(yīng)用,受到了用戶的好評，并且已經(jīng)取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。高強度環(huán)形部分預應(yīng)力混凝土電桿該系列產(chǎn)品項目的成功研制開發(fā)，必將為我國電力工業(yè)的發(fā)展作出重要貢獻。

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