鋼管混凝土結構的特點和在高壓輸電線路的應用

陳賓++黃雙華++汪杰++王偉

摘 要：因為現在鋼管桿的特點是結構簡單、受力合理、占地面積小等，所以在高壓輸電線路中得到更廣泛的應用，尤其是在建設城市電力線路中處于主導作用。而基于鋼管和砼兩種材料在受力過程中的相互作用的鋼管混凝土組合結構，不僅能顯著提高組合材料的強度，對于結構物的整體剛度也有明顯改善，該新型組合結構由于受力合理，目前主要用于高層建筑中；但在特高壓輸線路墩臺搭設的應用還處于探索階段。本文意在論證鋼管混凝土架設特高壓輸電線的合理性，為今后特高壓輸電線路的建設提供思路。

關鍵詞：鋼管桿 特高壓輸電線 鋼管混凝土 組合結構

中圖分類號：U443 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（a）-0103-01

改革開放35年以來，我國社會生產力得到了充分的發展，國民經濟取得了飛速發展，為穩固改革成果，優化產業結構，改變能源消耗不清潔，以煤為主的能源結構，促進西北部資源集約開發、提高能源利用效率，增強中東部能源安全和電力供應能力。應加快建設特高壓電網，嚴格控制火力發電造成的燃煤污染，在顯著改善東中部地區大氣狀況的同時滿足社會經濟發展對電力的需求，以電能的大規模輸送作為新型工業布局的顯著特點。在建設電網的過程中，每年都會增長數萬公里的高壓輸電線路。大規模增長的特高壓電網就重新設定了輸電線路的的設計。如何保證輸電線路的安全穩定，減少輸電過程電能消耗，提高輸電工程建設的效益，確保我國產業結構優化的順利實施，是擺在輸電工程技術人員面前亟需解決的難題。

1 鋼管混凝士的抗壓原理及特點

鋼管混凝土在我國的發展，可以追溯到20世紀60年代，是一種以螺旋鋼筋混凝土為基礎，在鋼管內部填充高強混凝土而形成的一種新型組合結構。鋼管混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用，即外部鋼管為內部混凝土提供緊錮力，使得混凝土在軸向荷載作用下處于三向受壓狀態，在三向壓應力作用下，混凝土的工作性能將得到大幅提升，不但承載力明顯提高，其塑性和延性也能得以大幅改善；同時，混凝土的存在可以延緩甚至避免鋼管發生局部屈曲，從而保證鋼管受力性能的充分發揮。實驗證明，在軸心壓力作用下，薄壁鋼管的承載力是極不穩定的，其實際承載力往往只有理論計算值的1/3～1/5左右[1]但鋼管內部混凝土的強度避免了薄壁鋼管的軸壓失穩。鋼管混凝土作為一種組合結構，具有承載力高、延性好、抗動荷載性能優越等獨特的工作特性。

2 高壓輸電線路鋼管混凝土墩臺的優勢

鋼管混凝土施工方便，耐火耐腐蝕性能優良，目前該新型結構應用于高層結構已取得良好的經濟效益。首先，在施工過程中，鋼管混凝土零件少、焊縫少，而且鋼管為混凝土的施工提供了穩定的耐側壓模板；同時，鋼管內澆筑的混凝土減少了鋼管的外露面，對鋼筋提供了很好的保護作用，能有效避免鋼管受環境侵蝕；最后，得益于鋼管和混凝土之間的相互作用，鋼材和混凝土兩種材料的特性和潛力得以充分發揮，鋼管內部混凝土的破壞由脆性破壞轉變為塑性破壞，結構的延性明顯改善，材料的性能得到了充分和合理的利用。

架空輸電線路桿塔結構形式的選擇主要受線路電壓等級、地質地形條件、施工運行條件等多種因素的影響，形式多樣。目前應用較廣泛的主要有自立式鐵塔、拉線塔、鋼管桿等結構形式。鋼管混凝土桿作為鋼管桿的有效補充，具備以下幾方面的優勢：

（1）鋼管桿作為一種高聳結構，其管壁相對較薄，整體的柔性較大，在軸向荷載作用下容易發生局部失穩的現象。因此，在呼稱高較大或荷載較大的情況下，為滿足撓度和自身的穩定，梢徑和鋼管壁厚將大大增加，從而造成建筑鋼材的浪費，提高工程的造價。因此，一般來說鋼管桿多使用于小呼高和110 kV以下的輸電線路工程。而鋼管混凝土結構由于存在鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用，充分發揮了材性的內在潛能，整體的承載力、穩定性及剛度都得到了大幅提高；適用于大呼高及高等級的輸電線路工程，從而有效地彌補了鋼管桿穩定性的不足。

（2）鋼管混凝土具有良好的塑性。混凝土本身是一種脆性材料，一般情況下，其劈裂強度只有抗壓強度的1/10～1/20左右，且破壞過程瞬間發生，屬于典型的脆性材料[2]；工程中常見的做法是在混凝土內部配置鋼筋制得鋼筋混凝土結構；但有關研究表明，鋼筋混凝土軸心受壓及小偏心受壓構件的破壞，也呈現脆性破壞的特性而鋼管混凝土中，一方面因鋼管的“套箍”作用使得混凝土在徑向變形受到約束而處于三向受力狀態，其承載力大大提高。同時，鋼管的“套箍”作用還能大大提高混凝土的塑性性能，使得混凝土尤其是高強混凝土脆性的弱點得到克服；另一方面，混凝土填充鋼管之內，增強了鋼管管壁的穩定性和剛度，使結構的整體穩定性大幅度提高，屬于塑性破壞。

（3）輸電線路桿塔長期承受風荷載、雪荷載、不均勻脫冰及覆冰舞動等動荷載。而鋼管混凝土延性好、抗動荷載性能優越。同時，按照規范要求，位于強地震烈度（9度及以上）地區的各類桿塔應進行抗震驗算。而鋼管混凝土的抗震性能明顯優于其他的結構形式。

（4）在2008年2月份的特大冰災中，輸電線路由于覆冰嚴重，致使電力設施遭到了重大的損害，尤其是造成了電力線路大面積倒塔事故。究其原因，主要是覆冰厚度的增加導致鐵塔承受的水平荷載、垂直荷載和縱向荷載急劇增加，鐵塔所承受的彎矩和扭矩不斷增大，引起鐵塔局部構件的失穩，最終導致塔架的整體破壞。而鑒于鋼管混凝土簡單合理的受力性能、優良的穩定性和高承載力，可以考慮在條件允許的情況下，特別是覆冰情況非常突出的線路段，用鋼管混凝土桿取代自立式鐵塔，以避免災害發生后因鐵塔的倒塌帶來損害。

3 結論

由于鋼管混凝土受力合理，能充分發揮材料性能；施工簡便，顯著縮短工期；并取得一定經濟效果，目前已廣泛用于各種建構筑物及橋梁工程。根據其受力特點，可廣泛應用于以軸力為主的構件；高壓輸電線路墩臺主要以軸壓受力為主，采用鋼管混凝土結構優越性明顯。

參考文獻

[1] 李俊峰.淺談鋼管混凝土結構的應用與優缺點[J].包鋼科技，2001，27：91-95.

[2] 劉北平，王艷.鋼管混凝土結構的特點與應用[J].城市建設理論研究，2012，31.

[3] 劉春玲，李旭，張有佳.輸電線路抗震研究現狀及震害防御措施[Z].中國電機工程學會第十屆青年學術會議.endprint