混凝土電桿鋼板圈腐蝕剩余承載力研究

張華愷，鄧化凌，張忠文，2，杜斌祥，張廣成

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.山東電力工業鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，山東 濟南 250003；3.國網山東省電力公司德州供電公司，山東 德州 253008）

0 引言

環形混凝土電桿相比輸電鐵塔與鋼管桿具有施工方便、造價及運行維護成本低等優點［1］，作為輸電線路的重要組成部分，普遍應用于220 kV 及以下電壓等級的輸電線路中［2］。環形混凝土電桿為了方便生產、安裝、運輸，普遍采用多段制造［3-5］。

電桿分段制造時，接頭可以采用鋼板圈、法蘭盤或其他可靠方式，老舊電桿較多采用了鋼板圈焊接方式。鋼板圈作為混凝土電桿的重要受力部位，長期暴露在自然環境中，腐蝕問題無法避免，鋼板圈銹蝕問題嚴重影響到電桿的使用壽命，降低電桿承載能力。研究鋼筋混凝土電桿鋼板圈的剩余承載能力對于準確掌握鋼筋混凝土電桿的力學性能，保證電力系統安全穩定運行具有重大現實意義［6］。

1 工程背景

取35 kV 直徑為230 mm，高21 m 的單回路直線桿桿型作為研究對象，鋼板圈由兩段長度為100 mm、厚度為8 mm、外徑為356 mm 的鋼圈焊接組成。開展其在大風、覆冰、斷線3 種工況中鋼板圈由設計厚度逐漸減薄至承載力失穩情況下的計算分析，用以模擬鋼板圈受腐蝕減薄的過程，評判其剩余承載力，找出最危險工況，討論該設計線路中此種桿型鋼板圈受不同腐蝕程度時的相應治理措施或處置方案。

2 混凝土電桿計算模型建立

2.1 線路設計參數

導線及地線參數見表1，電桿混凝土強度為C50，抗壓強度為23.1 MPa，抗拉強度為1.89 MPa，彈性模量為3.45×104MPa，泊松比為0.2，鋼筋與鋼板圈材料參數見表2，設計氣象條件見表3。

表1 導（地）線主要參數

表2 電桿結構材料性能

表3 設計氣象條件

2.2 工況分析

大風工況時，作用在混凝土電桿上的載荷可分為3 部分：第1 部分是混凝土電桿的結構自重；第2部分是導線上橫風向荷載對電桿作用；第3 部分是風載荷對電桿的影響。

覆冰工況時，除了要考慮結構自重、導線作用力、最大設計驗算冰厚作用力，還要適當考慮風荷載的影響。

斷線工況時，主要考慮結構自重與不同斷線情況下所產生的不平衡張力，本文主要考慮斷開兩相導線、斷開地線—導線2 個斷線工況的不平衡張力。

結合線路運行環境與設計氣象條件，設計計算工況如表4 所示。

表4 工況組合

2.3 混凝土電桿模型建立

在SOLIDWORKS 中建立電桿結構模型，如圖1中所示。

圖1 電桿結構

根據實際結構尺寸建立混凝土電桿的幾何模型，針對鋼筋混凝土結構，主要有兩種建模方法：整體式建模和分離式建模，建模方法的選取主要取決于鋼筋單元和混凝土單元的處理方式。采用分離式建模時，鋼筋單元與混凝土單元分別設置單元類型，需要在模型中畫出鋼筋線用以配置鋼筋單元；整體式建模利用ANSYS 中3D 加筋混凝土實體單元SOLID65，可分析彈性與非線性階段的鋼筋混凝土結構力學行為，將鋼筋與混凝土用一種單元建立。

主要分析鋼板圈銹蝕情況下其剩余承載力情況，鋼筋與混凝土之間的相互作用不作為本文研究對象，所以采用SOLID65 單元對除鋼板圈外的鋼筋混凝土桿身進行整體建模，提高建模效率，并且減少鋼筋混凝土分體式建模時，由于需要劃分鋼筋線操作而導致在模型劃分網格時出現單元形狀扭曲過大，從而在計算過程中產生應力奇異的問題，避免計算無法收斂，并大大降低計算成本。將SOLIDWORKS 中建立的三維模型導入ANSYS 進行劃分網格與后期計算，對鋼筋混凝土桿鋼板圈進行網格細化，劃分網格后的模型如圖2 所示，共生成5198 個單元，17216 個節點。

圖2 劃分網格后模型

2.4 邊界條件

桿身底部結點自由度全約束。混凝土電桿自重以重力加速度的方式施加，導（地）線運行張力用初應變考慮，斷線時的不平衡張力利用式（1）懸鏈線方程與式（2）推算。

式中：FT0為懸線最低點張力；q 為導線比載；Fx為懸線任一點張力；自變量x 為懸鏈線上任一點距導線最低點的距離。

3 鋼板圈腐蝕剩余承載力計算結果

有限元計算結果表明，該混凝土電桿受到彎矩與軸向力的共同作用，由于桿身處于復合應力狀態，取其Von-Mises 等效應力進行評定。3 種工況下鋼板圈未發生腐蝕時鋼筋混凝土電桿的承載力計算結果如圖3—圖5 所示，通過等效應力分布云圖可見在3種工況下，混凝土電桿在各種荷載的綜合作用下，鋼板圈都是整個電桿的應力較為突出位置，最大應力分別為136.4 MPa、97.3 MPa、139.0 MPa，均未超過設計強度。

圖3 鋼板圈應力分布（大風工況）

圖4 鋼板圈應力分布（覆冰工況）

圖5 鋼板圈應力分布（斷線工況）

對混凝土電桿在大風、覆冰、斷線3 種工況下分別計算了鋼管桿厚度由設計厚度8 mm 減薄至失穩時的應力分布情況，模擬鋼板圈銹蝕過程中剩余承載力的情況。結合工程經驗，在6～8 mm 時鋼板圈每減薄0.5 mm 開展一次強度計算，鋼板圈厚度小于6 mm 時每減薄0.2 mm 開展一次強度計算，可見隨著鋼板圈銹蝕程度的加深，其最大等效應力也隨之增加，3 種工況下的計算結果如圖6—圖8 所示。

從計算結果可知，大風工況下，當鋼板圈減薄至6 mm 時，鋼板圈上的等效應力為189.2 MPa，達到了鋼板圈材質Q235 鋼屈服應力的80%，當鋼板圈減薄至4.6 mm 時，等效應力達到236 MPa，超過材料屈服應力，結構失穩。

覆冰工況下，當鋼板圈厚度減薄至4.8 mm 時，鋼板圈上的等效應力為190.1 MPa，達到屈服應力的80%，持續減薄，計算至3.8 mm 時，等效應力達到234.7 MPa，相當于材料屈服應力，結構失穩。

斷線工況下，達到屈服應力80%與超過屈服應力時鋼板圈的厚度分別為6.5 mm、5.0 mm。

圖6 不同腐蝕程度下剩余承載力情況（大風工況）

圖7 不同腐蝕程度下剩余承載力情況（覆冰工況）

圖8 不同腐蝕程度下剩余承載力情況（斷線工況）

4 結果分析

計算結果表明，大風工況、覆冰工況、斷線工況下，鋼板圈應力水平達到材料屈服應力80%時的厚度分別為6 mm、4.8 mm、6.5 mm；達到或剛超過屈服應力時的厚度分別為4.6 mm、3.8 mm、5.0 mm。由以上結果可知，該單回路直線桿在此設計線路中的最危險工況為斷線工況，針對此線路中的同種塔型，應依據最危險工況下的計算結果評判安全等級并確定治理措施。

此設計線路中該單回路直線桿在鋼板圈厚度經腐蝕減薄至6.5 mm 時，剩余承載力不足20%，此混凝土電桿判定為預警狀態，應對其采取防腐保護措施，防止腐蝕加劇，厚度持續減小。對老舊混凝土電桿防腐采用的防腐措施可采用刷涂防銹紅漆后，使用玻璃纖維布與環氧密封膠纏繞包裹密封［7］，這種方法初期可以對腐蝕介質形成很好地屏蔽，但是，環氧密封膠耐候性能差、極易老化開裂，開裂后由縫隙腐蝕引起的閉塞電池自催化過程將加速鋼板圈的銹蝕，可替代的工藝為采用刷涂高性能富鋅底漆+耐候面漆，再使用環氧基填縫劑密封鋼板圈和桿身銜接部位，此工藝可解決環氧密封膠由于老化開裂而導致腐蝕加劇問題［8］。

當鋼板圈厚度腐蝕減薄至5 mm 及以下時，混凝土電桿被判定為報警狀態，此時應立即對鋼板圈采取加固措施，可采用兩段半圓鋼板圈焊接至原鋼板基礎上，增加鋼板圈厚度，由于此種做法需要焊接，所以加固用鋼板圈長度小于原鋼板圈長度，提高電桿承載力，消除線路隱患。

5 結語

依據鋼筋混凝土電桿設計參數和線路設計資料確定了計算模型以及計算條件，根據混凝土桿的結構特點以及主要研究的偏重側，確定采用3D 加筋混凝土實體單元SOLID65 對鋼混結構部分進行整體建模，最終建立了鋼筋混凝土電桿承載力計算模型。

模擬電桿鋼板圈在大風、覆冰、斷線3 種工況下自設計厚度不斷減薄，直至失穩的過程，計算此過程鋼板圈的剩余承載力，并找出最危險工況為斷線工況。在斷線工況下，鋼板圈厚度減薄至6.5 mm 時，最大等效應力達到屈服應力80%，減薄至5 mm 時，最大等效應力超過屈服應力。

根據最危險工況的剩余承載力計算結果，判定所設計線路中，混凝土電桿鋼板圈的安全等級以及相應治理措施。鋼板圈腐蝕減薄至6.5 mm 時，達到預警狀態，應采取防腐保護措施。鋼板圈減薄至5 mm 時，達到報警狀態，應對鋼板圈采取加固措施，提高承載力。