超高強混凝土研究現(xiàn)狀及在電桿中的應用研究

曹文典，吳 婷

（中國電建集團江西省電力建設有限公司，江西南昌330063）

0 引言

混凝土電桿是我國供配電網(wǎng)中的重要電力設施。普通電桿大部分都自重大、容易開裂、耐久性方面較差、壽命短，一定程度上限制了它的應用范圍。隨著國家電網(wǎng)建設規(guī)模的發(fā)展，對混凝土電桿的各方面性能要求比以往要高；普通電桿的上述缺點在一定程度上制約著電網(wǎng)的發(fā)展，隱藏著較大的安全隱患，對電網(wǎng)的安全運行存在一定的風險。超高強混凝土本身擁有強度大，耐久性能好的優(yōu)異特點，能夠有效克服普通混凝土的不足，目前已運用在橋梁、鐵路、預應力管樁構件中，在混凝土電桿方面的運用還鮮有報道。隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，我國城市土地資源越來越短缺，超高強混凝土電桿可以憑借其強度高的特點，避免了拉線占用土地資源的缺陷；借助薄壁質量輕的優(yōu)點，可以在山區(qū)等運輸條件差和運行環(huán)境惡劣的地區(qū)得到運用。

1 超高強混凝土研究現(xiàn)狀

1.1 超高強混凝土的定義及特點

超高強混凝土作為新型的水泥基材料，與常規(guī)混凝土相比，具有強度大、耐久性能好的優(yōu)點。隨著電網(wǎng)建設工程的發(fā)展，在綠色環(huán)保理念的大環(huán)境下，混凝土研究朝著高強度的方向發(fā)展。在各國學者精心研究和不懈努力下，Larrard等在1994年提出超高強混凝土這一概念[1]。它具有許多優(yōu)點，如抗壓強度遠高于傳統(tǒng)混凝土；具備和一些金屬等同的韌性，使結構在極限荷載下具備更好的可靠性；由于低水膠比和孔隙率，使其具有較強的抗?jié)B透能力和抗腐蝕能力；因為其內部存在大量的沒有完全水化反應的水泥顆粒，使其在開裂狀態(tài)下可以進行自我修復；自重的減少顯著降低靜荷載，有利于結構的制造和降低工程成本[2]。

1.2 超高強混凝土的制備技術

該材料通過在砼中添加超細活性礦物料，如硅灰、磨細礦渣、磨細粉煤灰等，使基體內部的孔隙等缺陷變少，從而獲得較高的強度和優(yōu)異的耐久性能。謝友均等運用硅灰、水泥和超細粉煤灰以0.25∶1∶（0.3~0.4）的用量比，在水膠比小于0.16 和100 ℃的熱水養(yǎng)護下制備了超高強混凝土，未添加鋼纖維的抗壓強度值為200 MPa，添加比例為3%時其值接近250 MPa[3]。黃政宇等采用河砂代替石英砂，制備含粗骨料超高強混凝土，其力學性能優(yōu)異[4]。魯亞等通過制備多種等級的超高強混凝土開展力學性能試驗，研究常規(guī)混凝土與超高強混凝土測驗方法之間的差異，發(fā)現(xiàn)抗壓強度和抗彎強度試驗都可以按照普通混凝土的試驗方法進行操作[5]。國愛麗等用水泥、石英砂、粉煤灰、礦渣以及2%的鋼纖維制備了超高強混凝土，經(jīng)過3 天的60 ℃熱養(yǎng)護，混凝土抗壓強度達到160 MPa[6]。

1.3 超高強混凝土的抗壓強度

普通混凝土會有尺寸效應問題，在超高強混凝土當中同樣會有這個問題。柯曉軍等采用試驗方法證明超高強混凝土材料彈性模量和強度較大，對尺寸效應反應的敏感性要比常規(guī)混凝土弱[7]。添加鋼纖維、硅粉、粉煤灰等原材料，運用熱養(yǎng)護方法，都可以提高混凝土抗壓強度值，相反加入聚丙烯纖維會對強度有降低的作用[8]。王軍委等研究表明，水膠比為0.24時，對混凝土強度增長最有利[9]。隨著水膠比的變大，其抗壓強度會顯著降低；礦物料的添加對混凝土的早期強度影響比較明顯，對混凝土后期強度的增長影響有限，試驗發(fā)現(xiàn)最適宜的比例為40%。膠凝材料用量的多少對混凝土的抗壓強度有一定的影響，一般總量為600 kg/m3最合適。

1.4 超高強混凝土的抗拉強度

超高強混凝土抗拉強度的測試方式和普通混凝土相同，采用軸拉試驗、劈裂試驗和抗折試驗。超高強混凝土的抗拉強度從低到高排序為彎拉強度、劈裂強度和軸拉強度。超高強混凝土控制開裂的能力較好，最大拉應變達到3%以上。蒲心誠等通過試驗發(fā)現(xiàn)，隨著抗壓強度的增大，超高強混凝土的抗折強度和劈裂強度也相應的提高，但相應的增速比普通混凝土的要小[10]。抗折強度和劈裂強度與抗壓強度的比值較常規(guī)混凝土的要小，表明超高強混凝土的脆性比常規(guī)混凝土的要弱。

2 混凝土電桿技術進展及存在的問題

2.1 混凝土電桿的技術進展

混凝土電桿屬于城鄉(xiāng)中低壓電網(wǎng)的重要基礎設施。按桿上下端的直徑差異分成等徑桿和錐形桿兩類[11]。電桿結構截面一般采用環(huán)形，由于環(huán)形截面具備下列優(yōu)勢：1）各向承載力均等；2）比實心截面節(jié)材約40%；3）環(huán)形截面無突出部分，不易損壞。環(huán)形截面電桿普遍采取離心工藝成型，運用常壓蒸養(yǎng)養(yǎng)護[12]。

目前混凝土電桿主要在低電壓等級的線路工程和通訊工程中運用。在輸電線路工程中，常規(guī)電桿應用比例越來越高，預應力混凝土電桿應用較少[13]，大彎矩混凝土電桿應用有增長的趨勢。在生產方面，國家相關技術規(guī)范的實施，使得混凝土電桿的生產更加規(guī)范，電桿的質量保證更加完善。在日趨嚴格的環(huán)保要求下，大部分企業(yè)建設了蒸養(yǎng)池，同時采用了自動化控制系統(tǒng)。目前生產線完成了機械化、自動化、智能化，各種自動和智能的設施得到應用，例如自動吊具、自動清模設備等。

2.2 混凝土電桿存在的問題

雖然混凝土電桿具備自身的優(yōu)點，但其在生產、運輸及后期的運行過程中會存在問題，縮短電桿的使用壽命，增加電網(wǎng)運行風險。

1）目前混凝土電桿表面強度大多為C50，強度等級較低，在大跨越和轉角時需要安裝拉線，拉線的安裝會占用一定的土地資源，在城區(qū)等土地較緊缺的地域應用受限。

2）普通混凝土電桿的強度較低，在承受大荷載的情況下，容易導致開裂發(fā)生桿塔倒塌事故，造成供電故障風險。

3）普通水泥電桿常年承受垂直方向、水平方向的不對稱拉力作用，會產生淺表性裂紋，外部雨水和潮濕空氣會隨著裂紋侵蝕到電桿內部，引起鋼骨架腐蝕，造成電桿的服役年限縮短。

4）混凝土電桿多數(shù)采用離心成型工藝，雖然此工藝能夠使混凝土更加密實，但是仍然有20%左右的水分殘留在混凝土中，水分揮發(fā)后殘留下孔隙的比例較高。隨著氣候的變暖和雨雪冰凍天氣的增加，孔隙率較高的混凝土電桿的耐久性能較差，一定程度上影響到電桿的服役年限。

3 超高強混凝土在電桿中的應用

隨著輸電網(wǎng)的建設，桿塔的耐久性、安全性等問題越來越突出，各種新型桿塔不斷研發(fā)出來。超高強電桿因其強度較高、性能優(yōu)異的特點，在電力線路中得到認可[14]。

3.1 超高強混凝土電桿的特點

超高強混凝土電桿比普通水泥桿具備更高的強度，其抗壓強度是普通混凝土的2 倍以上，在同等承載能力的前提下采用超高強混凝土制成的電桿壁厚比普通電桿減少50%，重量也相應的可降低30%~50%。在山區(qū)、丘陵等運輸條件困難，特別是需要人工進行轉運的環(huán)境下，因其自重輕可以采用。

電桿高強度的表現(xiàn)有以下3個方面：1）基體材料的抗壓強度高；2）超高強混凝土集料粒徑較小，鋼筋間距能夠大幅減小，可配置的鋼筋數(shù)量變多，配筋率相應提高，電桿的強度也會提高；3）混凝土水膠比較低，離心成型后電桿的密實度更高，強度也更大，在一定電壓等級條件下可以替代拉線桿、窄基塔和鋼管桿，不需要安裝拉線，基礎土方開挖工作量也相應減少，在施工及后期的檢修維護方面比較方便，減少土地的占用面積和桿塔成本，具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益。

超高強電桿因其具有的獨特優(yōu)勢，使電桿在荷載作用下可以承受較大的變形。在極端天氣條件下，減少對結構的損害。同時超高強混凝土電桿具備很好的抗?jié)B透性能，使其在侵蝕嚴重的環(huán)境下具有更高的使用壽命，適用于在鹽堿地、沿海等侵蝕嚴重的地區(qū)使用。

3.2 超高強混凝土電桿荷載試驗

3.2.1 電桿試件

超高強混凝土桿具有承載負荷大、重量輕、施工方便等優(yōu)點，為了驗證電桿結構的合理性、可靠性，進行力學性能試驗。本次試驗采用C120混凝土制作電桿，電桿總長18 m，由2段9 m的桿件組成，采用法蘭連接，設計大風30 m/s，覆冰風速10 m/s，覆冰厚度20 mm，桿件的稍徑和根徑分別為230 mm和470 mm。

3.2.2 試驗工況

電桿試驗分標準荷載、覆冰荷載、大風荷載三種工況，采用立式試驗，分析桿件在真實的應用場景下的工作情況。試驗時，將電桿承受的風荷載簡化成桿段重心處的橫向集中力，導地線上的風荷載簡化為掛點處的橫向集中力，導線自重則為垂直的集中力，各工況荷載見表1。各荷載施加位置及位移觀測點編號如圖1所示。

表1 各工況加載值

圖1 荷載加載點和位移觀測點

3.2.3 試驗概況

電桿在施加荷載過程中，產生橫向彎曲變形，如圖2所示，具體加載方式如下：

工況1：標準荷載；試驗荷載為100%設計荷載。荷載按0-50%-75%-90%-95%-100%-0順序加荷，當荷載加至100%時，第1 觀測點橫向位移為482 mm，縱向位移為-3 mm，垂直位移為-20 mm。

工況2：最大覆冰；試驗荷載為100%設計荷載。垂直、橫向荷載按0-50%-75%-90%-95%-100%-0 順序加荷，當荷載施加到100%的時候，第1觀測點水平位移為15 mm，縱向位移為-18 mm，垂直位移為0 mm。

工況3：90°大風（超載）；試驗荷載為140%設計荷載。垂直、橫向荷載按0-50%-75%-90%-95%-100%-105%-110%-115%-120%-125%-130%-135%-140%-0順序加荷，當荷載施加到100%時，第1觀測點橫向位移為1030 mm，縱向位移為3 mm，垂直位移為-59 mm；當荷載施加到140%時，第1 觀測點橫向位移為2335 mm，縱向位移為-20 mm，垂直位移為-236 mm。

圖2 電桿變形

3.2.4 試驗結果分析

工況2 屬于垂直荷載控制，三個方向位移值都比較小；工況1、工況3都是橫向風控制，橫向水平位移是主要的方向，且數(shù)值較大，本文只對工況1、工況3 的橫向水平位移進行繪圖分析，見表2、表3；圖3、圖4所示。

表2 工況1：電桿橫向水平位移

圖3 工況1：電桿橫向水平位移

在工況1作用下，電桿的桿頂撓度為482 mm，桿件沒有發(fā)生破壞或局部破壞，電桿沒有發(fā)生破壞或局部破壞，處于彈性狀態(tài)。小于75%設計荷載時，曲線是線性變化，荷載超過75%時，曲線呈現(xiàn)雙線性變化特征，9 m處為電桿撓度變形的分界線；9 m下?lián)隙茸兓苄。?5%設計荷載撓度是55 mm，100%荷載時為150 mm；9 m以上隨著荷載的變大撓度增加較大，18 m處75%設計荷載撓度是196 mm，100%荷載時為482 mm。

表3 工況3：電桿橫向水平位移

在工況3（90°大風超載）作用下，電桿在100%和140%荷載值時桿頂部撓度是1030 mm和2335 mm，電桿未發(fā)生破壞，處于彈性狀態(tài)。小于75%設計荷載時，曲線是線性變化，荷載超過75%時，曲線呈現(xiàn)雙線性變化特征，9 m 處為電桿撓度變形的分界點；9 m以下?lián)隙茸兓苄。?00%設計荷載撓度是317 mm，140%荷載時為747 mm；9 m以上伴隨荷載的變大撓度增加很大，18 m 處100%設計荷載撓度是1030 mm，140%荷載時為2335 mm。

圖4 工況3：電桿橫向水平位移

電桿通過了3 個工況的100%設計荷載測試，其中90 °大風（超載）工況荷載加至140%，試驗完成后對被試驗桿進行檢查，發(fā)現(xiàn)被試桿根部受壓區(qū)，離地2.3 m 處桿身混凝土壓碎，見圖5 所示。經(jīng)過對桿身混凝土破碎現(xiàn)象分析，認為是由于生產工藝的原因，造成混凝土水灰比偏大，導致強度未達到要求；桿件在卸除全部荷載后，變形恢復原始狀態(tài)，結構顯示優(yōu)異的變形能力，可以滿足工程應用的要求。

圖5 桿件根部混凝土碎裂

4 結語

混凝土電桿朝著抵御荷載效果更好、承載力更高的方向發(fā)展。超高強混凝土作為一種新發(fā)展的高強度、韌性優(yōu)良、孔隙率較低的水泥基材料，將其應用于電桿中具有比傳統(tǒng)電桿更好的性能優(yōu)勢。超高強電桿通過真型試驗，驗證了其具有一定的過載能力，可以在工程中應用。

本次試驗驗證了超高強電桿具有優(yōu)異的變形性能，但由于某些原因，未能做破壞性試驗，其在極限荷載作用下產生的裂縫的分布形態(tài)等一些問題還有待進一步研究。