中空夾層鋼管混凝土電桿適用性分析

王曉明，閆風潔，李辛庚

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

鋼管桿是110 kV 及以下電壓等級線路在城市、郊區等常用的電桿型式，其具有占地面積少、外形美觀、維護方便等優點，一經推出便獲得迅速推廣［1］。但是其也存在用鋼量大、成本高、壁厚大易撕裂等缺點［2］。夾層鋼管混凝土電桿是在鋼管凝土電桿基礎上發展起來的新型電桿，其繼承了鋼管混凝土結構鋼管壁薄、用鋼量少、承載力大優點，通過去除芯部混凝土克服了質量大、運輸施工困難的缺點［3］，在天湖—崇賢開口環入育苗220 kV輸電線路等工程中開展了應用［4］。

學者們對中空夾層鋼管混凝土結構的抗軸壓性能［5-7］、抗彎性能［8-10］、抗震［11-13］、抗沖擊［14-16］、抗循環載荷性能［17-18］、抗壓彎等復雜應力作用下的性能［19-20］都進行了詳細的研究，并根據研究數據編制T/CEC 185—2018《輸電線路中空夾層鋼管混凝土桿塔技術規范》［21］，但中空夾層鋼管混凝土電桿與鋼管桿間的性能差異，如強度、剛度、質量等均不明晰。這對于輸配電線路工程中的電桿選型非常不便，也不利于中空夾層鋼管混凝土電桿的推廣使用。

針對該問題，以現有標準為基礎，分別對剛度控制和強度控制條件下的鋼管桿為基準，對比分析中空夾層鋼管混凝土桿與鋼管桿間的性能差異，以明確中空夾層鋼管混凝土電桿的適用性。

1 基礎條件

桿體是電桿的主要構成，分別對以鋼管結構和中空夾層鋼管混凝土結構構成的桿體為研究對象進行性能分析。中空夾層鋼管混凝土結構是混凝土與鋼管的復合結構（下文簡稱復合桿）。鋼管桿和復合桿的截面型式如圖1所示，其中t為鋼管桿壁厚，D為鋼管桿外徑，ti為復合桿內鋼管壁厚，to為復合桿外鋼管壁厚，Do為復合桿外徑，Di為復合桿內鋼管外徑。

圖1 截面型式

電桿長度與線路的電壓等級和回路數量有關，和電桿型式無關，即鋼管桿與復合桿長度相同。對相同高度位置的鋼管桿和復合桿的性能進行對比分析。

復合桿結構存在混凝土與鋼材的配合，以輕質高強混凝土和不同屈服強度鋼材為使用原料開展分析。輕質高強混凝土的軸心抗壓強度為65 MPa，密度1.85 g/cm2；鋼材材質包括：Q235、Q355、Q420、Q460和Q690。復合桿的設計依據T/CEC 185—2018《輸電線路中空夾層鋼管混凝土桿塔技術規范》，其參數包括徑厚比、直徑、空心率。為更清楚地了解規律性，復合桿的空心率和徑厚比選擇范圍覆蓋并小幅超過標準推薦范圍，空心率為0.1～0.9，徑厚比最大為限定值1.2倍。

鋼管桿設計遵守DL/T 5130—2001《架空送電線路鋼管桿設計技術規定》和GB/T 50017—2017《鋼結構設計標準》規定。考慮Q355 強度相對較高，能夠滿足絕大部分鋼管桿的使用，為簡化分析，鋼管桿材質選擇Q355。決定鋼管桿性能的關鍵參數有直徑、徑厚比，鋼管的徑厚比取標準中極限值。用復合桿和鋼管外徑比值作為對比兩桿體的關聯參數。

輸電線路用電桿使用性能受占地面積（外徑）、成本（用鋼量）和施工方便性（質量）等因素的影響。

2 性能對比分析

電桿在服役過程中承受本體質量、導線及附件質量和拉力、風壓、覆冰、地震等復雜載荷，電桿失效處常位于電桿桿體［22］。電桿在服役過程中應滿足強度、剛度等的要求。由電桿在線路中承擔懸垂、轉角和耐張作用不同，電桿設計可分為強度控制和剛度控制兩類。在強度控制條件下，電桿滿足強度要求時，剛度即能滿足要求；在剛度控制條件下，電桿滿足剛度要求時，強度即能滿足要求。考慮到復合桿在服役過程中承受載荷情況復雜、性能規律不明晰，從鋼管分別處強度控制和剛度控制兩種荷載條件的角度進行兩種桿體性能的對比，分析復合桿的適用性，分別簡稱為強度控制和剛度控制。

2.1 強度控制條件下的性能對比

以鋼管桿為基準，使復合桿與鋼管桿強度等效。在此條件下，決定復合桿結構的參數可歸結為外徑和空心率兩個變量。通過調整該兩變量，對比復合桿和鋼管桿的差異。

復合桿空心率的影響結果如圖2 所示，復合桿的總質量較同承載力鋼管桿質量增加。空心率在0.6～0.8 范圍內，復合桿質量可增加0.5～3.0 倍；當鋼材材質強度提高，復合桿質量增加量減少。用低強鋼和高強鋼時復合桿質量相差可達2 倍。另外，空心率越小，復合桿質量增加量越大。復合桿的用鋼量較鋼管桿用鋼量均低。空心率在0.6～0.8 范圍內，復合桿用鋼量降低25%左右；空心率減小，復合桿用鋼量減少更多。強度控制條件下，隨空心率增大復合桿的總質量降低，用鋼量卻在增加，設計復合桿時應綜合考慮桿體總質量和用鋼量兩者間關系。

圖2 強度等效條件下空心率的影響（徑厚比取限值）

復合桿外徑的影響結果如圖3 所示，復合桿質量均超過鋼管桿質量，用高強鋼的復合桿質量增加幅度相對較小，最大增加幅度為1.5 倍，用高強鋼時的復合桿外徑較鋼管桿外徑顯著減小，約為后者的0.6 倍；用低強鋼復合桿的質量增加幅度較大，最大可達5.5 倍，用低強鋼的復合桿外徑較大，Q235 鋼的外徑較鋼管桿可擴大到1.2倍。復合桿的用鋼量較鋼管桿用鋼量都有下降，用高強鋼的復合桿用鋼量下降幅度較用低強鋼材的復合桿下降更為顯著。

圖3 強度等效條件下兩桿外徑比的影響（徑厚比取限值）

由復合桿的質量分析可以明確：強度控制條件下復合桿質量超過鋼管桿；在選擇高強度鋼材和合適空心率時，復合桿質量增加幅度較小；復合桿的用鋼量較鋼管桿可下降25%左右，復合桿的外徑也明顯減小。

強度控制條件下復合桿的整體質量和用鋼量都隨著鋼材材質強度等級的提高而減小，外徑降低，使用高強度鋼材的復合桿優勢更明顯。選擇Q690、Q460鋼作為復合桿用鋼材，徑厚比在1.0～1.2倍限值范圍內取值，分析與鋼管桿承載力相同的復合桿性能。

選擇Q690 鋼計算得到的復合桿質量和用鋼量如圖4所示。由圖4可知，空心率減小，復合桿質量提高，用鋼量降低。空心率在不超過T/CEC 185—2018《輸電線路中空夾層鋼管混凝土桿塔技術規范》限值0.75 的情況下，復合桿的整體質量是鋼管桿質量的1.25 倍以上，在空心率達0.6 時質量比也僅為1.5；用鋼量相比鋼管減少近25%。復合桿內外鋼管的徑厚比增加對于總質量和用鋼量的影響都較小，徑厚比采用保守值有利于保證復合桿的整體穩定性。

圖4 復合桿用Q690鋼參數變化規律

選擇Q460 鋼計算復合桿的總質量和用鋼量結果如圖5 所示。此時仍然存在空心率下降，復合桿總質量增加、用鋼量減少的規律。但空心率小于0.75時，復合桿質量是鋼管桿的1.75 倍及以上，高于用Q690 鋼的復合桿質量，復合桿用鋼量降低幅度在20%左右，也低于用Q690 鋼的復合桿。徑厚比增加，對復合桿的總質量影響較小，用鋼量能進一步小幅度降低。

圖5 復合桿用Q460鋼參數變化規律

根據強度相等條件設計的復合桿與鋼管桿剛度的比值如圖6 所示。復合桿使用高強鋼材時，其剛度相比鋼管桿下降；使用低強度鋼材時，其剛度較鋼管桿要高。復合桿空心率提高時，其剛度降低。

圖6 強度控制時復合桿與鋼管桿剛度比（徑厚比取限值）

強度控制條件下，復合桿選擇高強鋼材不僅可以降低用鋼量、減小外徑，總質量也較小。但是此時復合桿剛度可能相比鋼管桿降低，需根據荷載不同導致桿體對剛度需求的改變，優選鋼材強度、優化結構參數，使復合桿的承載力和剛度均滿足使用要求。

2.2 剛度控制條件下的性能對比

以鋼管桿為基準，使復合桿與鋼管桿剛度等效。復合桿結構的參數仍歸結為空心率和外徑兩個變量。調整該參數，分析復合桿和鋼管桿的性能差異。

空心率的影響結果如圖7 所示，復合桿的質量均在同剛度鋼管桿質量的1.5倍以上。剛度控制條件下，復合桿不能降低整體質量，反而增加。在選擇合適鋼材和控制空心率條件下，復合桿的用鋼量較鋼管桿用鋼量下降幅度巨大，采用復合桿的方式有利于降低用鋼量。另一方面，鋼材強度越高，復合桿用鋼量反而越大，與強度控制條件下的情況相反。在鋼管結構設計中，鋼管壁厚與強度成反比關系，剛度控制條件下高強度鋼材不僅不能提高剛度反而需要更大厚度，最終導致用鋼量增大。

圖7 剛度等效條件下空心率的影響（徑厚比取限值）

空心率增加時，復合桿用鋼量增大，甚至超過鋼管桿質量，此時同樣是復合桿鋼管桿的徑厚比限值決定了較大直徑的內管壁厚不能降低，內管用鋼量較大。

復合桿的總質量和用鋼量兩者隨空心率變化趨勢相反。復合桿設計時，應綜合考慮兩者關系。

復合桿外徑的影響結果如圖8 所示，復合桿質量均超過鋼管桿。鋼材強度高時用鋼量達，鋼材強度降低，用鋼量下降量明顯，這與圖7 中規律相同。復合桿質量與用鋼量隨外徑增加而變化的規律相反，即總質量隨外徑增加而增大時，用鋼量下降；總質量下降時，用鋼量增大。并且鋼的強度改變時質量和用鋼量的變化規律也發生變化。用高強度鋼時，復合桿外徑增加，質量增加，用鋼量降低；用低強度鋼時，外徑增加，復合桿質量減小，用鋼量提高。

圖8 剛度等效條件下兩桿外徑比的影響（徑厚比取限值）

由復合桿的質量分析可以明確：復合桿質量總是超過鋼管桿，但是在設計合適時其用鋼量相比鋼管桿能夠顯著降低；復合桿中鋼材強度越高，復合桿質量增加越顯著，用鋼量也大。高強度鋼材不利于剛度控制的復合桿整體質量和用鋼量的降低。

剛度控制條件下復合桿的整體質量和用鋼量都隨著鋼材強度降低而減小，分析使用較低強度鋼材的復合桿質量變化有助于確定較優指標。選擇強度低的Q235、Q345 鋼作為復合桿用鋼材，徑厚比在小幅度突破限值的1.0～1.2 倍限值范圍內取值，分析與鋼管桿剛度相同復合桿的質量特征。

選擇Q235 鋼計算得到的復合桿質量和用鋼量如圖9 所示。由圖9 可知，空心率減小，復合桿質量提高，用鋼量降低。空心率在不超過限值0.75 的情況下，復合桿的整體質量是鋼管桿質量的2 倍以上，最高質量比值可以達到3；用鋼量相比鋼管桿減少20%以上，最多可以減少60%。此時復合桿內外鋼管的徑厚比增加對于總質量和用鋼量的影響都較小。

圖9 用Q235鋼時復合桿總質量和用鋼量變化規律

復合桿采用Q235 鋼可以顯著減少用鋼量，參數選用合適時總質量增加可以控制在2.5倍以下。此時徑厚比提高對質量和用鋼量影響不明顯，徑厚比采用保守值有利于保證復合桿的整體穩定性。

用Q345 鋼時，復合桿的質量和用鋼量計算結果如圖10 所示。此時空心率下降，復合桿質量增加、用鋼量減少。且在空心率小于0.75時，復合桿質量仍然是鋼管桿的2 倍及以上。但是，復合桿用鋼量減少值較用Q235 時要小，只有空心率接近0.6 時，用鋼量才能減少20%以上。此時徑厚比增加，對復合桿的總質量影響較小，而對用鋼量影響稍大。

圖10 用Q345鋼時復合桿總質量和用鋼量變化規律

由上可知，用Q235 鋼的復合桿質量可控制在鋼管桿質量的2.5 倍以下、用鋼量控制在鋼管桿質量80%以下；用Q345 鋼的復合桿用鋼量控制在鋼管質量80%以下，徑厚比較限值放大1.1倍時總質量達鋼管桿質量2.5倍，徑厚比取限值時總質量為鋼管桿質量2.6倍。剛度控制條件下復合桿的直徑約為鋼管桿外徑的0.9倍，在減小桿體體積和施工難度方面有一定優勢。

以剛度控制為前提設計的復合桿，其承載力與所用鋼材強度有很大關系。根據剛度相等條件設計的復合桿與鋼管桿承載力的比值如圖11 所示。復合桿用低強度鋼時，其承載力總是小于該設計條件下的鋼管桿。提高鋼材強度，復合桿的剛度快速提升，且相比鋼管桿有較大裕量，復合桿承受突發載荷的能力更強。復合桿的承載力隨著空心率的增加而逐漸提高，這與該設計條件下空心率提高復合桿的外徑增大有關。

圖11 剛度控制復合桿與鋼管桿承載力比（徑厚比取限值）

低強度鋼材有利于提高復合桿的剛度，但是另一方面卻削弱了復合桿的承載力。在剛度控制復合桿設計時，不能僅強調提升剛度選擇低強度鋼材，而導致復核桿的承載力不足。采用剛度控制條件計算時，承載力的校核不能缺失。

3 結語

在前述分析條件下，復合桿的外徑幾乎均小于鋼管桿的外徑，這對于承載多線多回電桿而言，地上桿體和地下基礎的占地減小，施工工程量和施工成本會大幅度降低。復合桿相比鋼管桿更有優勢。

強度控制條件下，復合桿適合選擇較高強度鋼材，其用鋼量可大幅度降低，總質量也增加較小，但是復合桿剛度可能會有削弱，需注意校核。

剛度控制條件下，復合桿適合選擇較低強度鋼材，其用鋼量降低幅度更為顯著，但是復合桿的受彎承載力可能會有削弱，須注意校核。