在役钢筋混凝土电杆抗弯承载能力研究.pdf
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1、2 0 1 1年 第 6 期 (总 第 2 6 0 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 1 1 ( To t a l No2 6 0) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0R ETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 6 0 1 9 在役钢筋混凝土 电杆抗弯承载能力研究 刘思远 。夏开全 。陈宗平 ( 1 中国电力科学研究院 ,北京 1 0 0 0 5 5 ;2 广西大学 ,广西 南宁 5 3 0 0 0 4 ) 摘要: 钢筋混凝土电杆由于长时间暴露在大气
2、环境中, 经常受到外界 自 然环境和内应力的作用, 会出现杆体裂缝 、 钢筋锈蚀等老化现 象。 这些老化病害会大大降低电杆结构的力学性能 , 进 而影 响电力系统安全稳定运行。 通过三根 在役近 5 O年的钢筋混凝土 电杆试验 , 并结 合理论计算, 揭示了在役钢筋混凝土电杆的受力机理, 破坏形态, 抗弯承载能力等, 这些工作的开展, 为准确掌握钢筋混凝土电杆的力学性 能 , 保证电力 系统安全稳定运行具有重大现实意义。 关键词 : 钢筋混凝土 :承载能力 ;锈蚀 中图分 类号: T U5 2 8 5 7 1 文献标 志码 : A 文章编号 : l 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1
3、1 ) 0 6 0 0 6 0 0 4 St ud y on r e s i d ua l c a r r yi ng ca pa c i t y o f e x i s t i ng r ei nf o r c ed c on c r e t e pol e s LI U S i - yu a n , XI A Kai qu a n , CHEN Zo n g - pi n g ( 1 C h i n a E l e c t r i c P o we r R e s e a r c h I n s t i t u t e , B e ij in g 1 0 0 0 5 5 , C h in
4、a ; 2 G u a n g x i U n i v e r s it y , N a n n i n g 5 3 0 0 0 4 , C h i n a ) Abs t r a c t : Re i n f o r c e d c o n c r e t e p o l e s we r e e x p o s e d a t mo s p h e r e, a ffe c t e d by e n t i r o n me n t a nd i n n e r s t r e s s , wo ul d b e e n g e n d e r e d a g i n g p h e n
5、o me n a t h a t c r a c k s a n d r e i n f o r c i n g s t e e l b a r r u s t i n g Th e a g i n g d i s e a s e d e b a s e d me c h a n i c a l p e rfo r ma n c e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o l e s , t hu s i nfl u e n c e d t h e s a f e a n d s t e a d y fun c t i o n o f e l e
6、 c t r i c p o we r s y s t e m Th e a r t i c l e m a d e u s e o f t h r e e r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o l e s 。S t e s t , o p e n e d o u t me c h a n i c a l me c h a - n i s m, b r e a k a g e s h a p e, r e s i d u a l c a r r y i n g c a p a c i ty e t c Pr e d o mi n a t i n g m
7、e c h a n i c a l p e r f o rm a n c e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o l e s p o s s e s s g r e a t l y r e a l i s t i c s e n s e f o r the s a f e a n d s t e a d y fun c t i o n o f e l e c t r i c p o we r s y s t e m Ke y wor ds : r e i n f o r c e d c o n c r e t e ; c a r r y i
8、n g c a p a c i ty; c o r r o s i o n 0 引言 钢筋混凝土电杆普遍应用于0 4 2 2 0 k V电压等级的送电线 路和变电站室外构架中, 由于长期暴露在露天环境里, 受到风吹日 晒和环境水的浸蚀及各种外力和内应力的作用, 多会出现杆体的 横向、 纵向与网状裂缝及内部的钢筋锈蚀 , 电杆表面光滑的浆 面层 脱落, 露出砂浆及石子, 有时杆体还出现“ 出汗、 冒碱” 等现象口 1 。 以 上的老化病害现象都将会大大缩短电杆的使用寿命, 降低电杆结 构的力学性能 , 从而影响到电力系统的安全运行 。 因此 , 研究在役 钢筋混凝土电杆的承载能力对于准确掌握钢筋
9、混凝土电杆的力学 性能 , 保证电力系统安全稳定运行具有重大现实意义。 1 环形钢筋混凝土电杆承载能力理论计算 根据文献【 2 】 可知, 环形截面受弯构件的计算 , 可和矩形截 面构件按破损阶段计算时导出公式的原理一样 , 有如下假定: ( 1 ) 计算按破损 阶段考虑。 ( 2 ) 截面上的应力不按直线定律分布 。 ( 3 ) 不考虑受拉区混凝土的工作 , 受压区的混凝土按极限 强度考虑 。 ( 4 ) 在结构破坏时, 位于破坏区内的钢筋应力达到极限值 ( 屈服强度 ) 。 当满足 。 0 8时, 环形钢筋混凝土受弯构件破坏弯 收稿 日期:2 0 1 0 1 2 - 2 0 6 O 矩 的
10、计算见式( 1 ) 。 ( 咄 u + 2 F aO r r ) s in 耵 丽 F aO -r ( 1 ) z l十z 叮 式中: 帆破坏弯矩, k g c m; 混凝土面积 , c m2 ; R 混凝土的受弯抗压强度 , k g c m ; r 。 环形截面 内半径 , c m; r 2 环形截面外半径, c m; 钢筋总面积, c m ; o - 钢筋屈服强度, k g c r n 2 ; r a 钢筋形心所围圆环半径 , c m。 试验用的钢筋混凝土电杆外直径 4 0 c m, 内直径 3 0 c m, 混 凝土强度等级为 3 0 0 , 钢筋强度等级为尢 3 , 钢筋形心所在圆半
11、径为 1 6 9 c m, 共 1 6 + 1 2 , 钢筋屈服强度为 2 8 5 0 k g c m2 , 混凝土 受弯抗压强度 2 5 0 k g c m2 , 根据式( 1 ) 计算的受弯破坏弯矩为: 8 2 3 kN nl 。 根据现行 中华人 民共和 国电力行业标准 D L T 5 1 5 4 -2 0 0 2 架空送电线路杆塔结构设计技术规定 嘲 的规定, 受弯构件的 正截面受弯承载能力, 可按公式( 2 ) ( 4 ) 计算。 Ar l + r 2 ) A S l n T r o t + s l n T r o t t 1 r 1 T : ! A + 2 5 f A ( 2 )
12、( 3 ) t=1 1 5 a ( 4 ) 式中: 弯矩设计值, N。 m m; 0 位移 电杆 的内半径 , mm; r 1 电杆的外半径, mm; r s 纵向普通钢筋所在团的半径, r n m; 混凝土弯曲抗压强度设计值, MP a ; 受压区混凝土截面面积与全截面面积的比值; O t 受拉纵向钢筋 截面面积与全部纵 向截 面面积的 比 值 , 当 a 2 3时, 取 O t= 0 ; A混凝土截面面积 , mlT l 。 试验用的钢筋混凝土电杆外直径 4 0 0 mm, 内直径 3 0 0 ra i n , 混凝土强度等级为 3 0 0 , 换算成现在的混凝土强度等级为C 2 5 ,
13、钢筋强度等级为尢 3 , 换算成现在的钢筋强度等级为 Q 2 3 5 级, 钢筋 形心所在圆半径为 1 6 9 1T I I I I , 共 1 6 , I , 1 2 , 钢筋屈服强度为 2 3 5 MP a , 混凝土受弯抗压强度 1 3 5 MP a , 根据公式( 2 ) ( 4 ) 计算的设计 弯矩为 : 6 3 5 k N m。 2 试验概 况 通过 3根使用了近 5 0 年的电杆弯曲试验( 截面尺寸为外直 径 4 0 0 m m、 内直径 3 0 0 mm、 壁厚 5 0 m r n的空心截面 ) , 揭示 了 该类钢筋混凝土电杆的受力机理 、 破坏形态 、 承载能力等。 试验首
14、先是混凝土 电杆 的跨 中截面最上及最下位置 的各 两根钢筋处, 利用冲击钻将钢筋外表面混凝土保护层凿掉( 局 部) ; 然后利用砂轮机将钢筋表面磨平, 粘贴 2 m mx 3 ml n胶基 电阻应变片 , 以量测试验过程中钢筋的应变值及内力情况 。 试件杆长 4 2 m, 采取三分点分配梁加载 , 分配梁采取 强度 和刚度足够 的钢梁 , 由于混凝土 电杆 为圆形截面 , 在分配 梁的 两端采用半圆环做支座, 半圆环由特制的钢板焊接而成, 在混 凝土电杆的两个端头采用特制的滚动支座, 保证在试验过程中, 端头能 自由转动。 试验采用荷载控制的加载制度 , 分级加载 , 在混凝土开裂以 前,
15、以9 8 k N( 1 t ) 作为加载步长, 为了保证试件的充分变形, 每 一 加载步长的恒载时间保持在 5 1 0 mi n , 当荷载接近混凝土电 杆的开裂荷载时( 试验前估算值) , 加载步长变为 4 9 k N( 0 5 t ) , 此后按 4 9 k N 的步长加载一直加载直至试件破坏 。 为了保证能准确量测试验 中荷载 、 变形 、 内力分布 、 裂缝 开 展等重要数据。 在试验过程中布置了相应的传感仪器, 在液压千 斤顶下放置了荷载传感 器, 在电杆的跨 中及左右两个端头布置 了 3 个电子位移计 , 为了能测试电杆内钢筋的内力及应变 , 在跨 中位置粘贴钢筋应变片 , 上表面
16、 2片 , 下表面各 2 片 , 编号顺 序 为逆时针方向 l 4 ; 为 了测试混凝土的内力情况 , 在跨中右偏移 4 0 c m处 , 在混凝土电杆的后半圆周均匀等分布置 5片长标距混 凝土应变片 , 编号逆时针从上到下 l 5 ; 位移计编号 : 跨 中 l , 左 端头 0 , 右端头 2 , 具体见图 1 。 3 主要试验结果及分析 3 1 第一根 预载2次后, 正式开始试验。 应变片粘贴见图 2 。 破坏时最 大裂缝宽度见图3 。 主要荷载级别下的试件受力变化隋况见表 l 。 从试验的全过程和最终破坏形态看, 混凝土电杆的破坏首 先是受拉区混凝土开裂, 然后是受拉钢筋屈服, 接着是
17、受压钢 筋屈服 , 破坏的过程 中形成几条明显 的受拉主环向裂缝 延伸 到 I l I I l I 2 - l l 0 多 计 34 。 5 l 1 剖面 图 2 2 剖 颤图 ( 应力 片位置布 置图) ( 应力片位 置布置ff -t ) 图 1 加载装置图( 单位 : mm) 图 2 应变片粘贴 图 3 破坏时最大裂缝宽度 图 4钢筋锈蚀 表 1 主要荷载级别下试件受力变化情况 母线上部。 试件破坏时上部受压混凝土均没有出现纵向的水平 裂缝 , 没有出现受压 区混凝 土被 压碎 而破坏的迹象 , 从试验实 测的应变来看, 受压区混凝土也远没达到极限压应变值。 由试验的受力全过程看, 试件的
18、破坏没有出现受压碎现象, 故混凝土的损伤 主要是受托损伤 , 荷载与受拉裂缝宽度之间的 6l 关系如图 5 所示 。由图可见荷载与裂缝的发展呈现 3 个不 同的 阶段 , 4 9 k N( 截面弯矩 为 3 2 6 6 k N 1 T I ) 以前 为未裂阶段 , 4 9 k N ( 截面弯矩为 3 2 6 6 k N m) 至 l 3 7 2 k N( 截面弯矩为 9 1 4 4 k N m) 之间的线性阶段, 1 3 7 2 k N( 截面弯矩为 9 1 4 4 k N m) 以后为非 线性阶段。 暑 g 褪 荷 载 k N 图 5荷载与裂缝宽度关系 试件跨 中荷载一 挠度关 系曲线见 图
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