某地区环形混凝土电杆断裂分析

熊 宇，潘 星，丰波涛，田 泽

（1.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

环形混凝土电杆为用混凝土和钢筋或钢丝制成的电杆，近些年逐步取代木制电杆，成为线路的主要支撑件，与架空导线［1-3］、横担［4］、绝缘子［5］、金具［6］等使导线对地面和其他交叉跨越物保持足够安全距离的重要作用［7］。按材质不同，电杆分为金属电杆（简称“钢管杆”）［8-10］和环形混凝土电杆（以下简称“电杆”）两种，常用于10 kV 和35 kV 的输电线路［10-14］中。根据制作工艺和钢筋原材料［15］的配比，电杆可分为钢筋混凝土电杆、预应力混凝土电杆和部分预应力混凝土电杆；按外形可分为锥形杆和等径杆。近年来，随着农村电网改造和移动通讯设施建设的推进［16］，电杆的生产和应用得到迅猛发展，而绝大多数生产厂家规模较小，设备简陋，工艺不完善，导致电杆质量问题频出。电杆的主要问题为原材料、工艺控制和包装运输等［17］，不合格的电杆投入使用后若失效，会造成局部范围非计划停电，对人民的生产生活带来不必要的麻烦，所以应加强电杆的生产质量监督［18］，防止劣质产品流入电网。

2022 年2 月，湖北省多个地区发生了不同程度的降雪，受恶劣天气的影响［19-20］国网某供电公司1998年至2000 年第一批农网改造项目的电杆发生了不同程度的断裂、倒杆情况［21］。国网某供电公司物资供应中心现场抽取了4 根断裂后的电杆送至指定场地进行检测、分析，断裂的4 根电杆属于标准中规定的预应力混凝土电杆，形状为锥型杆，因工程改造时间相对久远无法提供型号、规格，电杆已经断裂，无法进行力学性能试验，本次分析从电杆外观质量、钢筋骨架分布、保护层厚度、混凝土强度、混凝土碳化层深度［22］、钢筋抗拉强度等方面进行试验和分析，从各项试验数据和分析结果可知，混凝土电杆存在以下质量问题：第一，生产时未按标准尺寸配置螺旋筋；第二，离心过程中因工艺控制不当导致钢筋偏心；第三，混凝土与钢筋骨架结合不牢固；第四，保护层厚度不满足要求，没有起到保护作用导致电杆强度降低；第五，钢筋原材料的钢材抗拉强度不合格，预应力钢筋未完全张拉至标准要求所需的强度。该批混凝土电杆的断裂主要由于以上质量问题，并遇到恶劣气候环境而导致［23］。本文的分析过程与结果仅供生产厂家和使用单位提供经验参考。

1 外观质量检测与分析

分析前，将4根电杆依次编号为1号-4号，外观质量检测发现断裂部位均位于电杆下半段，根据表1 中的剩余长度可知1号、2号、4号断裂部位大致位于埋深线附近，3号电杆断裂部位位于中部，如图1所示。1号电杆混凝土外观完整，无漏浆，表面未发现纵向裂缝；2号电杆表面漏浆，多处表面水泥浆流失，露出砂石，合缝处有纵向裂缝；3 号电杆表面混凝土完整，内部露筋；4 号电杆表面蜂窝、漏浆，有纵向裂缝［24］。由于运行时间长达20 多年，4 根电杆均有不同程度的外观质量缺陷，由于电杆已断裂，故不对其裂纹进行评判，如表1所示。

2 钢筋骨架检查

将4 根电杆沿横向切开后对其钢筋骨架进行检测，检测结果如表2所示，通过检测发现1号电杆纵向受力钢筋为螺旋肋钢筋，2 号、3 号、4 号均为光圆冷拉钢丝，根据《GB 4623-94 环形预应力混凝土电杆》附录A中A4.a条钢筋根数的要求，梢径小于等于150 mm的锥型杆不少于6 根，A5 条规定主筋净距不宜小于30 mm，A9、A10条规定整根锥形杆在其长度范围内均应配置螺旋钢筋，当梢径小于190 mm的锥形杆螺旋筋的直径不应小于2.5 mm。根据表2 可知，1 号-4 号电杆纵向受力钢筋规格、数量均符合标准要求，除了1号电杆有布置螺旋筋外，其余3根均未布置螺旋筋，不符合要求。

表2 钢筋骨架尺寸检查及标准要求Table 2 Dimension inspection and standard requirements of steel skeleton

螺旋筋、架力圈与纵向受力钢筋共同组成电杆的钢筋骨架，螺旋筋的作用是固定纵向受力钢筋的位置，减小电杆离心时纵向受力钢筋的位移，提高电杆内外壁保护层厚度的均匀性，确保埋深线以下的纵向钢筋受力均匀，避免因骨架受力不均而降低骨架的刚度；由于混凝土容易因为温度变化产生收缩，通体的螺旋筋能够减少电杆混凝土收缩裂纹的出现，提高电杆的使用寿命；螺旋筋与纵筋的组合能够使电杆在受力过程中将所受力分散到整个骨架和管状混凝土桶中，提高电杆的承载力。本次检测的4 根电杆中2 号-4 号电杆均未设置螺旋筋，无螺旋筋会导致电杆混凝土结构承受更大的内应力［25］，造成混凝土结构容易开裂，也容易使钢筋骨架结构不稳定，从而影响电杆的整体强度。

3 保护层厚度检查与分析

将4根电杆切割后分别从中部和尾部的端面对保护层和壁厚进行测量，测量值如表3 所示。根据《GB 4623-94 环形预应力混凝土电杆》第5.4.1 保护层厚度中规定预应力钢筋直径为小于等于6 mm时，保护层厚度不得小于12 mm。从表3可知，1号-4号电杆最小保护层厚度均小于12 mm，不符合标准要求。从电杆的壁厚检测结果可见，壁厚大于纵向受力钢筋直径（5 mm或6 mm）+内外壁最小要求保护层厚度（12 mm×2），因此，4根电杆的壁厚可以满足保护层厚度的要求，但检查发现，4根电杆的保护层厚度在截面范围内不均匀［26］，如图2所示，究其原因是，电杆在离心时，无螺旋筋固定的钢筋骨架发生变形，导致保护层厚度不均匀（在360°范围内不均匀，内外壁保护层厚度也不均匀）。

图2 1号-4号电杆端面宏观纵向钢筋和混凝土偏心Fig.2 Macro longitudinal reinforcement and concrete eccentricity of No.1-No.4 electric pole

表3 电杆切割后各段最小保护层和壁厚测量值Table 3 Measured values of minimum protective layer and wall thickness of each section after pole cutting

4 混凝土强度及碳化层深度检测与分析

现场对4根电杆的混凝土抗压强度采用回弹法进行检测［27］，对碳化层深度采用原位检测方法进行，混凝土抗压强度和碳化层深度检测结果如表4所示。

表4 混凝土强度和碳化层深度检测结果Table 4 Test results of concrete strength and carbonation layer depth

根据《GB 4623-94 环形预应力混凝土电杆》5.3条规定，预应力电杆离心混凝土的设计强度等级不宜低于C50 级，出厂时应不低于设计的混凝土强度等级的80%，2号、4号电杆目前混凝土强度已低于标准值。

2号、4号电杆碳化层深度已经大于其实测最小保护层厚度，混凝土碳化后将从碱性变为中性，失去对钢筋的防腐作用，导致钢筋腐蚀，而对钢筋的外观检查发现部分钢筋已发生腐蚀。

5 钢筋拉伸试验与分析

将每根电杆的混凝土敲碎后取3段未腐蚀的纵向受力钢筋进行拉伸试验，拉伸试验数据和标准要求如表5所示。由表5可见，4根电杆的纵向受力钢筋抗拉强度均低于标准要求，导致钢筋抗拉强度不合格的原因包括预应力钢丝张拉不到位［28］，和钢丝原材料不合格。

表5 钢筋拉伸试验结果Table 5 Tensile test results of reinforcement

6 结论

4 根电杆中除了1 号电杆的钢筋骨架符合标准要求外，其余3根均未设置螺旋筋，无螺旋筋会导致电杆混凝土结构承受更大的内应力，造成混凝土结构容易开裂，也容易使钢筋骨架结构不稳定，从而影响电杆的整体强度。

4 根电杆的保护层厚度不满足要求，所测得的混凝土的碳化层深度超过最小保护层厚度，已失去了对钢筋的防腐作用。

4根电杆的纵向受力钢筋抗拉强度均低于标准要求，电杆在弯曲时，电杆一侧的混凝土受压应力、另一侧的钢筋受拉应力，因此电杆的抗弯能力是由混凝土的抗压强度和钢筋的抗拉强度共同提供的，当钢筋抗拉强度不足时，将影响电杆的整体抗弯能力。

综上所述，以上电杆存在偷工减料和制作工艺不当等问题，导致电杆多项技术指标不满足标准要求，同时，在恶劣天气影响下，电杆无法承受外部载荷导致断裂。

7 结语

针对生产企业，应加强原材料的进场检验和生产工艺的控制，在运输过程中，特别是装卸起吊时要轻拿轻放，并使用两点式吊杆，严禁卸车时暴力摔卸电杆［29］。

对于安装单位，应严格按照相应的施工验收标准要求进行安装，保证基础的牢固性和电杆的埋深满足要求，杜绝野蛮施工。

对于使用单位，应加强电杆的抽样检验，在抽样过程中应保证样品的随机性［30］，同时，可制定不同型号电杆的钢筋骨架标准化图纸，将其列入招标文件中，进一步减少可能导致电杆质量参差不齐的因素。