中空夹层钢管混凝土电杆适用性分析

2022-12-24王晓明闫风洁李辛庚

山东电力技术 2022年11期

王晓明，闫风洁，李辛庚

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南 250003）

0 引言

钢管杆是110 kV 及以下电压等级线路在城市、郊区等常用的电杆型式，其具有占地面积少、外形美观、维护方便等优点，一经推出便获得迅速推广［1］。但是其也存在用钢量大、成本高、壁厚大易撕裂等缺点［2］。夹层钢管混凝土电杆是在钢管凝土电杆基础上发展起来的新型电杆，其继承了钢管混凝土结构钢管壁薄、用钢量少、承载力大优点，通过去除芯部混凝土克服了质量大、运输施工困难的缺点［3］，在天湖—崇贤开口环入育苗220 kV输电线路等工程中开展了应用［4］。

学者们对中空夹层钢管混凝土结构的抗轴压性能［5-7］、抗弯性能［8-10］、抗震［11-13］、抗冲击［14-16］、抗循环载荷性能［17-18］、抗压弯等复杂应力作用下的性能［19-20］都进行了详细的研究，并根据研究数据编制T/CEC 185—2018《输电线路中空夹层钢管混凝土杆塔技术规范》［21］，但中空夹层钢管混凝土电杆与钢管杆间的性能差异，如强度、刚度、质量等均不明晰。这对于输配电线路工程中的电杆选型非常不便，也不利于中空夹层钢管混凝土电杆的推广使用。

针对该问题，以现有标准为基础，分别对刚度控制和强度控制条件下的钢管杆为基准，对比分析中空夹层钢管混凝土杆与钢管杆间的性能差异，以明确中空夹层钢管混凝土电杆的适用性。

1 基础条件

杆体是电杆的主要构成，分别对以钢管结构和中空夹层钢管混凝土结构构成的杆体为研究对象进行性能分析。中空夹层钢管混凝土结构是混凝土与钢管的复合结构（下文简称复合杆）。钢管杆和复合杆的截面型式如图1所示，其中t为钢管杆壁厚，D为钢管杆外径，ti为复合杆内钢管壁厚，to为复合杆外钢管壁厚，Do为复合杆外径，Di为复合杆内钢管外径。

图1 截面型式

电杆长度与线路的电压等级和回路数量有关，和电杆型式无关，即钢管杆与复合杆长度相同。对相同高度位置的钢管杆和复合杆的性能进行对比分析。

复合杆结构存在混凝土与钢材的配合，以轻质高强混凝土和不同屈服强度钢材为使用原料开展分析。轻质高强混凝土的轴心抗压强度为65 MPa，密度1.85 g/cm2；钢材材质包括：Q235、Q355、Q420、Q460和Q690。复合杆的设计依据T/CEC 185—2018《输电线路中空夹层钢管混凝土杆塔技术规范》，其参数包括径厚比、直径、空心率。为更清楚地了解规律性，复合杆的空心率和径厚比选择范围覆盖并小幅超过标准推荐范围，空心率为0.1～0.9，径厚比最大为限定值1.2倍。

钢管杆设计遵守DL/T 5130—2001《架空送电线路钢管杆设计技术规定》和GB/T 50017—2017《钢结构设计标准》规定。考虑Q355 强度相对较高，能够满足绝大部分钢管杆的使用，为简化分析，钢管杆材质选择Q355。决定钢管杆性能的关键参数有直径、径厚比，钢管的径厚比取标准中极限值。用复合杆和钢管外径比值作为对比两杆体的关联参数。

输电线路用电杆使用性能受占地面积（外径）、成本（用钢量）和施工方便性（质量）等因素的影响。

2 性能对比分析

电杆在服役过程中承受本体质量、导线及附件质量和拉力、风压、覆冰、地震等复杂载荷，电杆失效处常位于电杆杆体［22］。电杆在服役过程中应满足强度、刚度等的要求。由电杆在线路中承担悬垂、转角和耐张作用不同，电杆设计可分为强度控制和刚度控制两类。在强度控制条件下，电杆满足强度要求时，刚度即能满足要求；在刚度控制条件下，电杆满足刚度要求时，强度即能满足要求。考虑到复合杆在服役过程中承受载荷情况复杂、性能规律不明晰，从钢管分别处强度控制和刚度控制两种荷载条件的角度进行两种杆体性能的对比，分析复合杆的适用性，分别简称为强度控制和刚度控制。

2.1 强度控制条件下的性能对比

以钢管杆为基准，使复合杆与钢管杆强度等效。在此条件下，决定复合杆结构的参数可归结为外径和空心率两个变量。通过调整该两变量，对比复合杆和钢管杆的差异。

复合杆空心率的影响结果如图2 所示，复合杆的总质量较同承载力钢管杆质量增加。空心率在0.6～0.8 范围内，复合杆质量可增加0.5～3.0 倍；当钢材材质强度提高，复合杆质量增加量减少。用低强钢和高强钢时复合杆质量相差可达2 倍。另外，空心率越小，复合杆质量增加量越大。复合杆的用钢量较钢管杆用钢量均低。空心率在0.6～0.8 范围内，复合杆用钢量降低25%左右；空心率减小，复合杆用钢量减少更多。强度控制条件下，随空心率增大复合杆的总质量降低，用钢量却在增加，设计复合杆时应综合考虑杆体总质量和用钢量两者间关系。

图2 强度等效条件下空心率的影响（径厚比取限值）

复合杆外径的影响结果如图3 所示，复合杆质量均超过钢管杆质量，用高强钢的复合杆质量增加幅度相对较小，最大增加幅度为1.5 倍，用高强钢时的复合杆外径较钢管杆外径显著减小，约为后者的0.6 倍；用低强钢复合杆的质量增加幅度较大，最大可达5.5 倍，用低强钢的复合杆外径较大，Q235 钢的外径较钢管杆可扩大到1.2倍。复合杆的用钢量较钢管杆用钢量都有下降，用高强钢的复合杆用钢量下降幅度较用低强钢材的复合杆下降更为显著。

图3 强度等效条件下两杆外径比的影响（径厚比取限值）

由复合杆的质量分析可以明确：强度控制条件下复合杆质量超过钢管杆；在选择高强度钢材和合适空心率时，复合杆质量增加幅度较小；复合杆的用钢量较钢管杆可下降25%左右，复合杆的外径也明显减小。

强度控制条件下复合杆的整体质量和用钢量都随着钢材材质强度等级的提高而减小，外径降低，使用高强度钢材的复合杆优势更明显。选择Q690、Q460钢作为复合杆用钢材，径厚比在1.0～1.2倍限值范围内取值，分析与钢管杆承载力相同的复合杆性能。

选择Q690 钢计算得到的复合杆质量和用钢量如图4所示。由图4可知，空心率减小，复合杆质量提高，用钢量降低。空心率在不超过T/CEC 185—2018《输电线路中空夹层钢管混凝土杆塔技术规范》限值0.75 的情况下，复合杆的整体质量是钢管杆质量的1.25 倍以上，在空心率达0.6 时质量比也仅为1.5；用钢量相比钢管减少近25%。复合杆内外钢管的径厚比增加对于总质量和用钢量的影响都较小，径厚比采用保守值有利于保证复合杆的整体稳定性。

图4 复合杆用Q690钢参数变化规律

选择Q460 钢计算复合杆的总质量和用钢量结果如图5 所示。此时仍然存在空心率下降，复合杆总质量增加、用钢量减少的规律。但空心率小于0.75时，复合杆质量是钢管杆的1.75 倍及以上，高于用Q690 钢的复合杆质量，复合杆用钢量降低幅度在20%左右，也低于用Q690 钢的复合杆。径厚比增加，对复合杆的总质量影响较小，用钢量能进一步小幅度降低。

图5 复合杆用Q460钢参数变化规律

根据强度相等条件设计的复合杆与钢管杆刚度的比值如图6 所示。复合杆使用高强钢材时，其刚度相比钢管杆下降；使用低强度钢材时，其刚度较钢管杆要高。复合杆空心率提高时，其刚度降低。

图6 强度控制时复合杆与钢管杆刚度比（径厚比取限值）

强度控制条件下，复合杆选择高强钢材不仅可以降低用钢量、减小外径，总质量也较小。但是此时复合杆刚度可能相比钢管杆降低，需根据荷载不同导致杆体对刚度需求的改变，优选钢材强度、优化结构参数，使复合杆的承载力和刚度均满足使用要求。

2.2 刚度控制条件下的性能对比

以钢管杆为基准，使复合杆与钢管杆刚度等效。复合杆结构的参数仍归结为空心率和外径两个变量。调整该参数，分析复合杆和钢管杆的性能差异。

空心率的影响结果如图7 所示，复合杆的质量均在同刚度钢管杆质量的1.5倍以上。刚度控制条件下，复合杆不能降低整体质量，反而增加。在选择合适钢材和控制空心率条件下，复合杆的用钢量较钢管杆用钢量下降幅度巨大，采用复合杆的方式有利于降低用钢量。另一方面，钢材强度越高，复合杆用钢量反而越大，与强度控制条件下的情况相反。在钢管结构设计中，钢管壁厚与强度成反比关系，刚度控制条件下高强度钢材不仅不能提高刚度反而需要更大厚度，最终导致用钢量增大。

图7 刚度等效条件下空心率的影响（径厚比取限值）

空心率增加时，复合杆用钢量增大，甚至超过钢管杆质量，此时同样是复合杆钢管杆的径厚比限值决定了较大直径的内管壁厚不能降低，内管用钢量较大。

复合杆的总质量和用钢量两者随空心率变化趋势相反。复合杆设计时，应综合考虑两者关系。

复合杆外径的影响结果如图8 所示，复合杆质量均超过钢管杆。钢材强度高时用钢量达，钢材强度降低，用钢量下降量明显，这与图7 中规律相同。复合杆质量与用钢量随外径增加而变化的规律相反，即总质量随外径增加而增大时，用钢量下降；总质量下降时，用钢量增大。并且钢的强度改变时质量和用钢量的变化规律也发生变化。用高强度钢时，复合杆外径增加，质量增加，用钢量降低；用低强度钢时，外径增加，复合杆质量减小，用钢量提高。

图8 刚度等效条件下两杆外径比的影响（径厚比取限值）

由复合杆的质量分析可以明确：复合杆质量总是超过钢管杆，但是在设计合适时其用钢量相比钢管杆能够显著降低；复合杆中钢材强度越高，复合杆质量增加越显著，用钢量也大。高强度钢材不利于刚度控制的复合杆整体质量和用钢量的降低。

刚度控制条件下复合杆的整体质量和用钢量都随着钢材强度降低而减小，分析使用较低强度钢材的复合杆质量变化有助于确定较优指标。选择强度低的Q235、Q345 钢作为复合杆用钢材，径厚比在小幅度突破限值的1.0～1.2 倍限值范围内取值，分析与钢管杆刚度相同复合杆的质量特征。

选择Q235 钢计算得到的复合杆质量和用钢量如图9 所示。由图9 可知，空心率减小，复合杆质量提高，用钢量降低。空心率在不超过限值0.75 的情况下，复合杆的整体质量是钢管杆质量的2 倍以上，最高质量比值可以达到3；用钢量相比钢管杆减少20%以上，最多可以减少60%。此时复合杆内外钢管的径厚比增加对于总质量和用钢量的影响都较小。

图9 用Q235钢时复合杆总质量和用钢量变化规律

复合杆采用Q235 钢可以显著减少用钢量，参数选用合适时总质量增加可以控制在2.5倍以下。此时径厚比提高对质量和用钢量影响不明显，径厚比采用保守值有利于保证复合杆的整体稳定性。

用Q345 钢时，复合杆的质量和用钢量计算结果如图10 所示。此时空心率下降，复合杆质量增加、用钢量减少。且在空心率小于0.75时，复合杆质量仍然是钢管杆的2 倍及以上。但是，复合杆用钢量减少值较用Q235 时要小，只有空心率接近0.6 时，用钢量才能减少20%以上。此时径厚比增加，对复合杆的总质量影响较小，而对用钢量影响稍大。

图10 用Q345钢时复合杆总质量和用钢量变化规律

由上可知，用Q235 钢的复合杆质量可控制在钢管杆质量的2.5 倍以下、用钢量控制在钢管杆质量80%以下；用Q345 钢的复合杆用钢量控制在钢管质量80%以下，径厚比较限值放大1.1倍时总质量达钢管杆质量2.5倍，径厚比取限值时总质量为钢管杆质量2.6倍。刚度控制条件下复合杆的直径约为钢管杆外径的0.9倍，在减小杆体体积和施工难度方面有一定优势。

以刚度控制为前提设计的复合杆，其承载力与所用钢材强度有很大关系。根据刚度相等条件设计的复合杆与钢管杆承载力的比值如图11 所示。复合杆用低强度钢时，其承载力总是小于该设计条件下的钢管杆。提高钢材强度，复合杆的刚度快速提升，且相比钢管杆有较大裕量，复合杆承受突发载荷的能力更强。复合杆的承载力随着空心率的增加而逐渐提高，这与该设计条件下空心率提高复合杆的外径增大有关。