高承載力環(huán)形部分預應力混凝土電桿的應用

王高益

（海南電力設計研究院，海南 海口 570203）

為了深入貫徹落實科學發(fā)展觀和《中華人民共和國科學技術進步法》，推動混凝土與水泥制品行業(yè)的技術進步，鼓勵技術創(chuàng)新，充分發(fā)揮科學技術是第一生產力的作用，促進循環(huán)經濟建設，建設兩型社會，實現(xiàn)經濟社會和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，我國發(fā)布了由中國混凝土與水泥制品協(xié)會制定的《混凝土與水泥制品行業(yè)技術進步指南（2009）》（以下簡稱《指南》）。

《指南》中強調，要以市場為導向，重點發(fā)展高（高強、高工壓、高耐久性）、大（大口徑、大規(guī)格、大彎矩）、新（新型建材及制品）、特（特殊功能、特殊用途、特殊規(guī)格）的水泥制品，如預應力高強混凝土管樁、異型樁、大規(guī)格超長管樁，大梢徑、大彎矩混凝土電桿（即高承載力環(huán)形部分預應力混凝土電桿）。本文圍繞高承載力環(huán)形部分預應力混凝土電桿在35耀220 kV架空輸電和10 kV配電線路上的應用來展開。

1 我國水泥電桿的發(fā)展歷程

我國輸電線路桿塔的發(fā)展，從木質電桿到水泥電桿，再到鋼結構桿塔，已經有了100多年的歷史，其中，從1924年我國生產出第1根方形實心水泥電桿至今，我國水泥電桿也有近90年的歷史，其發(fā)展歷程如表1所示。

表1 我國水泥電桿的發(fā)展歷程

從表1可以看出，1924年至1964年，我國水泥電桿得到了快速的發(fā)展。1964年到2003年，我國水泥電桿的發(fā)展幾乎處于停滯階段，在此期間，很多學者都認為水泥電桿已經發(fā)展到了盡頭，不可能再有大的發(fā)展了，而且很快就會被鋼結構桿塔所淘汰。隨著高承力環(huán)形部分預應力混凝土電桿的出現(xiàn)、推廣及使用，可以肯定在今后相當長的一個時期內，在35耀220 kV架空輸電和10 kV配電線路上，以及受走廊限制的城市電網中，水泥電桿不但不會被鋼結構桿塔所淘汰，相反，還會取代相當一部分鋼結構桿塔[1]。

從1964年到2003年近40年，在我國水泥電桿的發(fā)展幾乎處于停滯階段，綜合分析主要有以下幾個因素:

1）我國低水平的基礎工業(yè)。水泥電桿的發(fā)展很大程度上依賴于水泥工業(yè)和鋼鐵工業(yè)，改革開放以前，落后的水泥工業(yè)和鋼鐵工業(yè)制約了水泥電桿的發(fā)展。

2）電力工業(yè)發(fā)展停滯不前。改革開放前期，我國高壓輸電線路以10 kV、35 kV和66 kV輸電線路為主，這些等級的輸電線路對線路器材的要求相對較低，用現(xiàn)有普通水泥電桿就可滿足要求。

3）我國低等級的公路和落后的車輛運輸。水泥電桿從制造工廠到使用工地，中間有一個運輸過程，而且絕大多數(shù)都是公路運輸。前些年，由于我國的公路等級低，運輸車輛的貨卡長度短，難以運輸10 m以上的水泥電桿。

4）國標的束縛。所有生產電桿的廠家，都是按照國標GB/T 4623-2006的標準來生產電桿，比如：梢徑190 mm長15 m的水泥電桿，在國標中有F、G、H、I、J 5個級別，而作為最高級別J級的電桿開裂彎矩僅為42.88 kN·m。

2 高承載力環(huán)形部分預應力混凝土電桿的構造原理和結構要求

2.1 高承載力環(huán)形部分預應力混凝土電桿的產生

近幾年，隨著國民經濟和電力的快速發(fā)展，高承載力環(huán)形部分預應力混凝土電桿在35耀220 kV和10 kV配電線路上的使用越來越多，其產生主要歸結于以下幾個因素:

1）我國改革開放30多年，基礎工業(yè)取得了翻天覆地的變化，水泥工業(yè)和鋼鐵工業(yè)有了較大的發(fā)展，特別是高標號的水泥及其各種添加劑，如減水劑、減氣劑，水泥纖維的應用，高強度鋼筋的出現(xiàn)，為水泥電桿的發(fā)展提供了基礎條件。

2）隨著國民經濟的迅速發(fā)展，電力需求越來越大，對電網建設的要求越來越高，輸配電線路向大線徑、大檔距、多回路發(fā)展；原國標電桿已不能滿足10 kV架空輸配電線路的設計要求，為了保證線路設計的合理、安全，降低采用鋼結構塔替代而增加的投資，這就對電桿技術性能提出新穎的、更高標準的要求。

3）近幾年人們的觀念發(fā)生了很大的變化，開始意識到土地資源的匱乏，普通水泥和等徑預應力混凝土電桿因其開裂彎距有限，在許多情況下，等徑預應力混凝土電桿需要打拉線來滿足力學要求，而打拉線會占用大面積的土地，為節(jié)約土地資源，需要能承受更大彎距的電桿出現(xiàn)[2]。

2.2 高承載力環(huán)形部分預應力混凝土電桿的概念

部分預應力混凝土電桿是相對于“全”預應力混凝土電桿而言的。全預應力混凝土電桿施加預壓力的程度，是以結構在標準荷載下，電桿受拉區(qū)邊緣不出現(xiàn)拉應力[3]；部分預應力混凝土電桿則允許電桿產生拉應力或允許構件出現(xiàn)有限制的細小裂縫。我國預應力混凝土根據結構對抗裂性能的要求，分為嚴格要求不出現(xiàn)裂縫、一般要求不出現(xiàn)裂縫和允許出現(xiàn)裂縫三級?，F(xiàn)行國家標準GB/T 4623-2006將電桿分為有限預應力混凝土電桿和部分預應力混凝土電桿，規(guī)定有限預應力混凝土電桿在標準荷載100%時，不得出現(xiàn)裂縫，即抗裂檢驗系數(shù)允許值大于1.0；部分預應力混凝土電桿在標準荷載80%時，不得出現(xiàn)裂縫，即抗裂檢驗系數(shù)允許值>0.8，在100%標準荷載作用下，裂縫寬度<0.1 mm?，F(xiàn)行預應力混凝土電桿國家標準規(guī)定的有限應力混凝土電桿相當于二級，部分預應力混凝土電桿相當于三級。二級是標準荷載下混凝土電桿抗拉強度的極限狀態(tài)，三級是80%標準荷載下混凝土電桿抗拉強度的極限狀態(tài)[4]。

2.3 高承載力環(huán)形部分預應力混凝土電桿的設計原則

錐形電桿是一種變截面構件，錐度一般為1/75，頂部和根部的直徑和截面積相差較大，這主要是由電桿的受力特點決定的。這種電桿的配筋，可以用部分通長的預應力鋼筋，另外根據設計彎矩要求在根部段布置一定長度的非預應力鋼筋骨架，從根部到頂部逐段抽筋，以此來滿足部分預應力混凝土電桿的抗裂要求，同時又能達到桿段所需要的強度要求。桿段的截面積、配筋率、承載能力從頂部向根部逐步增加，與外力對電桿所產生的彎矩大小保持一致，從而做到省材、性能好、結構合理。

2.4 高承載力環(huán)形部分預應力混凝土電桿的材料

預應力主筋采用熱處理鋼筋40Si2Mn，強度標準值為1 470 N/mm2，或消除應力螺旋筋鋼絲，強度標準值為1 570 N/mm2，執(zhí)行標準為GB/T 5223-2002《預應力混凝土用鋼絲》。

非預應力主筋采用HRB 335（20MnSi）或HRB 400（20MnSiV），其強度標準值為335 N/mm2和400 N/mm2，執(zhí)行標準為GB 1499-1998《鋼筋混凝土用熱軋帶鋼筋》。

混凝土強度等級不低于C60，采用42.5級及以上普通硅酸鹽水泥。

3 高承載力環(huán)形部分預應力混凝土電桿的性能特點

高承載力環(huán)形部分預應力混凝土電桿作為一種新型桿塔結構型式，與普通混凝土電桿和鋼結構桿塔相比，在許多方面存在著明顯的優(yōu)勢，具體如下。

3.1 與普通混凝土電桿相比的優(yōu)點

1）承載力明顯提高，優(yōu)化結構設計，采用先進的生產工藝，使其承載力比普通混凝土電桿提高3耀5倍，滿足大線徑、大檔距、多回路輸電線路的設計要求。

2）在鋼筋配置上，選用優(yōu)質碳素鋼絲與II級鋼進行優(yōu)化組合配置，充分發(fā)揮不同材料的力學性能，使其更加合理。

3）兼有預應力混凝土電桿與普通混凝土電桿2種結構的優(yōu)越性，使其具有較好的韌性和抗裂性，更好地將裂縫、變形及破壞控制在使用條件下，結構安全可靠[5]。

4）改進混凝土配合比，摻入特殊外加劑及活性材料，提高混凝土強度等級，大大提高了產品抗腐蝕性和耐久性，延長產品的使用壽命。

3.2 與鋼結構桿塔相比的優(yōu)點

1）造價低。比相同承載力的鋼結構桿塔造價要低30%以上，如果是直線桿替換鐵塔的話，則可降低造價40%以上（含基礎、安裝、維護費用）。

2）使用壽命長。比鋼結構桿塔延長使用壽命15年左右。

3）免打拉線，節(jié)約占地補償費。高承載力電桿比鋼結構桿塔占地補償費要少3倍以上。

4）安裝簡捷、方便，大大縮短施工工期。

5）美化城市，無需日常維護費用，避免鋼結構桿塔因時間長而生銹所導致的影響市容或增加維護費用的情況。

4 結語

隨著國民經濟的迅速發(fā)展，電力需求越來越大，對電網建設的要求越來越高，兩大電網公司正積極開展“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型，新技術、新材料、新工藝”輸電線路建設，作為“兩型三新”電網建設的最好體現(xiàn)，高承載力環(huán)形部分預應力混凝土電桿在輸電線路上的適應范圍將越來越廣，它將取代相當一部分的鋼結構桿塔而成為一種主流線路器材，也必將產生顯著的經濟效益和社會效益。

[1]張殿生.電力工程高壓送電線路設計手冊[M].2版.北京：中國電力出版社，2003.

[2]陳偉信，陶春鳳.15 m高強度環(huán)形部分預應力混凝土電桿的研制與開發(fā)[J].混凝土世界,2009（11）：56-59.

[3]方強.高強度環(huán)形部分預應力混凝土電桿的設計[J].電力建設,1999（5）：29-32.

[4]陳偉信,王小蕓,林前.高強度環(huán)形部分預應力混凝土電桿的研制[J].上海電力,2007（4）：417-419.

[5]中國建設材料工業(yè)協(xié)會.GB/T 4623-2006環(huán)形混凝土電桿[S].北京：中國標準出版社，2006.