高强度内法兰连接钢棒电杆的应用

法兰连接钢棒部分预应力混凝土电杆的应用及技术优势

乌兰察布市集宁区利元水泥制品有限公司

杨立新 刘学旺 王波

随着我国经济的快速增长，城乡电网的建设发展也在发生着很大变化。由于用电区域集中，用电量大，线路走廊紧张，征地赔付额大幅度上涨等具体问题的普遍存在，现在的线路设计中很自然的采用加大导线截面积，采用多回路送电，提高电杆的强度等级，增加电杆高度的设计方法。以往在电力线路工程中经常使用的环形预应力混凝土电杆和环形钢筋混凝土电杆由于自身存在结构上的问题：预应力混凝土电杆加工生产简单，抗裂能力强，价格便宜，要想提高承载力，只能通长配置预应力钢丝，不仅浪费小头端钢丝，而且会产生很大的预压应力，在结构和生产工艺上都存在很多不利，脆性大且易出现纵向裂缝；钢筋混凝土电杆虽然可以通过阶段配筋以增加钢筋用量和扩大截面尺寸来提高电杆承载力，但抗裂能力差，用钢量大，装卸、施工等环节损耗大，价格高。特别在城市中，由于地面十分有限，输电线路的容量自身需要随城市规模的发展而扩大，同时作为一种载体也常常为通信电缆，通信光缆，有线电视电缆等所共用，又要兼顾城市绿化带到导线间的安全距离，这就要求电杆具有更大的承载力，更大的高度，抗裂性要好，可靠性高的性能。因此原有的电杆设计生产方式已经不能适应和满足现在的设计需求。借鉴国内外经验，经过结构分析计算和大量的试验、实践工作，我公司研制出法兰连接钢棒部分预应力高承载力混凝土电杆，可以很好的满足目前电杆设计要求。

一．采用部分预应力结构设计电杆的必要性：

普通钢筋达到屈服强度时拉应变很大，约在2×10-3以上，而混凝土的极限拉应变仅为（0.1—0.15）×10-3，二者相差13—20倍。所以，对使用时不允许开裂的混凝土构件，受拉钢筋的应力仅能使用到20—30Mpa，为钢筋设计强度的10%左右，因此单纯依靠增加普通钢筋数量来解决抗裂问题意义不大，但是，如果对混凝土施加预压应力即可

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有效解决抗裂问题。在反映电杆力学性能的抗裂、裂缝宽度、承载力检验弯矩和挠度四个指标中，从材料及力学角度考虑，在混凝土具有一定强度的基础上，预应力钢丝对解决电杆抗裂，控制挠度比较有效，普通钢筋和高强度混凝土对解决电杆承载力，控制裂缝宽度比较有效。据有关资料介绍，混凝土、预应力钢筋、非预应力钢筋三者承载能力之比为81：11：8 ，显然电杆的结构强度主要依靠混凝土（包括混凝土强度和电杆横截面积），对预应力电杆而言，通过采用增加预应力钢筋来提高电杆承载能力的方法不及用增加非预应力钢筋更为有效和实用，而且过大的预压应力在电杆受压区对混凝土是不利的；同时，非预应力钢筋可以根据电杆受力情况分段配置，有利于节约钢材。但对于电杆的抗裂性能来说，三者抗裂能力之比为36：62：2 ，预应力钢筋的作用是主要的。锥形杆从小头到根部混凝土截面在不断增加，其承载能力也在增加，与电杆的弯矩变化基本一致。在配筋上利用预应力钢丝全长配置，非预应力钢筋阶梯配置，弯矩大处多配筋，小处少配，不至于使钢筋过密，影响混凝土布料，使材料性能得到充分发挥，同时配置的预应力钢丝数量主要以保证电杆的抗裂性为主，也可以发挥高强钢筋的作用。这样可降低预应力钢筋对电杆二端头的过大的预压应力，能够减轻或解决预应力混凝土杆纵向裂纹问题。采用部分预应力结构设计的电杆同钢筋混凝土电杆相比，虽然总用钢量减少，材料成本降低，却可以大幅度提高电杆的承载能力，减小电杆挠度，有效控制装卸、搬运中的电杆裂纹问题。因此，用预应力钢丝来保证电杆的抗裂性，用非预应力钢筋提高电杆的承载能力这种结构设计方法在理论及实际中均是科学合理的。

二． 部分预应力混凝土电杆的特点及其优越性： 我国预应力混凝土根据结构对抗裂性能的要求，分为严格要求不出现裂缝、一般要求不出现裂缝和允许出现裂缝三级。现行国家标准GB/T 4623-2006将电杆分为钢筋混凝土电杆、有限预应力混凝土电杆和部分预应力混凝土电杆，规定有限预应力混凝土电杆在标准荷载100%时，不得出现裂缝，即抗裂检验系数允许值大于1.0 ；部分预应力混凝土电杆在标准荷载80%时，不得出现裂缝，即抗裂检验系数允许值>0.8，在100%标准荷载作用下，裂缝宽度<0.1 mm。现行混凝土电杆国家标准规定的有限应力混凝土电杆相当于二级，部分预应力混凝土电杆相当于三级。二级是标准荷载下混凝土电杆抗拉强度的极限状态，三级是80%标准荷载下混凝土电杆抗拉强度的极限状态。部分预应力混凝土电杆是由经张拉

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的预应力高强钢丝（钢棒），热轧带肋钢筋，混凝土及其它材料组成的一种混合配筋的钢筋混凝土结构，通过合理的钢筋配置，它克服了预应力混凝土电杆脆性大、承载力小，钢筋混凝土电杆抗裂能力差的缺点，而吸收了预应力混凝土电杆抗裂能力强，钢筋混凝土电杆承载力大的优点。在结构上配置预应力高强钢丝（钢棒）用来保证电杆的抗裂性，其施加的预压应力可以有效减小钢筋混凝土电杆的挠度及变形，通过调整普通钢筋的规格、数量、长度来达到所要求的电杆承载力，从而使其具有抗裂性能良好，承载力高，使用寿命长及好的抗冲击韧性。

三．部分预应力混凝土电杆的材料选择及结构设计要求：

环形部分预应力混凝土电杆选用材料为：预应力主筋采用热处理钢筋40Si2Mn，强度标准值为1 470 MPa，或消除应力螺旋肋钢丝，强度标准值为1 570 MPa，执行标准为GB/T 5223-2002《预应力混凝土用钢丝》，或者GB/T5223.3《预应力混凝土用钢棒》。非预应力主筋采用HRB 335(20MnSi)或HRB400(20MnSiV)，其强度标准值为335 MPa和400 MPa ，执行标准为GB 1499-1998《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》。混凝土强度等级不低于C60，采用42.5级及以上普通硅酸盐水泥。国家发布实施新的《混凝土结构设计规范》标准，要求在工程中优先采用400 MPa及500 MPa高强钢筋，可以采用335 MPa的Ⅱ级钢筋，取消235MPa的Ⅰ级钢筋。2012年工信部就《钢铁行业生产经营规范条件》明确提出，2013年起我国钢铁企业严禁生产Ⅰ级钢筋、Ⅱ级螺纹钢筋等属于落后产能的产品。目前处于过度时期，因此电杆生产厂家应尽可能使用HRB400，强度比HRB335可提高20%，同时伸长率较低，使用中对保证电杆的强度和提高电杆刚度，减小挠度有效。HRB400表面有月牙肋，试验表明，光园钢筋与混凝土的粘结强度为1.5—3.5Mpa , 螺纹钢为2.5—6.0Mpa, 粘结强度随混凝土强度的提高而增大，一般能提高2—3倍，这样就保证了电杆各材料间的整体工作性能，特别是在荷载大且变化频繁， 温差变化大的地区更应优先选用螺纹钢。设计时应综合考虑设计承载能力，钢筋间距，骨架成型，混和料浇注等具体问题，尽可能保证钢筋分布均匀；同一种杆型，应确定最合适的预应力钢筋配筋量，尽可能使预应力钢筋直径、根数保持不变，以减少锚具、张拉机具种类，降低投资也防止生

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产中用乱。非预应力钢筋根据计算配置合理的直径和数量，尽可能采用间隔配筋。混凝土应按照国标要求，最低配制C50混凝土，尽量使用C60以上混凝土，并采取合理的养护制度保证脱模强度达到C35以上，防止采用截面较大的预应力钢筋时由于单根钢棒拉应力过大而产生握裹力不足的现象。

四. 混凝土电杆的产品设计选型及连接形式的确定：

我国电杆国标在分类上给出了钢筋混凝土电杆、预应力混凝土电杆、部分预应力混凝土电杆三种结构形式。根据三种结构形式电杆的特点，综合考虑可靠性、适应性、先进性、经济性方面因素，一般的设计选型方法为：在10kv及以下低压线路，农村电力线路，设计荷载较低，电杆高度15m J级以下电杆时，应以使用预应力混凝土电杆为主，钢筋混凝土电杆为辅；但在15m J级以上整根杆中，由于载荷大，长度高，自重大，装卸运输不便，施工环境条件限制等情况下，有一个环节不注意就容易出现环向裂缝，对整根杆，190-15m J级以上杆应按部分预应力混凝土电杆设计选型；35kv—110kv中等荷载等级电杆宜按钢筋混凝土电杆设计选型；高承载力等级电杆应该按部分预应力混凝土电杆设计。电杆之间的连接，从生产加工难度、质量保证、施工方便程度、产品经济性几方面考虑，根据施工条件可以采用钢圈焊接方式或内外法兰连接。

五．高承载力内法兰连接高强度钢棒混凝土电杆的规格型号及特点。 按照技术创新、安全可靠、先进适用、经济合理、节约资源的原则，我公司采用预应力主筋标准强度为1 570MPa的螺旋肋钢丝，非预应力主筋标准强度为HRB400钢筋，研制了法兰连接高承载力部分预应力混凝土电杆，设计生产的六种典型产品有：

1. φ190/390×15m，标准检验弯矩90kN.m，整根生产，电杆结构配筋为：12φs8+1214，C60混凝土。适用于目前使用量较大的风速30m/s，水平档距60—80m的单回LGJ-185/25以及单回10kv LJ-240带低压LJ-185的直线杆线路上。

2. φ230/470×18m，标准检验弯矩150kN.m，采用内小法兰连接，

电杆结构配筋为：上段：φ230/350-9m-12φs8+12φ16；下段：φ350/470-9m-14φs8+14φ16， C60混凝土。适用于风速30m/s，水平档距100m的单回LGJ-240/30、水平档距55m的三 回10kv JKLYJ-240/30直

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线杆线路上及双回JKLYJ-185/30耐张杆。

3. φ230/510×21m，标准检验弯矩230kN.m，直埋施工或根部带法兰，基础按设计要求，杆段三段组装时采用外法兰连接或钢板圈焊接连接，电杆结构配筋为：上段：φ230/350-9m-12φs9+1218；中段：φ350/430-6m-14φs9+1418；下段：φ430/510-6m- 16φs9+1618。壁厚65mm，C60混凝土。适用于35kv、110kv水平档距100m的单回LGJ-240/30直线杆或根据设计确定。

4. φ270/550×24m，标准检验弯矩356kN.m，根部带法兰，基础按设计要求。杆段采用外法兰连接或钢板圈焊接连接，电杆结构配筋为：上段：φ270/390-9m-14φs9+1416，壁厚60mm；中段：φ390/510-9m- 16φs9+1818，壁厚65mm；下段：φ510/630-6m- 18φs9+2218，壁厚70mm，C70混凝土。适用于110kv及以下单回50-200转角杆或根据设计确定。

5. φ350/590×18m，标准检验弯矩300kN.m，采用外法兰连接生产或钢板圈焊接连接，电杆结构配筋为：上段：φ350/470-9m- 16φs9+1616，壁厚65mm；下段：φ470/590-9m-18φs9+1818，壁厚75mm；C70混凝土，可采用杯型基础。适用于10kv单回路JKLYJ-240/30耐张杆及终端杆，JKLYJ-240/30单回路750以下转角杆。

6. φ390/630×18m，标准检验弯矩410kN.m，采用外法兰连接生产，电杆结构配筋为：上段：φ390/510-9m- 20φs9+20φ16，壁厚70mm；下段：φ510/630-9m-20φs9+22φ18，壁厚80mm，C70混凝土，采用杯型基础。适用于10kv 三回路JKLYJ-240/55直线杆，双回路JKLYJ-240/30耐张杆及终端杆，JKLYJ-240/55单回路300转角杆，LGJ-150/20双回路600以下转角杆。

根据工程需要，通过调整配筋，可生产其它荷载等级及规格的产品。 六．产品的主要特点及技术优势：

1．结构设计合理：抗裂性能良好，具有高承载力及良好的抗冲击韧性，现场损失率低。扩大了电杆使用范围，可应用于380v--220 kV配电线路及架空输电线路上，代替部分钢管塔和铁塔使用。

2. 造价低：比相同承载力的钢结构杆塔造价要低30%以上，如果是直线杆替换铁塔，则可降低造价40%以上(含基础、安装、维护费用)。

3. 工艺上采取了预应力镦头用螺栓、螺母加强锚固措施，或者挂筋环制作成整体锚固钢圈，避免了预应力筋回缩可能；预应力钢筋镦头在离心成型时直接包裹混凝土中，实现永久保护，防止镦头生锈或碰撞脱

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落，提高了安全可靠性。

4. 免打拉线，不影响交通，占地面积小，节约占地补偿费，线路美观。

5. 杆段间通过法兰螺栓连接，安装简捷、方便，大大缩短施工工期，大幅度降低现场施工费用。

6. 使用寿命长，安全防盗。使用中不需要维护，耐久性好，比钢结构杆塔延长使用寿命15--20年以上，不存在塔件丢失造成的安全问题。

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