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预防钢筋混凝土杆塔纵裂的研究 |
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| 预防钢筋混凝土杆塔纵裂的研究 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 9:47:44  |
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王佩琼1 汤跃超2 张建强3
1.华北电力大学，北京市，102206 2.北京巨能通用技术公司，北京市，100031 3.内蒙古电力公司，呼和浩特市，010020
1问题的提出
在我国大部分地区，大多数110 kV和220 kV的高压输电线路除大跨越和部分耐张塔外，均采用钢筋混凝土杆。
高压输电线路的钢筋混凝土杆塔主要由钢筋混凝土主杆、钢筋混凝土叉梁或钢叉架、拉线及横担等组成，钢筋混凝土主杆有等径和锥形(拔梢)2种，一般由6 m或9 m的杆段焊接而成；钢筋混凝土叉梁的主要作用是加强两主杆之间的联系，以抵抗线路的横向荷载、振动和“风摆”的作用；拉线通常采用耐腐蚀、耐疲劳的钢铰线，主要是平衡和抵消一部分杆塔的纵向(沿线路方向)荷载；横担主要是支撑导线和传递来自导线的荷载。
组成钢筋混凝土杆塔的主要构件——杆段，由钢筋笼及300号或350号混凝土制成，端头的连接钢环焊于主筋端部。钢筋笼由主钢筋、螺旋筋和支撑环构成。螺旋筋(箍筋)和支撑环一般为φ4 mm和φ6 mm钢筋。
我国输电线路使用钢筋混凝土电杆、杆塔，已有50～60年的历史，在设计、制造、安装、运行维护等方面都积累了丰富的经验。但是，随着老杆塔运行时间的增长和新杆塔特别是高电压大长度钢筋混凝土杆塔的投产、运行，实践中也反映出钢筋混凝土杆塔这一结构形式确实存在一些需要研究和进一步解决的问题。
1.1钢筋混凝土杆塔出现的问题
1.1.1在同样的条件下，钢筋混凝土杆塔比其他钢筋混凝土建筑物破损、老化速度快，使用寿命短(钢结构塔也有同样的问题)。
1.1.2杆塔破损的分布状态：地表以下，特别是冻土层以下的杆塔部分一般都完好无损，杆塔上部一般破损轻微，但靠近地面、地表以上的杆塔部分一般破损最为严重。
1.1.3杆塔的破损形态有以下几方面：
(1) 混凝土杆纵向开裂及纵向裂纹一般发生在下、中段，也有极少数发生在上段。裂缝宽度为0.1～10 mm，长从0.3 m到杆段全长不等。
(2) 杆段产生部分环向或沿四周环向裂纹，这些现象一般也发生在下中段，少数发生在上段。
(3) 杆段出现普遍老化、碳化、腐蚀、材质疏松变色，强度下降。往往近地面部分腐蚀、破损较为严重。
(4) 杆塔下部出现大、小不同的块状剥落、空鼓及主钢筋、箍筋严重锈蚀等。
在上述这些破损形态中，以杆段产生纵裂和纵向裂纹问题最为普遍、最为突出，有的甚至新线路都出现开裂，加速了杆塔的破坏和明显缩短了运行寿命。
1.2破损的原因分析
为预防和寻求解决上述杆塔存在问题的有效途径，我们在收集钢筋混凝土杆塔设计、制造、安装、运行等资料的基础上，认真考察和分析了北方地区部分出现问题的新建和不同运行时间的高压输电线路钢筋混凝土杆塔的情况，对造成高电压钢筋混凝土杆塔出现上述问题的成因提出如下初浅认识：
1.2.1钢筋混凝土杆塔所产生的纵裂及纵向裂纹基本上可分为2类：一类为结构破损裂缝，另一类为派生破损裂纹。结构破损裂缝：对于转角杆塔，往往发生在杆塔下段受压区一侧，由于“竹裂效应”(即轴向抗拉强度远大于环向抗拉强度的结构所共有的力学破坏特征)而产生纵向开裂，甚至鼓包；对于直线杆塔，则往往由于“风振”或“风摆”时，头重脚轻的杆塔的“鞭梢效应”和“竹裂效应”，使杆塔下端某侧产生纵向初裂。派生破损裂纹不是由于结构在受各种外荷载下产生的，而是由于杆段外表混凝土碳化深度已达到或超过主钢筋布设面后，主钢筋加速锈蚀、膨胀，导致混凝土杆沿主钢筋轴线产生纵向裂纹。
1.2.2钢筋混凝土杆塔所产生的环向开裂也可分为结构破损裂缝和派生破损裂纹。对于转角塔，有时由于塔根弯矩过大，在受拉侧时常产生结构破损裂缝；对于直线塔，由于“风振”及“风摆”有时在某侧也会产生。至于环向派生破损裂纹与派生纵裂纹类似，则因箍筋锈蚀膨胀所致。
1.2.3钢筋混凝土杆塔所产生的裂缝、裂纹，都是随时间而发展的。使裂纹发展的主要因素是：风振风摆、冻融循环、温度交变和钢筋锈蚀。在这些因素次复一次、年复一年地作用下，不断发展成为长宽的裂缝。
1.2.4钢筋混凝土杆塔的老化、碳化、腐蚀破损在同样条件下比其他钢筋混凝土老化、破损快的主要原因，除工况确实恶劣外，还有杆段混凝土保护层厚度偏小，主筋和箍筋往往靠近外表面。加上碳化、钢筋锈蚀、开裂3种破坏互相影响，形成恶性循环，造成杆塔比其他钢筋混凝土破损快、寿命短。
1.2.5钢筋混凝土杆段的成块凸起、空鼓、剥落、破损除极少数属于碱骨料反应外，绝大多数是由于钢筋锈蚀膨胀产生纵横切割和主筋面切割、膨胀顶推等所致。
钢筋混凝土杆塔的破损原因及破损形态十分复杂，碳化老化、冻融循环、钢筋的锈蚀及派生性开裂均为正常的、不可避免的，并需要一定年限后才会发生的破坏，对于杆塔的加速破坏和大幅度降低使用寿命不起决定性作用。然而，杆塔的结构破损裂缝则是随着杆件的增高、长细比的增大，使得杆塔“鞭梢效应”增大、“竹裂效应”逐步显现后才产生的。这种破损一般发生在新建或运行时间不长的线路中，使其他破损形态得到加速和提前到来，将大大缩短杆塔的使用寿命。因此，高压输电线路钢筋混凝土杆塔纵裂的预防和处理，对于线路的长期安全、经济运行是至关重要的。
2钢筋混凝土杆塔纵裂等破损的预防措施
首先应该指出的是：这里的“纵裂”主要指结构破损纵裂。在预防方面建议采用下列措施：
2.1优化杆段纵向抗拉强度与环向抗拉强度的比值，改变过去在设计和规范中只把箍筋当构造筋的设计思想，在不改变原箍筋直径的基础上，将箍筋的间距缩小1倍，而单位长度内增加1倍含筋率。关于纵环强度比的优化计算研究，由于本文篇幅有限，将在其他文章中讨论。
2.2杆段制造过程中，尽量保证主钢筋居中，确保混凝土保护层有足够厚度，并均匀。杆段两端钢环处混凝土端面应有30°斜坡，在混凝土与钢环交接处，适当采用利于排水的措施，防止端部钢环、钢筋锈蚀。
2.3在现采用的混凝土设计标号基础上，考虑使用适当的添加剂，提高混凝土自身的抗渗标号和防水性能，提高混凝土的致密性，延缓混凝土的碳化速度。
2.4在经济条件允许的情况下，在新建高压输电线杆塔安装过程中，直接在混凝土表面涂上一层混凝土保护剂，从一开始就阻止构件遭受碳化腐蚀和冻融破坏，花费不多，可起到事半功倍之效果，极大提高杆塔的使用年限，从长远看也是最省的办法。
2.5加强对杆塔巡视和检查，发现裂纹、破损及时采取有效措施，防止隐患和小问题扩大。
3钢筋混凝土杆塔纵裂等破损的加固处理
尽管人们不希望高压输电线路钢筋混凝土杆塔开裂、破损，但由于设计、制造中难免存在缺陷，运输安装难免造成损伤，特别是运行中工况的恶化，不可预见荷载及环境因素的作用，运行年限的增长，杆塔将不可避免会开裂、破损等。对于已发生严重开裂及破损，对高压输电线路安全运行构成威胁而不得不采取措施的杆塔，从整个电网的安全和地区经济发展要求看，总希望能不停电进行处理。因此，采用加固的方法就成为最佳、最省的首选方法。
3.1混凝土杆塔加固中应遵循的原则
3.1.1加固方案应简单易行、安全可靠、经济合理。
3.1.2加固施工应尽量少影响生产、工作，不造成线路停电。
3.1.3充分利用和发挥原杆塔的有效部分和功能。
3.1.4恢复杆塔各构件的强度、刚度，甚至提高其设计承载力，抗腐蚀性能，延长线路杆塔的使用寿命。
3.1.5妥善安排施工计划、工艺和施工方法，确保加固部分与本体结构共同受力。
3.1.6不改变杆塔架构的尺寸、自重和形状。
3.1.7尽量消除杆塔多种缺陷，使加固后的整条线路及杆塔使用寿命趋同。
3.1.8所采用的技术、材料和工艺在满足运行工况及环保要求的前提下，应达到下列具体技术要求：
(1) 新、旧部结合及裂缝填充胶接材料的力学性能应超过本体混凝土一个量级，即超过400号混凝土的抗拉指标；
(2) 修复材料应超过本体混凝土一个量级，达到450号或500号，并具有微膨胀性能，其膨胀量应大于100×10-6微应变，补偿干缩后，还能与加固约束材料共同作用使之形成三维应力状态；
(3) 补强措施应能适应所补区域材料应力水平，达到补充和提高抗拉能力的目的；
(4) 外表应设立防腐防水层，具有抗酸、碱、盐腐蚀的作用；
(5) 全部材料都应具有较强的抗自然老化性能，能适用于80℃温差变化的变形性能。
3.2钢筋混凝土杆塔开裂、破损的加固
在了解钢筋混凝土杆塔开裂、破损形态及成因的基础上，我们分析、比较了能收集到的国内外有关杆塔加固、补强的资料及实例。认为符合上述加固原则的合适的方法为：
3.2.1采用高分子、高强材料对0.3 mm以上的纵裂实施灌浆；采用高强胶泥对5 mm以上的裂缝实施填塞；采用高渗防水剂对0.3 mm以下的裂纹实施灌渗，尽可能消除裂缝的切割破坏。
3.2.2采用新老混凝土界面剂及高强微膨胀材料对空鼓、剥落区实施修补。
3.2.3采用钢板粘贴技术和碳纤维加固技术，对结构破损开裂和严重派生开裂的区域实施环向或纵向粘钢及碳纤维加固，以恢复和提高结构的强度和刚度。
3.2.4在裂缝密集区，采用高分子织物膜进行封闭，阻止和延缓混凝土的碳化、老化。上述这一整套混凝土杆塔加固技术和方法已在河北和山西等地区成功地加固了多处高压输电架构和变电站架构，收到很好效果。
4结论
4.1随着应用电压等级的提高，杆塔高度的增加，钢筋混凝土杆塔纵裂现象加剧，不仅在后期出现派生裂纹，往往早期就出现结构破损纵裂，因此，需要进行纵横强度比优化研究。
4.2在钢筋混凝土杆塔的破损过程中，纵裂、碳化、钢筋锈蚀、冻融循环及风振等几种因素是相互促进，加速破坏的主要因素，而运行初期的结构破损纵裂则是最至关重要的因素。
4.3钢筋混凝土杆塔的纵裂和破损，甚至极严重的破损都有有效方法进行加固补强和修复，而并非需要采用价格昂贵的换杆方法，同时，混凝土杆塔与钢结构杆塔一样，也是需要经常维护、防护的结构
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