鋼筋混凝土電桿抗裂強(qiáng)度和裂縫寬度的計算

  當(dāng)前在配電網(wǎng)建設(shè)改造材料招標(biāo)活動中，多數(shù)選用普通鋼筋混凝土電桿，招標(biāo)技術(shù)文件中也僅提出荷載等級要求，沒有提供加工圖紙，電桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計由生產(chǎn)廠家負(fù)責(zé)。由于缺少配套的圖集或有資質(zhì)單位設(shè)計的圖紙，有的生產(chǎn)企業(yè)憑借生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)或者從同行企業(yè)中獲取的信息套用組織生產(chǎn)；有的生產(chǎn)企業(yè)僅進(jìn)行電桿的正載面承載力設(shè)計計算，沒有對抗裂度、最大裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果導(dǎo)致力學(xué)性能檢驗(yàn)時裂縫寬度、撓度不合格，電桿在運(yùn)行中環(huán)向裂縫寬度超標(biāo)。本文對鋼筋混凝土電桿的抗裂強(qiáng)度、最大裂縫寬度的設(shè)計計算方法及公式進(jìn)行歸納整理，并列舉實(shí)例演示計算。

  一、設(shè)計的依據(jù)及計算公式

  《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的不同要求，分別采用裂縫寬度控制和抗裂安全系數(shù)控制。對鋼筋混凝土構(gòu)件（露天結(jié)構(gòu)）規(guī)定，不論在荷載短期效應(yīng)還是荷載長期效應(yīng)組合作用下，其正截面計算最大裂縫寬度都不得超過0.2mm，正如《環(huán)形混凝土電桿》GB/T4623中規(guī)定鋼筋混凝土電桿在開裂檢驗(yàn)彎矩作用下最大裂縫寬度不得超過0.2mm。

  按照DL/T5154-2012《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》、GB5010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，計算方法及公式如下：

  1、受彎構(gòu)件驗(yàn)算載面的開裂彎矩（抗裂強(qiáng)度）按下式計算：

  2、在荷載的短期效應(yīng)組合作用下，鋼筋混凝土電桿的最大裂縫寬度按下式計算：

  3、鋼筋混凝土電桿在長期荷載效應(yīng)組合作用下的最大裂縫寬度按下式計算：

  二、工程應(yīng)用設(shè)計實(shí)例

  （一）例1

  1、線路設(shè)計條件

  10Kv雙回路直線桿，導(dǎo)線JKLYJ-240，水平檔距50米，呼高11.6米，選用φ190×15m鋼筋混凝土電桿，錐度1/75，埋深2.5米。氣象條件：最大風(fēng)速30m/s，最大復(fù)冰10mm，最高氣溫40℃，最低氣溫-20℃，進(jìn)行電桿的配筋結(jié)構(gòu)設(shè)計。

  2、基本參數(shù)

  （1）電桿埋深處外半徑r₂=178mm，壁厚50mm，內(nèi)半徑r₁=128mm，埋深處電桿截面面積A=3.14×(1782-1282)=48042mm²

  （2）混凝土強(qiáng)度等級為C40，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f_tk=2.39N/mm²,混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值f_c=19.1N/mm²，混凝土彈性模量E_c=3.25×104 N/mm²

  （3）縱向主筋選用HRB400，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值f_y=360 N/mm²，抗壓強(qiáng)度設(shè)計值f^′_y=360 N/mm²，彈性模量ES=2.0×105 N/mm

  3、設(shè)計計算

  （1）荷載計算，屬于大風(fēng)工況控制。經(jīng)計算知2：

  短期荷載效應(yīng)組合作用下標(biāo)準(zhǔn)彎矩值MS=55.7KN·m

  長期荷載效應(yīng)組合作用下標(biāo)準(zhǔn)彎矩值Mcr=1.98KN·m

  （2）設(shè)計φ190×15m電桿，錐度為1/75，假設(shè)按16φ14配筋設(shè)置，保護(hù)層厚度為17mm，γS=161mm，螺旋筋間距S=100mm，螺旋筋為φ4.0冷拔低碳鋼絲。經(jīng)計算知電桿埋深處截面能夠承受的標(biāo)準(zhǔn)彎矩值MK=67.3 KN·m，大于MS=55.7 KN·m，正截面抗彎承載力滿足要求

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  （二）例2

  1、線路設(shè)計條件

  10Kv單回路終端桿，導(dǎo)線JKLYJ240，水平檔距50米，導(dǎo)線安全設(shè)計系數(shù)k=6，呼高11.2米，根部采用法蘭連接，選用φ350×12米鋼筋混凝土電桿，錐度1/75。設(shè)計氣象條件：最大風(fēng)速30m/s，最大覆冰5mm，最高氣溫40℃，最低氣溫-20℃。進(jìn)行電桿的配筋及結(jié)構(gòu)設(shè)計。

  2、基本參數(shù)

  （1）電桿地面處外半徑r₂=255mm，壁厚55mm，內(nèi)半徑r1=200mm，地面處電桿截面面積A=3.14×(2552-2002)=78578mm²

  （2）混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級C50，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.64N/mm2,混凝土彈性模量Ec=3.45×104 N/mm2

  （3）縱向主筋選用HRB400，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值fy=360 N/mm²，抗壓強(qiáng)度設(shè)計值 f′y=360 N/mm²，彈性模量ES=2.0×105 N/mm²

  3、設(shè)計計算

  （1）荷載計算，屬于復(fù)冰工況控制，經(jīng)計算知：

  短期荷載效應(yīng)組合作用下標(biāo)準(zhǔn)彎矩值MS=196KN·m

  長期荷載效應(yīng)組合作用下標(biāo)準(zhǔn)彎矩值ML=76.5KN·m

  （2）假設(shè)按20φ18配筋設(shè)置，保護(hù)層厚度為17mm，rS=238mm，螺旋筋間距S=100mm，螺旋筋為φ4.0冷拔低碳鋼絲。經(jīng)計算知電桿地面處能夠承受的標(biāo)準(zhǔn)彎矩值MK=201 KN·m，大于MS=196KN·m，正截面抗彎承載力滿足要求。

  三、結(jié)語

  1、計算最大裂縫寬度使用的彎矩值均是標(biāo)準(zhǔn)值，而不是設(shè)計值。

  2、選用電桿的開裂檢驗(yàn)彎矩值應(yīng)該大于荷載短期效應(yīng)組合作用下的標(biāo)準(zhǔn)彎矩。

  3、荷載長期效應(yīng)組合下的標(biāo)準(zhǔn)彎矩可理解為正常運(yùn)行情況電桿所承受的標(biāo)準(zhǔn)彎矩值。長期荷載工況的風(fēng)速應(yīng)采用5m/s，氣溫應(yīng)采用年平均氣溫，且無冰。

  4、在離心成型的壁厚較薄的環(huán)形截面電桿中，由于螺旋筋對截面的削弱，裂縫大部分發(fā)生在螺旋筋位置處，其分布規(guī)律與螺旋筋間距有關(guān)。試驗(yàn)實(shí)測表面，螺旋筋間距S=50mm與S=100mm的電桿，對裂縫間距的分布無明顯影響。當(dāng)S=50～100mm時，其實(shí)測平均裂縫間距為108.7mm，當(dāng)S=200mm時，平均裂縫間距157.1mm。所以一般設(shè)計螺旋筋間距為100mm左右，在計算最大裂縫寬度時，當(dāng)S<100mm時，取S=100mm。當(dāng)螺旋筋間距較大時，出現(xiàn)的平均裂縫寬度間距增大，產(chǎn)生的裂縫條數(shù)較少，易造成裂縫寬度超標(biāo)。

  5、設(shè)計鋼筋混凝土電桿除進(jìn)行正截面承載力、斜截面承載力、變形計算外，還應(yīng)驗(yàn)算在短期荷載及長期荷載效應(yīng)組合作用下的最大裂縫寬度，且應(yīng)滿足<0.2mm的要求。

  6、地面埋深處電桿承受的彎矩值最大，必須對該斷面進(jìn)行驗(yàn)算。由于電桿是變截面且采取抽筋的配筋方式，對抽筋處截面也應(yīng)該進(jìn)行驗(yàn)算。