趙望達(dá)，馮瑞敏，趙俊鍇

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075;2.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

2008年和2012年2次特大冰雪災(zāi)害襲擊了湖南大部分地區(qū)，使得正在服役中的環(huán)形鋼筋混凝土電桿(以下簡(jiǎn)稱(chēng)電桿)受到不同程度的損壞，極大地威脅了湖南省電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［1－3］。同時(shí)，露天的工作環(huán)境、各種使用荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)和內(nèi)力作用下以及隨著使用年限的增長(zhǎng)，服役中的鋼筋混凝土電桿會(huì)出現(xiàn)不同程度的病害，嚴(yán)重影響了電桿的使用壽命。目前，國(guó)內(nèi)進(jìn)行混凝土強(qiáng)度和缺陷檢測(cè)的規(guī)范有超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程、超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程［4－5］，電桿由于其截面的特殊性，已有規(guī)范不能直接應(yīng)用于環(huán)形混凝土電桿檢測(cè)。如何利用超聲波更準(zhǔn)確地檢測(cè)環(huán)形特殊截面構(gòu)件的裂縫深度，目前國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究極少。因此，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)例，采用武漢巖海公司生產(chǎn)的RS－ST01D非金屬超聲波測(cè)試儀對(duì)環(huán)形電桿的強(qiáng)度和缺陷檢測(cè)進(jìn)行探索性研究，對(duì)類(lèi)似工程質(zhì)量檢測(cè)、健康性能評(píng)估和耐久性壽命預(yù)測(cè)具有重要的意義。

1 環(huán)形混凝土電桿

1.1 環(huán)形混凝土電桿的力學(xué)特性

湖南大部分地區(qū)變電站、中低壓輸送線路均應(yīng)用環(huán)形電桿。鋼筋混凝土電桿由于其施工方便、工程造價(jià)低、耐久性好、維修成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)和郵電系統(tǒng)。本文研究的環(huán)形鋼筋混凝土電桿外形為錐形［6］，如圖1所示。圖1中:L為桿長(zhǎng);L1為荷載點(diǎn)高度;L2為支持點(diǎn)高度;L3為稍端至荷載點(diǎn)距離;D為跟徑;d為稍徑;δ為壁厚。

圖1 環(huán)形混凝土電桿Fig.1 Circular reinforced concrete pole

在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，構(gòu)件都必須滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求。環(huán)形混凝土變截面電桿可將其簡(jiǎn)化為軸線鉛垂的懸臂梁，其所受荷載一般可簡(jiǎn)化為集中荷載和均布荷載，如圖2所示。荷載下的彎矩如圖3所示。

圖2 電桿簡(jiǎn)化受力圖Fig.2 The force diagram of poles

圖3 電桿彎矩圖Fig.3 The bending moment diagram of poles

由圖3可得:在外荷載作用下，沿桿自上向下各截面的彎矩越來(lái)越大，電桿底部所受的彎矩最大。由材料力學(xué)可知:等截面面積的空心圓截面抗彎截面模量大于實(shí)心圓截面的抗彎截面模量，電桿橫截面上離中性軸越遠(yuǎn)，正應(yīng)力越大，中性軸附近的正應(yīng)力較小，電桿的空心截面正好把中性軸附近的材料集中到離中性軸較遠(yuǎn)的地方，充分利用材料，以提高其抗彎強(qiáng)度。電桿這種上細(xì)下粗的變截面形式，在滿足承載力的前提下，節(jié)約材料，減小自身質(zhì)量，降低了成本［7］。

1.2 環(huán)形混凝土電桿病害的原因分析

雪災(zāi)、冰災(zāi)等特大冰雪災(zāi)害中的突變效應(yīng)造成桿塔倒塌、輸電線路破壞的事故都有發(fā)生?；炷岭姉U的環(huán)向體積變形一般是干縮變形、溫度變形、碳化變形、縱向荷載作用下的環(huán)向變形這4種綜合作用下引起的［6］。

混凝土的收縮變形使鋼筋與混凝土的產(chǎn)生相對(duì)位移，主筋在縱向荷載下的彎曲受到環(huán)筋的限制而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力都可造成外圍混凝土裂縫的產(chǎn)生。

若養(yǎng)護(hù)方法不當(dāng)，會(huì)破壞混凝土的孔結(jié)構(gòu);環(huán)筋不足，會(huì)造成主筋的過(guò)大變形;未嚴(yán)格按施工工藝進(jìn)行施工，如混凝土澆筑過(guò)程中振搗不實(shí)或漏振等會(huì)造成混凝土表面出現(xiàn)蜂窩、麻面等缺陷;進(jìn)場(chǎng)材料質(zhì)量不佳，如骨料的級(jí)配、混凝土配合比設(shè)計(jì)不佳，會(huì)容易造成混凝土的密實(shí)度降低，浪費(fèi)水泥并降低水泥的和易性等;由于模板安裝不牢固，或者模板不干凈，會(huì)造成表面粗糙、不光滑、不嚴(yán)密等［7］。

2 超聲波檢測(cè)環(huán)形混凝土電桿病害的基本原理

現(xiàn)場(chǎng)采用的非金屬超聲波測(cè)試儀為RSST01D。

2.1 超聲波檢測(cè)環(huán)形混凝土電桿強(qiáng)度的基本原理

混凝土材料是粘彈塑性的復(fù)合體，目前還沒(méi)有一種普通的數(shù)學(xué)模型，可以嚴(yán)密定量的描述混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。超聲波檢測(cè)混凝土構(gòu)件強(qiáng)度的基本依據(jù)是超聲波在混凝土中的傳播速度與混凝土本身的彈性性質(zhì)的密切關(guān)系［8］。

式中:vp為縱波聲速;E為彈性模量;ρ為密度;γ為泊松比。

由式(1)可知:混凝土彈性模量越高，聲速值越大。因此，在實(shí)際檢測(cè)中，根據(jù)測(cè)得的聲速，便可推斷混凝土的強(qiáng)度。

2.2 超聲波檢測(cè)混凝土電桿縱向裂縫深度的基本原理

超聲波檢測(cè)是混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度檢測(cè)的常用方法［7］，超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法和表面波/橫波的傳播聲時(shí)是檢測(cè)混凝土裂縫深度的新方法，主要用于平面混凝土結(jié)構(gòu)的檢測(cè)［7］。鋼筋混凝土電桿表面是環(huán)形的，用于平面構(gòu)件的檢測(cè)方法及相關(guān)計(jì)算均不能直接應(yīng)用于環(huán)形鋼筋混凝土電桿裂縫深度的測(cè)定和計(jì)算。

當(dāng)裂縫處無(wú)鋼筋時(shí)，如圖4(a)所示，發(fā)射換能器1置于A點(diǎn)，接收換能器2置于B點(diǎn)，A和B 2點(diǎn)位于裂縫同一側(cè)，依次移動(dòng)換能器2使2個(gè)換能器之間的圓弧長(zhǎng)s分別為60，80，100，120 和140 mm，并讀取相應(yīng)的聲時(shí)t，由幾何關(guān)系可知:

圖4 環(huán)形混凝土電桿縱向裂縫檢測(cè)示意圖Fig.4 Detection scheme of longitudinal cracks in circular reinforced concrete poles

如圖4(b)所示，跨縫的聲時(shí)測(cè)量，換能器1和2分別置于以裂縫為軸心的對(duì)稱(chēng)兩側(cè)。2個(gè)換能器之間的圓弧長(zhǎng)s與2個(gè)換能器位于裂縫同側(cè)時(shí)一樣，當(dāng)2個(gè)換能器的連線與裂縫的交點(diǎn)E高于裂縫尖端C點(diǎn)時(shí)，因波的實(shí)際傳播距離大于2個(gè)換能器的直線距離，故按式(3)計(jì)算得的視波速v小于混凝土實(shí)際平均波速;當(dāng)2個(gè)換能器的連線正好與裂縫尖端相切時(shí)(此時(shí)換能器l和2分別位于A'和B'點(diǎn))，波的實(shí)際傳播距離就為2個(gè)換能器的直線距離，所求得的視波速等于2個(gè)換能器置于裂縫同一側(cè)時(shí)所得平均波。

取不同的s，可以得到不同的t和tc，從而得到不同的裂縫深度。取各深度的平均值，即為裂縫深度測(cè)定值［8－10］。

含鋼筋的裂縫深度測(cè)定，當(dāng)裂縫深度未達(dá)到鋼筋保護(hù)層厚度時(shí)，鋼筋的存在對(duì)裂縫深度測(cè)定結(jié)果基本無(wú)影響。如裂縫深度超過(guò)鋼筋而未完全穿透混凝土壁厚，則當(dāng)2個(gè)換能器連線與鋼筋相切時(shí)，視波速最大;當(dāng)2個(gè)換能器間距繼續(xù)增大時(shí)，視波速又減小。如裂縫尖端超越鋼筋距離不是特別小時(shí)(若太小就只能忽略鋼筋以下部分深度)，則隨著2個(gè)換能器間距繼續(xù)增大，視波速降至最小值后又增大。當(dāng)2個(gè)換能器的連線正好與裂縫尖端相切時(shí)，波的實(shí)際傳播距離就為2個(gè)換能器的直線距離，所求得的視波速基本等于混凝土實(shí)際平均波速，裂縫深度可按式(6)計(jì)算。當(dāng)裂縫已貫穿環(huán)形混凝土壁厚時(shí)，2個(gè)換能器連線超過(guò)鋼筋后視波速持續(xù)減小。

3 工程實(shí)例

湖南省益陽(yáng)市毛家塘變電站由于混凝土電桿服役時(shí)間近30年，露天的工作環(huán)境、各種使用荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)和內(nèi)力的共同作用下，隨著使用年限的增長(zhǎng)，使服役中的鋼筋混凝土電桿出現(xiàn)不同程度的病害，各混凝土立柱均有不同程度碳化，碳化平均深度在2.7～3.0 mm，個(gè)別箍筋處碳化深度在10 mm以上。箍筋混凝土保護(hù)層出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，且不少鋼筋銹蝕嚴(yán)重，截面積減小，對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生威脅。因此，及時(shí)進(jìn)行鋼筋混凝土電桿質(zhì)量檢測(cè)是我們迫切需要解決的問(wèn)題。外觀檢測(cè)缺陷如圖5和圖6所示。

3.1 強(qiáng)度的檢測(cè)

測(cè)試面應(yīng)保持清潔和平整，每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)布置3對(duì)超聲波測(cè)點(diǎn)，耦合劑采用黃油。檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

圖5 混凝土電桿表面鋼筋銹蝕Fig.5 Rusty steel on the surface of the pole

圖6 混凝土電桿表面碳化Fig.6 Carbonization on the surface of the pole

表1 測(cè)量結(jié)果Table1 Measurement results

擬合方程如圖7所示。從而得出擬合方程為:

圖7 線性擬合Fig.7 Fit linear

3.2 縱向裂縫深度的檢測(cè)

按照上述方法，對(duì)電桿縱向裂縫深度含鋼筋和不含鋼筋處分別進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果如圖8(a)和圖8(b)所示。

圖8 縱向裂縫深度測(cè)量偏差Fig.8 Measured deviation of longitudinal cracks

由圖8(a)可知:裂縫深度越小，測(cè)量絕對(duì)偏差越小，但相對(duì)誤差加大。同理，由圖8(b)可知:裂縫處含有鋼筋，對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確度有一定影響;隨著測(cè)量深度的增大，絕對(duì)誤差增大，相對(duì)誤差變化不大。

3.3 剩余壽命的評(píng)估

基于前述的檢測(cè)結(jié)果，益陽(yáng)市服役中的環(huán)形電桿在已有的服役期限內(nèi)主要環(huán)境作用效應(yīng)是混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕，除了少數(shù)環(huán)形電桿需要進(jìn)行加固修復(fù)外，其余環(huán)形電桿的整體性、安全性基本滿足現(xiàn)有的使用要求。

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)既有環(huán)形電桿的剩余服役壽命是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。為了使問(wèn)題簡(jiǎn)單化，本文僅考慮在現(xiàn)有的環(huán)境作用效應(yīng)條件下，不改變環(huán)形電桿的使用功能，僅對(duì)承載力產(chǎn)生危害的構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)加固處理的情況下，該建筑結(jié)構(gòu)后續(xù)的使用壽命?？紤]服役環(huán)境條件的作用效應(yīng)，以下采用碳化壽命準(zhǔn)則對(duì)其剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，碳化壽命預(yù)測(cè)模型為:

式中:t為碳化時(shí)間，a;X(t)為t時(shí)刻的碳化深度，mm;kCO2為CO2濃度影響系數(shù)，工業(yè)建筑室外環(huán)境，取1.1～1.4;kp為澆注面修正系數(shù)，澆注面取1.2;ks為工作應(yīng)力修正系數(shù)，受壓取1.0，受拉取1.1;T為環(huán)境溫度，℃;HR為相對(duì)濕度，%;fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa;mc為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之比;Kmc為計(jì)算模式不定性隨機(jī)變量，反映碳化模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果間的差異。

由檢測(cè)結(jié)果可知:環(huán)形電桿最大碳化深度為8.2 mm，剩余的保護(hù)層厚度為 20.0 － 8.2=11.8 mm，實(shí)測(cè)的混凝土強(qiáng)度為25.8 MPa。由修正的碳化深度預(yù)測(cè)模型可計(jì)算得到，當(dāng)碳化達(dá)到鋼筋表面時(shí)，需要的時(shí)間(剩余服役壽命或后續(xù)服役壽命)為:

根據(jù)湖南益陽(yáng)市的氣候資料可得到結(jié)構(gòu)的所處的環(huán)境的年平均溫度為17.2℃，年平均相對(duì)濕度為78%。預(yù)測(cè)模型中，kCO2取1.2，kp取1.2，ks取1.1。因此，根據(jù)實(shí)測(cè)的最大碳化深度、實(shí)際服役年限以及混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，可得到修正的碳化深度預(yù)測(cè)模型如下:

可得t=15 a。已知現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的環(huán)形電桿服役期均超過(guò)30 a，滿足原始設(shè)計(jì)要求。對(duì)病害嚴(yán)重的部分環(huán)形電桿，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的維修、加固，可適當(dāng)延長(zhǎng)其使用壽命。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)環(huán)形混凝土電桿的力學(xué)特性，提出了將其簡(jiǎn)化為軸線鉛垂的懸臂梁，從而對(duì)超聲波測(cè)強(qiáng)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行有效簡(jiǎn)化，在此基礎(chǔ)上，獲得了超聲波測(cè)強(qiáng)的擬合方程。

(2)針對(duì)環(huán)形混凝土電桿裂縫深度的檢測(cè)，提出了研究超聲波波速與縱向裂縫深度關(guān)系時(shí)必須考慮鋼筋影響的思路，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出環(huán)形混凝土電桿縱向裂縫深度的計(jì)算公式。

(3)研究了環(huán)形混凝土電桿常見(jiàn)病害的產(chǎn)生機(jī)理，為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)提供了依據(jù)。

［1］國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)南方監(jiān)管局.災(zāi)害氣候期間電力系統(tǒng)運(yùn)行情況報(bào)［R］.廣州:國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)南方電監(jiān)局，2008.South China Bureau of State Electricity Regulatory Commission of China.Report of electrical power system operation situation during the disaster climate［R］.Guangzhou:South China Bureau of State Electricity Regulatory Commission of China，2008.

［2］邵德軍，尹項(xiàng)根，陳慶前，等.2008年冰雪災(zāi)害對(duì)我國(guó)南方地區(qū)電網(wǎng)的影響分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(5):38－43.SHAO De-jun，YI Xiang-gen，CHEN Qing-qian，et al.Affects of icing and snow disaster occurred in 2008 on power grids in south China［J］.Power System Technology，2009，33(5):38－43.

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［4］CECS 02:2005，超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程［S］.CECS 02:2005，Technical specification for testing concrete strength by ultrasonic － rebound combined method［S］.

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［6］GB/T 4623—2006，環(huán)形混凝土電桿［S］.GB/T 4623—2006，Circular reinforced concrete poles［S］.

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