王曉明，閆風(fēng)潔，李辛庚

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

鋼管桿是110 kV 及以下電壓等級線路在城市、郊區(qū)等常用的電桿型式，其具有占地面積少、外形美觀、維護方便等優(yōu)點，一經(jīng)推出便獲得迅速推廣［1］。但是其也存在用鋼量大、成本高、壁厚大易撕裂等缺點［2］。夾層鋼管混凝土電桿是在鋼管凝土電桿基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型電桿，其繼承了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)鋼管壁薄、用鋼量少、承載力大優(yōu)點，通過去除芯部混凝土克服了質(zhì)量大、運輸施工困難的缺點［3］，在天湖—崇賢開口環(huán)入育苗220 kV輸電線路等工程中開展了應(yīng)用［4］。

學(xué)者們對中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗軸壓性能［5-7］、抗彎性能［8-10］、抗震［11-13］、抗沖擊［14-16］、抗循環(huán)載荷性能［17-18］、抗壓彎等復(fù)雜應(yīng)力作用下的性能［19-20］都進行了詳細的研究，并根據(jù)研究數(shù)據(jù)編制T/CEC 185—2018《輸電線路中空夾層鋼管混凝土桿塔技術(shù)規(guī)范》［21］，但中空夾層鋼管混凝土電桿與鋼管桿間的性能差異，如強度、剛度、質(zhì)量等均不明晰。這對于輸配電線路工程中的電桿選型非常不便，也不利于中空夾層鋼管混凝土電桿的推廣使用。

針對該問題，以現(xiàn)有標準為基礎(chǔ)，分別對剛度控制和強度控制條件下的鋼管桿為基準，對比分析中空夾層鋼管混凝土桿與鋼管桿間的性能差異，以明確中空夾層鋼管混凝土電桿的適用性。

1 基礎(chǔ)條件

桿體是電桿的主要構(gòu)成，分別對以鋼管結(jié)構(gòu)和中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)成的桿體為研究對象進行性能分析。中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是混凝土與鋼管的復(fù)合結(jié)構(gòu)（下文簡稱復(fù)合桿）。鋼管桿和復(fù)合桿的截面型式如圖1所示，其中t為鋼管桿壁厚，D為鋼管桿外徑，ti為復(fù)合桿內(nèi)鋼管壁厚，to為復(fù)合桿外鋼管壁厚，Do為復(fù)合桿外徑，Di為復(fù)合桿內(nèi)鋼管外徑。

圖1 截面型式

電桿長度與線路的電壓等級和回路數(shù)量有關(guān)，和電桿型式無關(guān)，即鋼管桿與復(fù)合桿長度相同。對相同高度位置的鋼管桿和復(fù)合桿的性能進行對比分析。

復(fù)合桿結(jié)構(gòu)存在混凝土與鋼材的配合，以輕質(zhì)高強混凝土和不同屈服強度鋼材為使用原料開展分析。輕質(zhì)高強混凝土的軸心抗壓強度為65 MPa，密度1.85 g/cm2；鋼材材質(zhì)包括：Q235、Q355、Q420、Q460和Q690。復(fù)合桿的設(shè)計依據(jù)T/CEC 185—2018《輸電線路中空夾層鋼管混凝土桿塔技術(shù)規(guī)范》，其參數(shù)包括徑厚比、直徑、空心率。為更清楚地了解規(guī)律性，復(fù)合桿的空心率和徑厚比選擇范圍覆蓋并小幅超過標準推薦范圍，空心率為0.1～0.9，徑厚比最大為限定值1.2倍。

鋼管桿設(shè)計遵守DL/T 5130—2001《架空送電線路鋼管桿設(shè)計技術(shù)規(guī)定》和GB/T 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》規(guī)定。考慮Q355 強度相對較高，能夠滿足絕大部分鋼管桿的使用，為簡化分析，鋼管桿材質(zhì)選擇Q355。決定鋼管桿性能的關(guān)鍵參數(shù)有直徑、徑厚比，鋼管的徑厚比取標準中極限值。用復(fù)合桿和鋼管外徑比值作為對比兩桿體的關(guān)聯(lián)參數(shù)。

輸電線路用電桿使用性能受占地面積（外徑）、成本（用鋼量）和施工方便性（質(zhì)量）等因素的影響。

2 性能對比分析

電桿在服役過程中承受本體質(zhì)量、導(dǎo)線及附件質(zhì)量和拉力、風(fēng)壓、覆冰、地震等復(fù)雜載荷，電桿失效處常位于電桿桿體［22］。電桿在服役過程中應(yīng)滿足強度、剛度等的要求。由電桿在線路中承擔懸垂、轉(zhuǎn)角和耐張作用不同，電桿設(shè)計可分為強度控制和剛度控制兩類。在強度控制條件下，電桿滿足強度要求時，剛度即能滿足要求；在剛度控制條件下，電桿滿足剛度要求時，強度即能滿足要求?？紤]到復(fù)合桿在服役過程中承受載荷情況復(fù)雜、性能規(guī)律不明晰，從鋼管分別處強度控制和剛度控制兩種荷載條件的角度進行兩種桿體性能的對比，分析復(fù)合桿的適用性，分別簡稱為強度控制和剛度控制。

2.1 強度控制條件下的性能對比

以鋼管桿為基準，使復(fù)合桿與鋼管桿強度等效。在此條件下，決定復(fù)合桿結(jié)構(gòu)的參數(shù)可歸結(jié)為外徑和空心率兩個變量。通過調(diào)整該兩變量，對比復(fù)合桿和鋼管桿的差異。

復(fù)合桿空心率的影響結(jié)果如圖2 所示，復(fù)合桿的總質(zhì)量較同承載力鋼管桿質(zhì)量增加?？招穆试?.6～0.8 范圍內(nèi)，復(fù)合桿質(zhì)量可增加0.5～3.0 倍；當鋼材材質(zhì)強度提高，復(fù)合桿質(zhì)量增加量減少。用低強鋼和高強鋼時復(fù)合桿質(zhì)量相差可達2 倍。另外，空心率越小，復(fù)合桿質(zhì)量增加量越大。復(fù)合桿的用鋼量較鋼管桿用鋼量均低?？招穆试?.6～0.8 范圍內(nèi)，復(fù)合桿用鋼量降低25%左右；空心率減小，復(fù)合桿用鋼量減少更多。強度控制條件下，隨空心率增大復(fù)合桿的總質(zhì)量降低，用鋼量卻在增加，設(shè)計復(fù)合桿時應(yīng)綜合考慮桿體總質(zhì)量和用鋼量兩者間關(guān)系。

圖2 強度等效條件下空心率的影響（徑厚比取限值）

復(fù)合桿外徑的影響結(jié)果如圖3 所示，復(fù)合桿質(zhì)量均超過鋼管桿質(zhì)量，用高強鋼的復(fù)合桿質(zhì)量增加幅度相對較小，最大增加幅度為1.5 倍，用高強鋼時的復(fù)合桿外徑較鋼管桿外徑顯著減小，約為后者的0.6 倍；用低強鋼復(fù)合桿的質(zhì)量增加幅度較大，最大可達5.5 倍，用低強鋼的復(fù)合桿外徑較大，Q235 鋼的外徑較鋼管桿可擴大到1.2倍。復(fù)合桿的用鋼量較鋼管桿用鋼量都有下降，用高強鋼的復(fù)合桿用鋼量下降幅度較用低強鋼材的復(fù)合桿下降更為顯著。

圖3 強度等效條件下兩桿外徑比的影響（徑厚比取限值）

由復(fù)合桿的質(zhì)量分析可以明確：強度控制條件下復(fù)合桿質(zhì)量超過鋼管桿；在選擇高強度鋼材和合適空心率時，復(fù)合桿質(zhì)量增加幅度較小；復(fù)合桿的用鋼量較鋼管桿可下降25%左右，復(fù)合桿的外徑也明顯減小。

強度控制條件下復(fù)合桿的整體質(zhì)量和用鋼量都隨著鋼材材質(zhì)強度等級的提高而減小，外徑降低，使用高強度鋼材的復(fù)合桿優(yōu)勢更明顯。選擇Q690、Q460鋼作為復(fù)合桿用鋼材，徑厚比在1.0～1.2倍限值范圍內(nèi)取值，分析與鋼管桿承載力相同的復(fù)合桿性能。

選擇Q690 鋼計算得到的復(fù)合桿質(zhì)量和用鋼量如圖4所示。由圖4可知，空心率減小，復(fù)合桿質(zhì)量提高，用鋼量降低?？招穆试诓怀^T/CEC 185—2018《輸電線路中空夾層鋼管混凝土桿塔技術(shù)規(guī)范》限值0.75 的情況下，復(fù)合桿的整體質(zhì)量是鋼管桿質(zhì)量的1.25 倍以上，在空心率達0.6 時質(zhì)量比也僅為1.5；用鋼量相比鋼管減少近25%。復(fù)合桿內(nèi)外鋼管的徑厚比增加對于總質(zhì)量和用鋼量的影響都較小，徑厚比采用保守值有利于保證復(fù)合桿的整體穩(wěn)定性。

圖4 復(fù)合桿用Q690鋼參數(shù)變化規(guī)律

選擇Q460 鋼計算復(fù)合桿的總質(zhì)量和用鋼量結(jié)果如圖5 所示。此時仍然存在空心率下降，復(fù)合桿總質(zhì)量增加、用鋼量減少的規(guī)律。但空心率小于0.75時，復(fù)合桿質(zhì)量是鋼管桿的1.75 倍及以上，高于用Q690 鋼的復(fù)合桿質(zhì)量，復(fù)合桿用鋼量降低幅度在20%左右，也低于用Q690 鋼的復(fù)合桿。徑厚比增加，對復(fù)合桿的總質(zhì)量影響較小，用鋼量能進一步小幅度降低。

圖5 復(fù)合桿用Q460鋼參數(shù)變化規(guī)律

根據(jù)強度相等條件設(shè)計的復(fù)合桿與鋼管桿剛度的比值如圖6 所示。復(fù)合桿使用高強鋼材時，其剛度相比鋼管桿下降；使用低強度鋼材時，其剛度較鋼管桿要高。復(fù)合桿空心率提高時，其剛度降低。

圖6 強度控制時復(fù)合桿與鋼管桿剛度比（徑厚比取限值）

強度控制條件下，復(fù)合桿選擇高強鋼材不僅可以降低用鋼量、減小外徑，總質(zhì)量也較小。但是此時復(fù)合桿剛度可能相比鋼管桿降低，需根據(jù)荷載不同導(dǎo)致桿體對剛度需求的改變，優(yōu)選鋼材強度、優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，使復(fù)合桿的承載力和剛度均滿足使用要求。

2.2 剛度控制條件下的性能對比

以鋼管桿為基準，使復(fù)合桿與鋼管桿剛度等效。復(fù)合桿結(jié)構(gòu)的參數(shù)仍歸結(jié)為空心率和外徑兩個變量。調(diào)整該參數(shù)，分析復(fù)合桿和鋼管桿的性能差異。

空心率的影響結(jié)果如圖7 所示，復(fù)合桿的質(zhì)量均在同剛度鋼管桿質(zhì)量的1.5倍以上。剛度控制條件下，復(fù)合桿不能降低整體質(zhì)量，反而增加。在選擇合適鋼材和控制空心率條件下，復(fù)合桿的用鋼量較鋼管桿用鋼量下降幅度巨大，采用復(fù)合桿的方式有利于降低用鋼量。另一方面，鋼材強度越高，復(fù)合桿用鋼量反而越大，與強度控制條件下的情況相反。在鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計中，鋼管壁厚與強度成反比關(guān)系，剛度控制條件下高強度鋼材不僅不能提高剛度反而需要更大厚度，最終導(dǎo)致用鋼量增大。

圖7 剛度等效條件下空心率的影響（徑厚比取限值）

空心率增加時，復(fù)合桿用鋼量增大，甚至超過鋼管桿質(zhì)量，此時同樣是復(fù)合桿鋼管桿的徑厚比限值決定了較大直徑的內(nèi)管壁厚不能降低，內(nèi)管用鋼量較大。

復(fù)合桿的總質(zhì)量和用鋼量兩者隨空心率變化趨勢相反。復(fù)合桿設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮兩者關(guān)系。

復(fù)合桿外徑的影響結(jié)果如圖8 所示，復(fù)合桿質(zhì)量均超過鋼管桿。鋼材強度高時用鋼量達，鋼材強度降低，用鋼量下降量明顯，這與圖7 中規(guī)律相同。復(fù)合桿質(zhì)量與用鋼量隨外徑增加而變化的規(guī)律相反，即總質(zhì)量隨外徑增加而增大時，用鋼量下降；總質(zhì)量下降時，用鋼量增大。并且鋼的強度改變時質(zhì)量和用鋼量的變化規(guī)律也發(fā)生變化。用高強度鋼時，復(fù)合桿外徑增加，質(zhì)量增加，用鋼量降低；用低強度鋼時，外徑增加，復(fù)合桿質(zhì)量減小，用鋼量提高。

圖8 剛度等效條件下兩桿外徑比的影響（徑厚比取限值）

由復(fù)合桿的質(zhì)量分析可以明確：復(fù)合桿質(zhì)量總是超過鋼管桿，但是在設(shè)計合適時其用鋼量相比鋼管桿能夠顯著降低；復(fù)合桿中鋼材強度越高，復(fù)合桿質(zhì)量增加越顯著，用鋼量也大。高強度鋼材不利于剛度控制的復(fù)合桿整體質(zhì)量和用鋼量的降低。

剛度控制條件下復(fù)合桿的整體質(zhì)量和用鋼量都隨著鋼材強度降低而減小，分析使用較低強度鋼材的復(fù)合桿質(zhì)量變化有助于確定較優(yōu)指標。選擇強度低的Q235、Q345 鋼作為復(fù)合桿用鋼材，徑厚比在小幅度突破限值的1.0～1.2 倍限值范圍內(nèi)取值，分析與鋼管桿剛度相同復(fù)合桿的質(zhì)量特征。

選擇Q235 鋼計算得到的復(fù)合桿質(zhì)量和用鋼量如圖9 所示。由圖9 可知，空心率減小，復(fù)合桿質(zhì)量提高，用鋼量降低?？招穆试诓怀^限值0.75 的情況下，復(fù)合桿的整體質(zhì)量是鋼管桿質(zhì)量的2 倍以上，最高質(zhì)量比值可以達到3；用鋼量相比鋼管桿減少20%以上，最多可以減少60%。此時復(fù)合桿內(nèi)外鋼管的徑厚比增加對于總質(zhì)量和用鋼量的影響都較小。

圖9 用Q235鋼時復(fù)合桿總質(zhì)量和用鋼量變化規(guī)律

復(fù)合桿采用Q235 鋼可以顯著減少用鋼量，參數(shù)選用合適時總質(zhì)量增加可以控制在2.5倍以下。此時徑厚比提高對質(zhì)量和用鋼量影響不明顯，徑厚比采用保守值有利于保證復(fù)合桿的整體穩(wěn)定性。

用Q345 鋼時，復(fù)合桿的質(zhì)量和用鋼量計算結(jié)果如圖10 所示。此時空心率下降，復(fù)合桿質(zhì)量增加、用鋼量減少。且在空心率小于0.75時，復(fù)合桿質(zhì)量仍然是鋼管桿的2 倍及以上。但是，復(fù)合桿用鋼量減少值較用Q235 時要小，只有空心率接近0.6 時，用鋼量才能減少20%以上。此時徑厚比增加，對復(fù)合桿的總質(zhì)量影響較小，而對用鋼量影響稍大。

圖10 用Q345鋼時復(fù)合桿總質(zhì)量和用鋼量變化規(guī)律

由上可知，用Q235 鋼的復(fù)合桿質(zhì)量可控制在鋼管桿質(zhì)量的2.5 倍以下、用鋼量控制在鋼管桿質(zhì)量80%以下；用Q345 鋼的復(fù)合桿用鋼量控制在鋼管質(zhì)量80%以下，徑厚比較限值放大1.1倍時總質(zhì)量達鋼管桿質(zhì)量2.5倍，徑厚比取限值時總質(zhì)量為鋼管桿質(zhì)量2.6倍。剛度控制條件下復(fù)合桿的直徑約為鋼管桿外徑的0.9倍，在減小桿體體積和施工難度方面有一定優(yōu)勢。

以剛度控制為前提設(shè)計的復(fù)合桿，其承載力與所用鋼材強度有很大關(guān)系。根據(jù)剛度相等條件設(shè)計的復(fù)合桿與鋼管桿承載力的比值如圖11 所示。復(fù)合桿用低強度鋼時，其承載力總是小于該設(shè)計條件下的鋼管桿。提高鋼材強度，復(fù)合桿的剛度快速提升，且相比鋼管桿有較大裕量，復(fù)合桿承受突發(fā)載荷的能力更強。復(fù)合桿的承載力隨著空心率的增加而逐漸提高，這與該設(shè)計條件下空心率提高復(fù)合桿的外徑增大有關(guān)。

圖11 剛度控制復(fù)合桿與鋼管桿承載力比（徑厚比取限值）

低強度鋼材有利于提高復(fù)合桿的剛度，但是另一方面卻削弱了復(fù)合桿的承載力。在剛度控制復(fù)合桿設(shè)計時，不能僅強調(diào)提升剛度選擇低強度鋼材，而導(dǎo)致復(fù)核桿的承載力不足。采用剛度控制條件計算時，承載力的校核不能缺失。

3 結(jié)語

在前述分析條件下，復(fù)合桿的外徑幾乎均小于鋼管桿的外徑，這對于承載多線多回電桿而言，地上桿體和地下基礎(chǔ)的占地減小，施工工程量和施工成本會大幅度降低。復(fù)合桿相比鋼管桿更有優(yōu)勢。

強度控制條件下，復(fù)合桿適合選擇較高強度鋼材，其用鋼量可大幅度降低，總質(zhì)量也增加較小，但是復(fù)合桿剛度可能會有削弱，需注意校核。

剛度控制條件下，復(fù)合桿適合選擇較低強度鋼材，其用鋼量降低幅度更為顯著，但是復(fù)合桿的受彎承載力可能會有削弱，須注意校核。