一种装配式预应力中空夹层钢管混凝土输电杆的制作方法

1.本发明属于输电杆塔工程领域，涉及一种输电杆，具体是一种装配式预应力中空夹层钢管混凝土输电杆。


背景技术：

2.随着我国特高压电网的建设以及同塔多回线路、紧凑型线路、大截面导线等输电新技术的推广应用，输电杆塔大荷载、大型化的趋势愈发明显。钢管杆结构简单、传力清晰、占地面积小，具有较低的风载体型系数，可降低杆身风荷载，充分发挥材料承载性能，但钢管杆稳定问题突出，随着荷载和电压等级不断提高，钢管直径和厚度不断增大，杆体用钢量明显增加，致使钢管加工困难、自重大，建设成本高。中空夹层钢管混凝土电杆截面较为开展，具有自重轻、抗弯刚度大、承载力高、延性好以及施工便捷等优点，在输电工程领域具有广阔的应用前景。
3.传统的中空夹层钢管混凝土电杆在施工过程中需现场浇筑混凝土，在偏远或环境恶劣的地区难以施工，且施工质量不易保证。目前中空夹层钢管混凝土电杆夹层内部浇筑的多为普通混凝土，其密度较大，承载力较低，致使杆体自重较大，杆体运输、吊装困难。实现中空夹层钢管混凝土电杆的轻量化、装配化，具有重要的工程应用价值。
4.随着荷载和电压等级的不断提高，中空夹层钢管混凝土电杆逐渐趋于大空心率、大径厚比，具有高度大、跨距大、柔性大等特点，在实际工程中需承受较大风荷载、雪荷载、导线荷载及水平地震作用，对杆体抗弯承载力、刚度以及整体稳定性要求较高。混凝土为脆性材料，抗拉强度低，在较大水平荷载作用下，杆体内部夹层混凝土易发生开裂，导致结构抗弯承载力降低，混凝土优良的抗压性能不能得到充分发挥。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种装配式预应力中空夹层钢管混凝土输电杆，解决现有技术中中空夹层钢管混凝土电杆现场浇筑混凝土施工困难、整体运输困难以及在较大水平荷载作用下整体稳定性较低的技术问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
7.一种装配式预应力中空夹层钢管混凝土输电杆，包括在承台上由下至上依次固定连接的多个锥形的中空夹层钢管混凝土杆和一个钢管杆；
8.所述的中空夹层钢管混凝土杆包括同轴且不接触的内钢管和外钢管，所述的外钢管的顶端和底端均设置有第二法兰盘；所述的内钢管和外钢管之间填充有轻质混凝土，所述的轻质混凝土中沿竖向预制有沿周向均匀分布的竖向孔，所述的竖向孔下端开设至承台的内部，所述的第二法兰盘上开设有与竖向孔对应的预应力筋通过孔，所述的竖向孔中设置有预应力筋，所述的预应力筋的上端穿过预应力筋通过孔且固定在最顶部的第二法兰盘上，下端固定在承台内部；
9.所述的钢管杆上水平安装有平行且长短不同的多个横担。
10.本发明还包括以下技术特征：
11.所述的内钢管和外钢管上分别沿周向均匀设置有多个竖向的第一加劲肋，所述的第一加劲肋的一侧端面固定在内钢管的外壁上或者外钢管的内壁上。
12.所述的预应力筋的上、下两端分别通过锚具固定在最顶部的第二法兰盘上和承台内部。
13.所述的第二法兰盘上沿周向交错设置有第二加劲肋和第三加劲肋，所述的第二加劲肋的一端固定在第二法兰盘上相邻螺栓孔之间，另一端固定在外钢管的外壁上，所述的第三加劲肋的一端固定在第二法兰盘上相邻螺栓孔之间，另一端穿过外钢管且固定在内钢管的外壁上。
14.所述的钢管杆的底端设置有第一法兰盘。
15.所述的第一法兰盘上均匀设置有第四加劲肋，所述的第四加劲肋一端固定在第一法兰盘上相邻螺栓孔之间，另一端固定在钢杆管上。
16.所述的承台的底部的设置有桩基础。
17.最底部的所述的第二法兰盘通过预埋锚栓固定在承台上。
18.本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
19.(ⅰ)本发明中通过对中空夹层钢管混凝土电杆采用后张法施加预应力，可充分发挥预应力筋的抗拉性能，弥补混凝土抗拉强度低的不足，沿杆体通长张拉预应力筋，可提升结构整体稳定性，显著增加结构的抗弯承载力和刚度，解决了现有技术中中空夹层钢管混凝土电杆在较大水平荷载作用下整体稳定性较低的技术问题。
20.(ⅱ)本发明中在中空夹层钢管混凝土杆之间采用第二法兰盘进行连接，在中空夹层钢管混凝土杆和钢管杆之间采用第一法兰盘连接，全部采用装配式施工方法，且中空夹层钢管混凝土杆和钢管杆等构件均在工厂预制，现场无湿作业以及焊接工作，只需螺栓组装和张拉预应力筋，显著提高了施工效率，保证了施工质量，降低了施工成本，解决了现有技术中中空夹层钢管混凝土电杆现场浇筑混凝土施工困难和整体运输困难的技术问题。
21.(ⅲ)本发明中通过在中空夹层钢管混凝土杆的内钢管和外钢管之间设置固定在内钢管或者外钢管上的第一加劲肋，增强了内钢管和外钢管的局部稳定性能；在第一法兰盘上设置第四加劲肋，在第二法兰盘上设置第三加劲肋和第二加劲肋，增强了法兰连接节点的承载性能。
附图说明
22.图1为本发明的整体结构示意图；
23.图2为本发明中的中空夹层钢管混凝土杆的正面剖视图；
24.图3为本发明中的钢管杆的结构示意图；
25.图4为本发明中的中空夹层钢管混凝土杆的俯视剖视图；
26.图5为本发明中的中空夹层钢管混凝土杆的俯视示意图；
27.图6为本发明中的钢管杆与中空夹层钢管混凝土杆连接处第一法兰盘的截面示意图；
28.图7为本发明中的第二法兰盘的结构示意图；
29.图8为本发明中的预应力筋上端的固定示意图；
30.图9为本发明中的预应力筋下端的固定示意图；
31.图10为本发明模拟例中的数值模拟的弯矩-位移曲线对比图；
32.图11为本发明模拟例中的数值模拟的悬臂受弯预应力中空夹层钢管混凝土构件各部件的应力云图，其中，(a)为内钢管，(b)为外钢管，(c)为混凝土；
33.图12为本发明模拟例中的数值模拟的预应力筋应力云图。
34.图中各个标号的含义为：1-承台，2-中空夹层钢管混凝土杆，3-钢管杆，4-第一法兰盘，5-第二法兰盘，6-锚具，7-螺栓孔，8-横担，9-预应力筋通过孔；
35.201-内钢管，202-外钢管，203-轻质混凝土，204-竖向孔，205-预应力筋，206-第一加劲肋，207-第二加劲肋，208-第三加劲肋；
36.301-第四加劲肋，302-螺栓孔。
37.以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
38.需要说明的是，本发明中的所有零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件。
39.以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
40.本发明给出了一种装配式预应力中空夹层钢管混凝土输电杆，如图1至图9所示，包括在承台1上由下至上依次固定连接的多个锥形的中空夹层钢管混凝土杆2和一个钢管杆3；
41.中空夹层钢管混凝土杆2包括同轴且不接触的内钢管201和外钢管202，外钢管202的顶端和底端均设置有第二法兰盘5；内钢管201和外钢管202之间填充有轻质混凝土203，轻质混凝土203中沿竖向预制有沿周向均匀分布的竖向孔204，竖向孔204下端开设至承台1的内部，第二法兰盘5上开设有与竖向孔204对应的预应力筋通过孔9，竖向孔204中设置有预应力筋205，预应力筋205的上端穿过预应力筋通过孔9且固定在最顶部的第二法兰盘5上，下端固定在承台1内部；
42.钢管杆3上水平安装有平行且长短不同的多个横担8。
43.上述技术方案中，通过对中空夹层钢管混凝土电杆采用后张法施加预应力，可充分发挥预应力筋205的抗拉性能，弥补混凝土抗拉强度低的不足，沿杆体通长张拉预应力筋，可提升结构整体稳定性，显著增加结构的抗弯承载力和刚度，解决了现有技术中中空夹层钢管混凝土电杆在较大水平荷载作用下整体稳定性较低的技术问题。
44.此外，上述技术方案中，在中空夹层钢管混凝土杆之间采用第二法兰盘进行连接，全部采用装配式施工方法，且中空夹层钢管混凝土杆和钢管杆等构件均在工厂预制，现场无湿作业以及焊接工作，只需螺栓组装和张拉预应力筋，显著提高了施工效率，保证了施工质量，降低了施工成本，解决了现有技术中中空夹层钢管混凝土电杆现场浇筑混凝土施工困难和整体运输困难的技术问题。
45.具体的，内钢管201和外钢管202上分别沿周向均匀设置有多个竖向的第一加劲肋206，第一加劲肋206的一侧端面固定在内钢管201的外壁上或者外钢管202的内壁上，增强了内钢管和外钢管的局部稳定性能。
46.具体的，预应力筋205的上、下两端分别通过锚具6固定在最顶部的第二法兰盘5上和承台1内部，采用锚具固定更加的稳定且便捷。
47.具体的，第二法兰盘5上沿周向交错设置有第二加劲肋207和第三加劲肋208，二加劲肋207的一端固定在第二法兰盘5上相邻螺栓孔7之间，另一端固定在外钢管202的外壁上，第三加劲肋208的一端固定在第二法兰盘5上相邻螺栓孔7之间，另一端穿过外钢管202且固定在内钢管201的外壁上，增强了法兰连接节点的承载性能，避免了现有技术中的双层螺栓固定，使得安装更加的便捷。
48.具体的，钢管杆3的底端设置有第一法兰盘4，法兰连接方便安装与拆卸。
49.具体的，第一法兰盘4上均匀设置有第四加劲肋301，第四加劲肋301一端固定在第一法兰盘4上相邻螺栓孔302之间，另一端固定在钢杆管3上，增强了第一法兰盘的连接节点的承载性能，进而增强其局部稳定性。
50.具体的，承台1的底部的设置有桩基础10，使得更加稳固，且能够尽量少占用土地。
51.具体的，最底部的第二法兰盘5通过预埋锚栓11固定在承台1上，保证了本装置的整体稳定性。
52.模拟例：
53.以下通过建立有限元模型模拟本发明一种装配式预应力中空夹层钢管混凝土输电杆在悬臂受弯工况下的受力性能：
54.(1)模型建立
55.建立本发明公开的装配式预应力中空夹层钢管混凝土输电杆最下部的中空夹层钢管混凝土杆的数值计算模型，并建立一个非预应力构件作为对比模型。由于重点分析预应力中空夹层钢管混凝土杆的整体受力性能，故在模拟分析时对法兰连接节点、基础等进行了简化处理，模型几何尺寸如表1所示。
56.表1模型几何尺寸
[0057][0058]
模型中内外钢管加劲肋宽度取为夹层混凝土厚度的2/3，厚度与钢管厚度相同。钢材采用理想弹塑性模型，屈服强度取fy＝355mpa，弹性模量e＝206000mpa，泊松比取υ＝0.3。混凝土强度等级为c40，采用塑性损伤模型。预应力筋采用理想弹塑性模型，弹性模量为e
pt
＝195000mpa，抗拉强度为1860mpa，采用降温法对预应力筋施加初始预应力，膨胀系数取α＝1.25
×
10-5
/℃，取杆体轴压极限承载力的10％作为预应力筋的初始张拉荷载。加劲肋与端板之间的摩擦系数取0.3，加劲肋与混凝土、钢管与混凝土、端板与混凝土之间的摩擦系数取0.6。考虑构件的几何非线性和接触非线性，在杆体顶端施加位移荷载。
[0059]
(2)结果分析
[0060]
构件的弯矩-位移曲线如图10所示，弯矩-位移曲线包括三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段。弹性阶段，弯矩和位移呈线性增长，曲线基本呈直线，斜率较大；弹塑性阶段，位移增长速度增加，弯矩增长速度减小，弯矩-位移曲线斜率不断减小，刚度下降明显；塑性阶段，位移快速发展，弯矩达到峰值点后缓慢降低，曲线基本平缓。预应力筋的存在减缓了混凝土损伤，减小了底部受拉区混凝土与端板的剥离程度，其自身也提供了一定抗
弯承载力，明显提高了构件的抗弯承载力。
[0061]
结合图11和图12所示，当达到极限承载力时，构件底部内、外钢管大面积屈服，受拉侧预应力筋应力达到其抗拉强度的80％，受压侧预应力筋保持张拉状态，表明所有预应力筋在整个加载过程中均未退出工作，依然保持在弹性状态，构件因受压区外钢管局部鼓曲变形过大而发生破坏。