非拉线环形预应力混凝土电杆倒杆原因及补强方案研究

季 坤，陈安生

安徽省电力公司生产技术部，安徽合肥，230601

1 倒杆经过

某局110 kV线路杆塔型式采用耐张杆为铁塔，直线杆沿规划道路使用非拉线预应力高强水泥杆。线路为同杆双回。2012年5月底，11#～19#共九基高强水泥杆突然倒杆，10#高强水泥杆弯曲。该线路7#～20#为同一耐张段，其中9#～19#直线杆塔为同型号高强水泥杆。

事发时该地区为暴雨天气，气象局资料显示，风速15 m/s，现场仅有一根树枝发生了倒塌。而此线路高强水泥杆是按25 m/s风速设计，于2006年建设投产的。可见，此批高强水泥杆在远没达到设计载荷时就失效了。

失效直线高强水泥电杆，杆根连接为法兰连接，杆段之间采用气焊焊接方式，现场断杆均为焊接处断裂，根部基础完好。

2 环形预应力高强度水泥电杆使用概况

高强度部分预应力混凝土杆是将预应力钢丝与普通钢筋合理配合，以高标号混凝土(C60)胶结离心形成的复合钢筋混凝土构件，强度高，具有良好的抗弯、抗裂能力，杆段间通过钢板圈对接焊连接。该杆型外形美观，防腐、防盗性好，运行维护简便，造价低(较钢管杆造价低35%)，因其占地小，不需要拉线，特别适合在城市道路两旁使用。该杆型可批量化工厂加工，质量和工期易保证，在110 kV及以下电压等级输电线路中得到广泛应用。

3 原因分析

3.1 现场调查

经现场调查，九基高强水泥杆倒杆全是断裂在电杆钢圈焊接接头处。从照片上可以看出，焊缝有严重未熔合缺陷，甚至大部分坡口上没有熔融迹象，说明焊接接头大部分是虚焊的，另外焊缝根部没有焊接。可以肯定的是由于钢圈焊接接头的强度不足，导致结合面强度不足，是本次倒杆事故的内因。事故发生时的大风所导致的载荷，是本次倒杆事故的外因。

从现场断口来看，焊接质量特别差，非常罕见。采用气焊焊接焊缝，也是焊接质量不能得到有效保证的一个因素。

3.2 原因分析

经对高强水泥杆制造厂家调查发现，高强水泥杆的预应力钢筋、水泥化学成分、力学性能都没有问题。水泥杆选型是经过论证的。但是当初论证时，水泥杆连接是采用电焊焊接的。对施工单位调查发现，施工验收阶段对钢圈的焊接验收不包含内部质量的检验。从设计单位得知，以前的设计采用拉线杆，而现在使用非拉线杆，由于相关标准规程对此未有明确规定，设计时对此缺乏考虑。

可见，此次倒杆共有两个方面的原因：一是设计，二是施工。

3.2.1 设计原因

设计时，未把钢圈接头按钢结构设计，没有明确此焊缝为钢结构二级焊缝。电杆改为非拉线杆后，电杆的实际受力为受弯和受拉。据DL/T5092-1999《110-500 kV架空送电线路设计技术规程》规定，各种焊缝的强度设计值，应按现行国家规范GB50017-2003《钢结构设计规范》的有关规定确定。根据《钢结构设计规范》规定，在需要进行疲劳计算的构件中，凡对接焊缝均应焊透，质量等级最低为二级；在不需要计算疲劳的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝应予焊透，其质量等级当受拉时应不低于二级，受压时宜为二级。根据GB/T4623-2006《环形混凝土电杆》规定，电杆接头强度不得低于接头处断面承载能力。因此，对现有输电线路非拉线高强水泥杆钢圈焊接接头应视为二级焊缝进行设计、安装和验收。而根据GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》规定，设计要求全焊透的一、二级焊缝应采用超声波探伤进行内部缺陷的检验。对此，设计单位应明确写在设计文件中。

3.2.2 施工原因

施工中，焊工没有经过严格的焊接技术培训，仅取得国家安监部门的焊工证(中华人民共和国特种作业操作证书)。而按DL/T679-1999《焊工技术考核规程》规定，焊工焊接承重钢结构(包括输、变电金属构架)，在正式施焊前必须按本规程规定经技术考核合格并取得相应的合格证。此规程还规定，应取得Ⅲ类焊工资质方可焊接钢结构。按此规程规定考核的焊工，只能在已取得的相应焊接资格允许的位置下进行焊接，如平、横、立、仰不同位置。而此焊工很明显没有接受立焊焊接技术的培训。立焊时，焊缝熔池内的金属会由于重力作用向下流，焊工技巧不足，极容易出现未熔合缺陷。对输、变电金属构架进行焊接时，未能严格遵守电力行业《焊工技术考核规程》，是倒杆事故发生的一个重要原因。

另外，GB50233-2005《110～500 kV架空送电线路施工及验收规范》中，仅对钢圈焊缝外观质量做了要求，未对焊缝内部质量明确要求。但是，从焊缝外观质量要求来看，母材咬边深度不得大于0.5 mm，且不得超过圆周长的10%，表面不允许裂缝，焊缝不允许不足。从规范来看，焊缝是要求全焊，且要焊透。但遗憾的是此规范未对焊缝内部质量进行明确要求。可见这部分内容的规定非常不合理、不科学、不规范。从质量控制体系来看，制造、施工质量验收应按设计要求进行。而GB50233不管设计是按一级、二级还是三级，以及设计规范与否，仅要求焊缝外观合格，是不合适的，不能满足设计要求。从这个角度来看，这部分内容的规定与GB50205《钢结构工程施工质量验收规范》存在冲突。

4 焊接质量检查分析

由于此次倒杆事故的产生原因具有一定的共性，某省公司立即组织对全省在运行110 kV高强水泥杆钢圈焊接接头进行焊缝质量无损检测。从抽查的31基水泥杆钢结构焊缝检测结果来看检测结果不乐观，31基钢圈焊接接头中有22基有未熔合、未焊透等超标缺陷，抽查不合格率为71.0%。而未熔合缺陷，等同于裂纹的危害；未焊透缺陷不但削弱了焊缝的有效厚度，而且导致根部应力集中，易产生裂纹。因此，此类焊缝，不能保证长期安全运行。

据排查，全省在运行110 kV环形预应力高强水泥杆共有733基，针对如此数量的水泥杆有必要考虑对钢圈接头进行补强或更换。从各方面来考虑，现阶段进行补强应该是最理想的方案。

5 高强水泥杆补强方案

5.1 补强方案

加固补强方案的优劣，首先应把是否具有施工作业方便性作为必要条件。加固方案应能体现加固工作所要求的短、平、快、省、优的特点。

针对目前高强度部分预应力混凝土杆段之间钢箍对接处焊接面存在未焊透、未熔焊以及焊高不足等质量问题和隐患，可以采取的补强措施主要为以下三种方式：在钢箍处采用钢圈抱箍加强；在钢箍处采用碳纤维布缠绕包裹加强；在钢箍处采用钢板或型钢焊接加强。

其中，第三种补强方式构造简单、施工时基本不影响杆塔正常使用，但必须在已建杆塔上进行焊接作业。考虑杆身上工作面狭小，同时必须进行高空焊接工作，一方面焊接工作实施困难，另一方面不可避免地存在焊接设备不易到位、焊接质量不易保证的缺点；再者在钢箍上进行大面积的焊接作业对钢箍本身亦有损伤。另外，在省内大范围同步实施，设备和工器具以及焊工也不易同步到位，施工周期长，质量不易保证，因此此方案不宜采用。

第二种补强方式采用的碳纤维布，其特点是强度极高，能灵活地用于抗弯、封闭箍和抗剪等加固工程，抗疲劳能力突出；材料自重轻，厚度小，加固后基本不增加基体厚度；具有良好的柔韧性，能包裹复杂外型的构件；施工便捷，施工时基本不影响杆塔正常使用；但造价较高，同时施工使用的碳纤维布及配套的树脂、机具等必须由具有施工经验的专业施工队伍实施，否则施工的工艺和质量无法保证。因补强工作需在全省大范围内同步开展，点多面广，限于专业施工单位的人力和设备资源的劣势，施工周期无法保证，不具备短、平、快、省、优的特点，因此此方案也不宜采用。

第一种补强方式，在高强度部分预应力混凝土杆的杆段钢箍处，采用两片大钢圈螺栓连接方式加强，结构简单，施工简便。经初步统计分析，根据《110 kV～0.4 kV输电配电线路部分预应力电杆典型设计》，不同的杆段配置以及钢箍尺寸，而确定对应的钢圈尺寸。对于省内采用的高强度部分预应力混凝土杆按7种规格定制即可满足已建水泥杆线路的补强工作。同时，7种规格钢圈可以在加工厂批量加工制造，加工周期短，加工质量和焊接技术水平易保证。因两片钢圈采用螺栓连接，施工简便，可以满足省内大范围内同步开展的需要，工程加固补强周期最短，此方案可用。

5.2 补强措施

对于钢圈加固补强施工过程，因高强度部分预应力混凝土杆为锥形杆，为了使加固钢圈能紧贴水泥杆表面，防止钢圈在长期动力荷载情况下发生滑移，须在加固钢圈内壁以及处理好的混凝土表面抹上专门配制的改性环氧树脂胶粘剂，方可采用螺栓紧固安装就位。安装前，必须保证水泥杆表面打磨平整，无杂物及凸起；对已有水泥杆钢箍进行除锈、打磨，水泥杆混凝土以及加固钢圈进行除尘并用丙酮或二甲苯清洗钢箍及混凝土表面。

补强工艺流程：钢圈制作→基底处理→配胶→粘贴→固定及加压→固化→检验。

5.3 施工注意事项

为了保证施工质量，施工中应注意：

针对不同的钢圈规格应选用不同的加固钢圈，改性环氧树脂胶粘剂必须采用A级胶，使用前需进行现场质量检验，并进行抗拉拔试验，其安全性检验指标必须符合《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367-2006)4.5.5条规定，合格后方能使用，使用时在现场配制，配制时按产品说明书规定进行。

施工时，应制定可靠措施保证加固钢圈就位准确。加固钢圈中心应与焊缝中心重合，加固钢圈螺栓连接端必须置于顺线侧(即与横担方向垂直)。

考虑胶粘剂固化的因素，建议施工时应在晴天或多云天气、无风或微风(5m/s)气象条件下实施加固补强工作，不得在湿度大的天气、大风天气以及雨天进行施工作业。施工单位要注意天气变化，如在加固施工后胶粘剂固化期可能遭遇阴雨天气，应做好加固补强部位的防水措施。

为保证加固钢圈防盗性，水泥杆最下一段加固钢圈的连接螺栓采用双帽加滚珠防盗帽方式防盗，其他部位连接螺栓采用双帽螺栓。

5.4 加固钢圈尺寸表

根据理论计算，针对全省使用的7种钢圈，应分别从表1中选取相应的加固钢圈。

表1 加固钢圈尺寸表

6 结束语

据了解，整个国网公司使用此类非拉线环形预应力高强混凝土水泥杆数量众多，且也有类似倒杆事故发生，原因基本相同，因此对此类电杆进行加固或更换是迫在眉睫之事。本文的加固方案在国网公司尚未见报道，其对生产运行有重要的指导意义。

参考文献：

[1]许晨，许诺.防止配电线路倒杆的措施[J].农村电工，2008(6)：29-30

[2]吴昌恒，张宇.南方山区220 kV线路倒杆原因分析及对策[J].江西电力，2008，32(S1)：242-6