长沙加固：玉贤变电站500kV构架粘钢加固探讨

 钢管构架在我国的大型开关站、变电站中有着极其广泛的应用。但是，此类构架在长期自然环境和使用环境的双重作用下会受到不同程度的损伤，会严重降低钢管构架的安全性、适用性和耐久性。
　　500kv玉贤变电站500kv构架因为加工和施工问题，在使用多年后出现钢管锈蚀，锈蚀部位出现发黑，黄水外流的现象。在玉贤变电站即将扩建第3、4间隔的时候，如何选择安全、经济、有效的加固方案，在不停电的前提下，对500kv构架进行加固，成为玉贤变电站四期、五期扩建工程的当务之急。
　　2工程概况
　　500千伏玉贤变电所位于武汉市蔡甸区，于1996年建成并投入运行。
　　本工程四期、五期将扩建500kv配电装置的第3、4间隔,五期将扩建#2主变,扩建后第3、4间隔的500kv构架及#2主变构架将承受导线及设备荷载。
　　本工程现场收资发现,500kv构架柱接头为现场焊接接头,热喷锌防腐,由于现场焊接破坏了钢管壁镀锌层,加之镀锌孔封闭不严,导致钢管接头内侧锈蚀;另外由于当时构架工厂加工精度产生偏差,构架柱运至现场后安装不上去,安装单位现场采用高温烘烤等方法校正构架柱,致使部分构架柱镀锌层破坏。经过近十年的风吹雨淋,构架柱烘烤过的部位发生锈蚀,现场可见锈蚀部位有发黑、流黄水现象。
　　3构架检测及结果
　　为了保证工程的安全可靠，运行单位委托武汉大学检测中心对构架柱的锈蚀范围、锈蚀程度及结构安全性进行检测评定。
　　3.1检测结果
　　表3-1钢柱厚度检测值
　　检测位置 厚度
　　(mm) 平均值(mm) 设计厚度（mm） 锈蚀率％
　　3～c轴柱（标高2m） 4.2 5.4 4.9 4.8 7.0 33.3
　　3～c轴柱(标高1m) 6.8 6.9 6.5 6.7 7.0 4.6
　　3～c轴柱(标高5m) 6.4 6.8 6.7 6.6 7.0 5.7
　　2号母线支架(标高12m) 5.6 5.7 5.8 5.7 7.0 18.7
　　2～e轴柱（标高18m） 5.5 5.6 5.8 5.6 7.0 20
　　3.2检测结果分析
　　（1）从检测结果看，锈蚀厚度为0.3~2.2mm不等，平均锈蚀厚度为1mm。钢管柱设计厚度为7mm，最大锈蚀率为33.3％，平均锈蚀率为14％。
　　（2）钢管的局部变形较大，局部凹进最大深度达30mm。(2～e轴柱)
　　根据检测结果，500kv玉贤变电站500kv构架钢管局部锈蚀和局部变形较严重，最高锈蚀率为33.3%，如不进行处理,锈蚀部位将进一步加重,严重影响结构安全。为了工程安全起见,有必要对锈蚀严重的部位及变形严重的部分进行加固处理。
　　4外粘钢加固薄壁钢管柱的试验和理论研究
　　4.1试验研究
　　武汉大学土木建筑学院对外粘钢加固薄壁钢管柱力学性能进行了试验研究。试验过程及结果分析如下：
　　试验共用11根圆形截面钢管，分为a、b、c、d四种类型，其中a组为未加固的试件，b、c、d为三组加固试件，具体情况见表4-1。
　　试件编号 加固形式
　　a 未加固
　　b 由1500mm长的钢板弯成半圆形将钢管包粘起来，钢板纵向接缝处不作处
　　理。
　　c 在b组试件的基础上，增加钢板纵向接缝处焊接。
　　d 由四块750mm长的钢板弯成半圆形将钢管包粘起来，钢板纵、横向接缝处都焊接起来。
　　表4-1各试件加固形式
　　表4-2材料主要物理力学性能指标
　　项目
　　名称 弹性模量
　　(gpa) 泊松比 剪切强度
　　(mpa) 抗拉强度
　　(mpa) 抗压强度
　　(mpa) 使用温度
　　（℃）
　　wsj建筑
　　结构胶 4.27 0.317 ≥18 ≥32 ≥76 ＜80
　　q235钢材 210 0.3 - 330 330 -
　　试件的高度均为1500mm，钢管的外径为426mm，壁厚7mm，外粘钢板厚2mm。粘结剂厚2mm，各试件两端部包一直径为442mm、厚2mm的圆形钢板进行局部加强，以避免在受压时出现端部局部破坏，影响试验结果。试件以及加固情况如图4-1所示。
　　
　　图4-1钢管加固前后示意图
　　试验在5000kn三轴应力试验机上进行，如图4-2所示。各个试件在钢管内壁及外粘钢板表面轴向与环向布置电阻应变片，以测定试件在各级荷载下的应力。
　　试验的主要目的是了解上述几种形式加固后构件可能产生的破坏形式、抗压承载力的提高程度、外粘钢板与原钢管的组合工作性能等。
　　图4-2试验加载
　　试验结果分析
　　1、极限承载力结果与分析
　　各试件极限承载力及破坏形态见表4-3。
　　表4-3各试件屈服荷载、破坏荷载及破坏形态
　　试件编号 屈服荷载
　　（）
　　(kn) 破坏荷载
　　()
　　(kn) 
　　(kn) 破坏形态
　　a a-1 1700 2380 2390 屈曲失稳
　　 a-2 1800 2400 屈曲失稳
　　b b-1 2400 3100 3053 钢板接口裂开，钢管大幅度屈服，但无外观变化
　　 b-2 2400 3060 屈曲失稳，钢板接口裂开
　　 b-3 2600 3000 钢板接口裂开，钢管大幅度屈服，但无外观变化
　　c c-1 2400 3320 3257 钢管大幅度屈服，但无外观变化
　　 c-2 2400 3200 屈曲失稳
　　 c-3 2200 3250 大幅度屈服，但无外观变化
　　d d-1 2600 3210 3193 屈曲失稳
　　 d-2 2800 3150 大幅度屈服，但无外观变化
　　 d-3 2400 3220 屈曲失稳
　　从表5-3可以看出各试件的破坏形态为钢管内轴向压应力超过屈服点后在强化过程中产生的失稳破坏，加固后的b、c和d组试件的屈服荷载及破坏荷载相对a组试件分别提高了约26%、35％和32％。
　　2、应变分析
　　图4-3所示为d组试件的荷载－应变图（其它组图略）。从应变试验数据可以看出，加固试件也是在轴压使管内轴向应力超过材料屈服极限应力，且应变迅速增长以后，在材料开始强化的过程中逐渐达到或接近试件的极限承载力才丧失承载能力，而且无论在材料处于线弹性阶段还是非线性阶段，内外壁对应的应变测量值都很接近，内壁应变值为原构件上应变，外壁应变值为外粘薄钢板的应变。这说明外粘钢板与薄壁钢管很好地协调工作，具有联合工作的性能。
　　图4-3d组试件的荷载－应变图
　　4.2理论分析
　　钢管外粘钢加固后，其形式为原钢管—胶层—外粘钢的组合结构。因其构造形式与轻夹心三层壁板相似，故可通过一定方法运用单层壳理论分析这一组合结构的力学性能。
　　1、轻夹心三层壁板的特点
　　轻夹心三层壁板的特点为：两个外层都是用高强度、高弹模的薄板制成，而中间层则是低强度、低弹模、轻夹心的夹心材料。
　　2、折合刚度
　　1）基本假定：
　　①忽略两个承载外层彼此靠近的影响；
　　②取夹心的法向弹性模量等于零，也就是在三层圆筒壳的刚度计算公式中只引入承载层的数据；
　　③认为层间没有分离，也就是保证层与层之间的连接在全部接合面上都很牢固。
　　2）三层不对称壁板剖面的折合刚度
　　三层不对称壁板剖面的折合刚度和外表面至中性面的距离（图5-4）用下列各式来表示：
　　（1）
　　（2）
　　图4-4不对称三层壁板
　　、分别为外层厚度和弹性模量；、分别为内层厚度和弹性模量；为中间胶层的厚度；z0为外层至中性面的距离；为整个薄壳的厚度，且=。
　　3）钢管外粘钢加固后折合刚度
　　根据第三章试验部分可知，原钢管和外粘钢板为同一种材质，材料的弹性模量相同，因此。根据式（1），（2），其折合刚度为：
　　（3）
　　根据圆柱壳在轴压下的稳定性分析，壁厚为t材性与试件相同的单层壳的抗弯刚度为：
　　（4）
　　比较式（3）、（4）可知，在保证不脱胶的情况下，胶层增大了试件的抗弯刚度，提高了试件的承载力。
　　3、加固试件理论计算结果
　　加固后的试件为原钢管—粘胶层—外粘钢的组合结构，外粘钢板与内层原钢管为承载层，由试件的材料属性可知，内部夹心胶层——wsj建筑结构胶的弹性模量与钢材q235的弹性模量相比很小，可以不考虑其承载，因此加固后试件的构造与夹心壳类似。根据前面所述的计算理论，可以求得组合结构的折合刚度为：
　　由轴压下圆柱壳的稳定性可知临界应力为：
　　（5）
　　将相关参数代入上式可得：＝57154mpa，683564kn，，因此，试件不会发生弹性屈曲，这一结论与试验结果完全吻合。
　　5加固后运行结果
　　在不停电对500kv构架进行了粘钢加固后，取得了良好的效果。加固结果见图5-1。
　　
　　9结论
　　玉贤变电站是第一台百万等级变压器的变电站，四期、五期扩建为着鄂东环网以及武汉市区的平峰度夏有着重要的意义。粘钢加固方案对500kv构架进行了加固，顺利进行了四期、五期扩建，成功平峰度夏，产生了良好的经济和社会效益。
　　根据试验研究数据，以及理论分析比较，玉贤变电站500kv构架加固结果，证明外粘钢板后，结构胶能够可以使加固结构与原结构有效地联合工作，共同抵抗外荷载的作用，增大了截面的刚度，提高了钢管柱的承载力和稳定性，达到了良好的加固效果。
　　而且外粘钢加固可以在不停电的条件下进行施工，不仅加固效果好，而且施工快捷，不影响生产，不需要焊接，不会产生焊接残余应力和变形，不会破坏原结构的镀锌保护层，工程造价低，具有很好的经济效益和社会效益，与其他加固方案相比具有明显的优点，值得在其他类似结构加固工程中采用。