Исследования железобетонных центрифугированных стоек опор ЛЭП с арматурой класса Ау1000П

Высоковольтные линии электропередачи – это необходимый элемент для поставки электроэнергии от производителя до потребителя. В 70-е годы прошлого столетия темпы ввода новых ЛЭП в СССР достигали 35 тыс. километров в год. Примерно половина всех опор изготавливалась из железобетона.

В связи с достигнутыми к настоящему времени объемами электрификации в Центральной России потребность в строительстве новых ЛЭП значительно сократилась. В то же время естественные потери стоек ЛЭП во времени, а также перспективы освоения просторов северных, сибирских и дальневосточных районов из-за переориентации экономических связей России с Запада на Восток делают актуальными задачи по увеличению объемов производства и повышению технико-экономической эффективности использования центрифугированных железобетонных стоек для высоковольтных опор линий электропередачи.

Разработка и освоение производства секционированных железобетонных предварительно напряженных центрифугированных стоек для опор ЛЭП длиной до 26 м открыла новые перспективы для их широкомасштабного внедрения.

Основным фактором, обеспечивающим надежность и долговечность предварительно напряженного железобетона, а также снижение его себестоимости, является использование высокопрочных бетона и арматуры.

В данной статье дается оценка эффективности использования высокопрочной арматуры класса Ау1000П с новым эффективным четырехрядным профилем взамен используемой в настоящее время арматуры класса А800 для изготовления длинномерных центрифугированных предварительно напряженных стоек.

Железобетонные опоры (рис. 1) выпускаются с использованием технологии центрифугирования стоек. Широкое применение получили цилиндрические и конические стойки. Эксплуатируются такие опоры уже более 60 лет. В настоящее время в различных природных условиях эксплуатации находится несколько десятков тысяч таких опор. Их основные преимущества:

• простота монтажа (стойка опоры устанавливается в пробуренный котлован);
• стоимость изготовления и монтажа железобетонных опор в 2 раза ниже стоимости стальных конструкций;
• стоимость строительства высоковольтных линий электропередач (ВЛ) с применением железобетонных опор в среднем на 30 % ниже стоимости строительства ВЛ с применением стальных решетчатых и многогранных опор.

В то же время имеются и недостатки, выявленные в процессе эксплуатации:

• необходимость применения спецтранспорта для стоек длиной 20, 22,6 и 26 м;
• сокращение долговечности конструкций от коррозии арматуры, связанное с нарушением технологии изготовления стоек. Вытекание цементного молочка сквозь продольные швы неотрегулированной опалубки при центрифугировании может привести в эксплуатации к образованию длинных продольных трещин с глубиной, превышающей толщину защитного слоя бетона. Кроме того, поперечные трещины, образующиеся в процессе воздействия эксплуатационных кратковременных нагрузок, могут не закрываться после их прекращения.

Эти трещины начинаются от основания опор и доходят до середины. Трещины в бетоне подземной части стоек встречаются редко и вглубь грунта более 0,5 м практически не распространяются. На сельскохозяйственных полях в результате действия на стойки воды с химикатами, применяемыми в сельском хозяйстве, происходит шелушение и осыпание бетона, его выщелачивание. Из-за наличия трещин происходит интенсивная коррозия арматуры.

В настоящее время в ООО «ПО «Энергожелезобетонинвест» научно-исследовательской лабораторией конструкций электросетевого строительства (НИЛКЭС) разработано новое поколение железобетонных опор из секционированных стоек. Серия новых опор спроектирована в соответствии с современными нормами, что позволило избежать известных недостатков:

• разработан соединительный узел, позволяющий после изготовления цельных стоек с напрягаемой арматурой разделить их на части для решения проблемы транспортировки и складирования. Секции стоек длиной до 13 м обладают повышенной жесткостью;
• использована канатная арматура и бетон повышенной прочности для соответствия требованиям норм по трещиностойкости.

На данный момент при изготовлении предварительно напряженных центрифугированных стоек опор применяют арматуру с кольцевым и серповидным периодическим профилем, в основном класса А800. Арматура с кольцевым периодическим профилем имеет высокий критерий Рема (f_R > 0,1), вследствие чего у него хорошие показатели по сцеплению с бетоном. В то же время у данного вида профиля наблюдается крайне высокая распор­ность (рис. 2а), приводящая к чрезмерному трещинообразованию и раскалыванию окружающего бетона при спуске натяжения арматуры на бетон. У арматуры с серповидным профилем (рис. 2б, в) низкий критерий Рема (f_R > 0,056), а следовательно, низкая прочность сцепления с бетоном, приводящая также к проскальзыванию арматуры при спуске предварительного натяжения. Эти конструктивные особенности обоих видов профилей затрудняют использование арматуры более высокого класса, чем А800 при производстве центрифугированных опор. Исследования арматуры с четырехрядным серповидным профилем Ау1000П (рис. 2г) показали ее низкую распорность и высокую прочность сцепления в бетоне за счет распределения распорных усилий от поперечных ребер по нескольким направлениям и высокого критерия Рема (f_R > 0,075) [1–4], что позволяет снизить вероятность проскальзывания арматуры от распорных усилий и низкой прочности сцепления профиля при спуске натяжения арматуры на бетон. Винтовая двухзаходная резьба, возможность образования которой предусмотрена данным профилем, позволяет использовать эффективные муфтовые соединения без сварки и производить соединения как самой арматуры, так и секционных опор при помощи муфт и гаек, а также осуществлять анкеровку предварительно напряженной арматуры при ее практическом использовании.

Использование нового типа арматуры позволит повысить качество предварительно напряженных центрифугированных опор на стадии изготовления и увеличить срок их эксплуатации. Кроме того, минусовые допуски при производстве арматуры Ау1000П помогут экономить до 3 % процентов от массы стали. Отсутствие продольных ребер уберет концентраторы напряжений, негативно влияющие на выносливость арматуры, что позволит ее использовать для опор, находящихся в зоне сильных ветровых нагрузок. Винтовая резьба откроет возможность для стыковки арматуры без применения сварки. Станет доступным применение дешевых видов арматуры из низколегированных сталей вместо дорогостоящих горячекатаных, а также замена дорогостоящих и трудоемких сварочных соединений на резьбовые муфтовые соединения [1–4].

За эталонный образец при проведении исследований и контрольных испытаний была принята стойка СК 26.1–1.1. Характеристики материалов стойки СК 26.1–1.1 по ГОСТ 22687.1-85 [5] представлены в табл. 1, 2, опытных стоек с измененным армированием – в табл. 3, 4. Армирование и сечение стойки по ГОСТ 22687.1-85 представлены на рис. 3 и 4 [5].

Проведение испытаний

Изготовление и испытания опытных образцов стоек проводились в пос. Каменники Ярославской области на заводе РЭЖБ (Рыбинскэнергожелезобетон). Образцы подвергались термической обработке. Образцы СК1 и СК2 изготовлены из одного замеса бетона для получения достоверных сравнительных характеристик конструкций (табл. 5). Армирование образцов выполнено в соответствии с разработанными в лаборатории НИЛКЭС чертежами.

Средняя прочность вибрированного бетона по контрольным образцам на день распалубки 59,5 МПа, это примерно соответствует классу бетона В50.

Повышенный по сравнению с принятым в ГОСТ 22687.1-85 класс бетона принят для оценки возможности снижения расхода стали в случае применения высокопрочной арматуры Ау1000П и в дальнейшем оптимизации армирования с учетом возможности повышения усилий предварительного натяжения. Для испытания стоек завод оснащен специальным стендом. Стойка закрепляется на стенде в горизонтальном положении и фиксируется в устоях. Под средней частью стойки устанавливается подвижная опора. Испытания выполнены на следующем оборудовании:

• лебедка грузовая 8 т;
• динамометр пружинный общего назначения 9016 ДПУ-УХЛ-2 модификация 9016 ДПУ-100-2.

Нагружение осуществлялось поэтапно статической нагрузкой. Этапы в долях от полной расчетной нагрузки 20, 40, 60, 83,3 % (нормативная); 100 % (расчетная); 110, 120, 130, 140 %. На каждом этапе загружения измерялись прогибы в контрольных точках, а также фиксировался момент образования трещин и ширина их раскрытия. Выдержка на каждом этапе составляла 10 мин. После доведения нагрузки до 100 % от расчетной производилась полная разгрузка образцов, после чего фиксировались остаточные деформации стоек и остаточная ширина раскрытия трещин. Далее производилось нагружение образцов до нагрузки, равной 100 % от расчетной за один этап, после чего нагрузка увеличивалась на 10 % на каждом этапе до контрольных значений, равных 140 % от расчетной и далее, вплоть до разрушения образца либо до исчерпания технических возможностей стенда по перемещениям конца стойки.

Перед испытаниями образцов были осмотрены их торцевые части на предмет наличия в них трещин, которые возникают при снятии натяжения арматуры. На рис. 5 и 6 показаны торцы СК2. Как видно из фото, торцы имеют весьма неровную поверхность, трещины на торцах не обнаружены. Следует отметить, что как нижний, так и верхний торцы стоек находятся в зонах, где силовые факторы (изгибающие моменты, продольные усилия) имеют малые значения, поэтому наличие трещин (если бы таковые были обнаружены) не ухудшит эксплуатационные характеристики стоек.

На рис. 7–10 приведены фотографии, иллюстрирующие процесс испытания стоек.

Выводы по испытаниям стоек СК1 и СК2

Стойка СК1 выдержала испытания по ширине раскрытия трещин, прогибам и прочности. После разгрузки величина раскрытия всех трещин не превысила допускаемые нормами 0,02 мм.

Стойка СК2 выдержала испытания по ширине раскрытия трещин, прогибам и прочности. После разгрузки все трещины закрылись, кроме одной с шириной раскрытия 0,01 мм.

Податливость стойки СК2 немного больше податливости стойки СК1. Остаточные деформации стойки СК2 также больше, чем остаточные деформации стойки СК1. Последнее связано с площадью сечения арматуры класса Ау1000П, которая прокатывается с минусовым допуском.

Установлено, что процент полного закрытия трещин стойки СК2 выше, чем у стойки СК1, что в целом увеличивает коррозионную стойкость арматуры и увеличивает долговечность эксплуатации изделия.

Выводы по испытаниям стойки СК3

Стойка СК3 (рис. 11–14) выдержала испытания по ширине раскрытия трещин, прогибам и прочности. После разгрузки все трещины закрылись.

Податливость стойки СК3 меньше податливости стойки СК1 вследствие большего усилия предварительного натяжения арматуры.

Закрытие трещин увеличивает коррозионную стойкость арматуры и долговечность эксплуатации изделия. В СК3 увеличено предварительное натяжение до 119,5 тс, на 19 % по сравнению с СК1 и СК2. Это стало возможным из-за применения инновационной арматуры класса Ау1000П более высокой прочности с четырехрядным профилем низкой распорности, а также принятому классу бетона: В50 вместо В40 по ГОСТ 22687.1-85.

Стойка СК3 армирована Ø12 Ау1000П напрягаемой арматуры, общий вес 277 кг, и ненапрягаемой арматурой 2Ø12 Ау1000П, весом 18 кг. Стойка СК1 армирована Ø12 А800 напрягаемой арматуры, общий вес 277 кг, и ненапрягаемой арматурой 15Ø12 А800, вес 136 кг. Таким образом, замена арматуры А800 на арматуру Ау1000П с одновременным повышением класса бетона с В40 до В50 дает экономию стали 28 %. Оценка экономической эффективности конструкции СК3 по основным материалам без учета закладных деталей и трудозатрат дана в табл. 5.

Сравнение результатов испытаний СК1, СК2, СК3

В табл. 6 для сравнения приведены результаты испытаний СК1, СК2, СК3.

Заключение

Сравнение результатов испытаний стоек СК1, СК2 и СК3 позволяет сделать следующие выводы:

1. Податливость стойки СК2 немного больше податливости стойки СК1. Остаточные деформации стойки СК2 также больше, чем остаточные деформации стойки СК1.
2. Установлено, что процент полного закрытия трещин стойки СК2 выше, чем у стойки СК1, что в целом увеличивает коррозионную стойкость арматуры и увеличивает долговечность эксплуатации изделия.
3. В целом прочностные и деформационные показатели стоек СК1 и СК2 близки друг к другу.
4. Что касается стойки СК3, то ее податливость меньше податливости стойки СК1 в силу большей величины усилия предварительного натяжения арматуры, что увеличивает коррозионную стойкость арматуры и увеличивает долговечность эксплуатации изделия.
5. В стойке СК3 увеличена величина предварительного натяжения до 119,5 тс, что на 19 % больше по сравнению с СК1 и СК2. Это стало возможным из-за применения высокопрочной арматуры класса Ау1000П с четырехрядным профилем и принятому классу бетона В50 вместо В40 по ГОСТ 22687.1-85.
6. Стойка СК3 армирована Ø12 Ау1000П напрягаемой арматуры, общий вес 277 кг, и 2Ø12 Ау1000П ненапрягаемой арматурой, вес 18 кг. Стойка СК1, армирована Ø12 Ау1000П напрягаемой арматуры, общий вес 277 кг, и ненапрягаемой арматурой 15Ø12 Ау1000П, вес 136 кг. Таким образом, замена арматуры А800 на арматуру Ау1000П с одновременным повышением класса бетона с В40 до В50 дает экономию стали продольной арматуры 28 %.
7. Из рассмотрения полученных результатов следует, что применение инновационной арматуры класса Ау1000П совместно с повышением класса бетона приводит к увеличению срока службы изделий за счет закрытия микротрещин при эксплуатации, а также дает экономию ненапрягаемой арматуры 28 % по сравнению с тестовым образцом стойки СК1 по ГОСТ 22687.1-85.
8. Стоимость образцов по основным материалам (за исключением закладных, поперечной арматуры) для СК1 составляет 29 566 руб., для СК3 – 25 425 руб., экономия составляет 4131 руб. (ценовые показатели по стоимости материалов приняты осредненными по региону Московская область).

Рекомендации по армированию предварительно напряженных центрифугированных опор на стадии изготовления и эксплуатации

Выполненные в рамках экспериментальных исследований результаты испытаний стоек конических центрифугированных предварительно напряженных дают основания рекомендовать для дальнейшего производства следующие основные технические характеристики стоек марки СК 26.1–1.1:

• применять класс бетона В50;
• усилие предварительного натяжения принять по величине 119 тс;
• в качестве напрягаемой применить арматуру класса Ау1000П в количестве 12 шт.;
• в качестве ненапрягаемой принять арматуру класса Ау1000П в количестве 2 шт. Эти стержни служат для организации заземления стоек.

Для стоек других марок по ГОСТ 22687.1-85 армирование принять по расчетам с применением ПК «Программа для расчета центрифугированных железобетонных стоек, версия 1.0». Указанная программа является разработкой ООО «ПО «Энергожелезобетонинвест» и имеет сертификат соответствия № 1814198.

Полученные в результате эксперимента данные по прочностным и деформационным характеристикам конических стоек марки СК 26.1–1.1 ГОСТ 22687.1-85 позволяют поставить вопрос о целесообразности корректировки ГОСТ 22678.1-85 в части применения арматуры Ау1000П и повышения класса бетона до В50–В60, что позволит получить экономию арматурного проката, а также увеличить срок эксплуатации стоек за счет уменьшения величины раскрытия трещин в процессе эксплуатации изделий.