采空区输电线路防护大板抗冲切承载力分析

采空区输电线路防护大板抗冲切承载力分析

路智勇

国网山西省电力公司阳泉供电公司 山西 045000

摘要：为了评估已有设计规范和文献中的输电线路防护大板冲切承载力计算模型的精度，通过收集文献中已有的输电线路防护大板试验数据并和已有模型预测结果进行对比。结果表明影响计算模型的主要因素是输电线路承载率、采空区强度和有效板厚。在所有模型中，Ｅｌ－Ｇａｍａｌ模型的计算值与试验值吻合程度最好；Ｎｇｕｙｅｎ－Ｍｉｎｈ提出的模型考虑的因素最多，但该模型预测精度还有待提高；在各规范模型中，加拿大规范考虑的因素最为全面且预测精度最好；日本、英国等国家设计规范模型结果的理论值和试验值吻合较好；我国规范模型精度较低，且偏于不安全。该研究可为今后进一步提高输电线路防护大板冲切计算模型精度提供思路和方向。

关键词：输电线路；防护大板；冲切；承载力

1 抗冲切承载力模型

在分析规范计算模型和试验结果的基础上，部分学者对规范公式进行修正，提出了预测精度更好的半经验计算模型。Ｅｌ－Ｇａｍａｌ（2005）的计算模型是在规范ＡＣＩ－318—2005的基础上，考虑板的连续性和板底纵筋抗弯刚度对试件板冲切性能影响建立的。Ｎｇｕｙｅｎ－Ｍｉｎｈ（2013）模型是基于断裂力学方法，对尺寸效应、跨长与有效板厚比值的考虑建立的。

2 输电线路防护大板冲切文献数据

为了评估规范计算模型及其他计算模型的精度，共收集了相关文献的88个输电线路防护大板冲切试验数据，Ｖｔｅｓｔ表示试验板的极限承载力；Ｎ表示试验板的连续性；其中Ｂａｎｔｈｉａ和Ｍａｔｔｈｙｓ的试验板柱头均为圆形。为了将收集到的试验数据用于对各规范及其他计算模型的比较分析，对不同形状（圆柱体、立方体）采空区试块的抗压强度进行统一，和提出的转换公式（ｆｔ＝0.395ｆ0.55）和不同形状尺寸的采空区抗压强度转换系数，在相同条件下，输电线路防护大板比钢筋防护大板的抗冲切承载能力小，且在开裂后刚度下降更多，相同荷载下裂缝宽度更大这是由于输电线路弹性模量较小从而导致输电线路销栓作用减弱和出现更小的未开裂区。该模型考虑了尺寸效应、冲垮比（跨长与有效板厚比值）等因素对冲切承载力的影响。本研究是在前人工作的基础上，通过整理相关文献试验数据，对已有冲切计算模型的计算精度进行评估，并分析比较各计算模型精度高低产生的原因，

Ｂｏｕｇｕｅｒｒａ等试验发现高强度采空区可能会改善输电线路与采空区之间的粘结性能。Ｍａｔｔｈｙｓ等试验发现输电线路采空区方板与具有相似抗弯刚度的钢筋采空区方板具有相似冲切承载力。试验结果表明为钢筋弹性模量，取200ＧＰａ；Ｅｃ为采空区弹性模量；ｂｏ为负载区或者柱头尺寸周长。λ为考虑采空区密度的因数（取1）；ｃ为考虑采空区的影响因素（取1）；ａｓ为柱位置影响系数（中国规范取40，加拿大规范取4）；σｐｃ，ｍ为板不同方向预应力按长度的加权平均值（非预应力结构取为0）；βｃ为反力作用面积为矩形时的长边与短边尺寸的比值（中国规范2≤βｃ≤4，圆形取2）；γｂ为安全系数（取1）。

3 计算结果与分析

通过计算数据库中输电线路防护大板的试验冲切承载力（Ｖｔｅｓｔ）与各规范预测理论冲切承载力（Ｖｐｒｅｄ）的比较。计算结果平均值等于1.0为准确预测，其平均值大于1.0为保守预测，说明存在富余，偏安全；其平均值小于1.0表示模型高估了板的抗冲切性能，超出其服役阈值范围，不安全。规范ＭｏｄｅｌＣｏｄｅ—1990、规范ＢＳ8110—1997、规范ＪＳＣＥ—1997、规范ＣＡＮ／ＣＳＡＳ806—2012、规范ＡＣＩ440—2015的计算模型均保守预测了试件板抗冲切承载力，各规范模型的相应变异系数分别为32.2％，22.9％，23.1％，23.5％，29.9％。其中，规范ＡＣＩ440—2015模型预测最为保守，平均值为2.43，变异系数为29.9％。该模型是在ＡＣＩ－318中的钢筋板冲切公式的基础上，通过引入系数去修正了输电线路与钢筋的轴向刚度的不同且模型依旧未考虑尺寸效应、柱头形状等因素，从而导致模型预测精度较差，结果均低估板冲切性能。另外，规范Ｅｕｒｏ－ｃｏｄｅ2—2004、规范ＧＢ50010—2010的模型预测结果整体上离散性较大且高估板抗冲切能力，各规范的相应变异系数分别为31.9％，33.2％。这是因为ＧＢ规范模型直接采用了钢筋采空区结构冲切承载力公式，且该公式未考虑承载率这一重要参数。此外，计算结果表明当计算模型中采用为采空区强度指标，其模型预测值更为接近试验值。Ｅｌ－Ｇｈａｎｄｏｕｒ（2000）模型的准确度最高，平均值为1.02，变异系数为22.8％。Ｅｌ－Ｇａｍａｌ模型的计算结果离散性最小，其平均值为1.03，变异系数为15.4％。该模型首次对板的连续性和底板刚度进行了考虑。此外，Ｅｌ－Ｇｈａｎｄｏｕｒ（1999）的模型忽略了对承载率的考虑，其计算结果误差较大。

在冲切承载力计算模型方面，目前的计算模型主要有经验模型和半经验理论模型。经验模型主要包括目前的主流规范模型和在规范计算模型基础上所提出的一些改进修正模型。Ｍａｔｔｈｙ（2000），Ｏｓｐｉｎａ（2003）模型计算结果的平均值分别为1.27，1.03，变异系数为22.8％，18.9％。Ｏｓｐｉｎａ的模型是基于Ｍａｔｔｈｙ模型修正轴向刚度而得到的，其模型精度相较于Ｍａｔｔｈｙ模型精度有所提高。Ｎｇｕｙｅｎ－Ｍｉｎｈ（2013）的模型首次采用冲跨比作为参数并考虑了输电线路销栓效应，其计算结果的平均值为1.22，变异系数为22.3％，该模型精度有待进一步提高。

4 结论

笔者研究了一些不同国家规范和学者提出的输电线路防护大板冲切承载力计算模型的预测精度。通过评估分析可以得出如下结论：1）各国规范对影响板柱节点冲切承载力因素的认定各不相同，从临界截面位置、尺寸效应到承载率、输电线路强度、集中荷载作用面形状等都不相同。目前各国规范对于冲切的破坏机理上仍然存在分歧；2）计算结果分析表明，美国规范模型未考虑尺寸效应、柱头形状等因素影响，模型预测结果偏保守且精度不高。在各规范中，加拿大规范考虑的因素最为全面且预测值精度高，此外日本、英国等国家设计规范模型结果的理论值和试验值吻合较好；3）我国规范中输电线路防护大板抗冲切计算模型直接使用普通钢筋防护大板冲切承载力的计算模型，未考虑受拉筋的弯曲刚度、轴向刚度、承载率和弹性模量，与其他国家规范相比，按此规范模型设计的结构与其他计算模型相比更容易存在安全隐患；4）Ｅｌ－Ｇａｍａｌ提出的冲切承载力计算模型计算值与试验值吻合程度最好，该模型还能够考虑板连续性影响，Ｎｇｕｙｅｎ－Ｍｉｎｈ提出的模型考虑的因素最多，该模型基于断裂力学模型，考虑了冲跨比和输电线路的销栓效应，但该模型预测精度较低，还需进一步完善。

参考文献：

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