一、電桿力學性能試驗過程的簡要分析

(一) 受力理論分析

對水泥電桿進行力學性能試驗，電桿會發(fā)生“適筋破壞”。這種破壞的特點是：受拉鋼筋首先達到屈服強度，當維持應力不變而發(fā)生顯著的塑性變形，直到受壓區(qū)混凝土邊緣應變達到混凝土彎曲受壓的極限壓應變時，受壓混凝土被壓碎，截面即告破壞，電桿在完全破壞之前，由于鋼筋要經(jīng)歷較大的塑性伸長，隨之引起裂縫急劇開展和電桿撓度的激增，將給人明顯的破壞預兆。電桿受力過程可分為三個階段：

1. 第一階段：彈性階段?

當荷載較少時，水泥電桿截面內(nèi)產(chǎn)生的彎矩很小，因此截面上的應變也很少，混凝土基本上處于彈性工作階段，其截面應力與應變成正比。此外，電桿的撓度與彎矩也保持線性關系。荷載增大時，電桿截面彎矩和應變也隨之增大，由于混凝土的抗拉能力遠小于其抗壓能力，故在受拉區(qū)邊緣處混凝土首先出現(xiàn)應變的增長比應力的增長速度快的塑性特性。隨著彎矩繼續(xù)增大，直到加荷至截面彎矩達到其開裂彎矩時，受拉區(qū)邊緣纖維的應變值將達到混凝土受彎時的極限拉應變，截面處于即將開裂狀態(tài)，稱為第一階段末，體現(xiàn)水泥電桿的抗裂度。此時，受壓區(qū)邊緣纖維應變量測值相對還很小，故受壓區(qū)混凝土基本上處于彈性工作階段。

2. 第二階段：帶裂縫工作階段?

水泥電桿達到其開裂狀態(tài)的瞬間，荷載只要稍許增加，在純彎段內(nèi)混凝土抗拉強度較弱的截面上將出現(xiàn)第一批裂縫，原先由混凝土承擔的那一部分拉力將轉(zhuǎn)給鋼筋，使鋼筋應力突然增大了許多，故裂縫出現(xiàn)時電桿的撓度和截面曲率都突然增大。截面上應力會重分布，裂縫處的混凝土不再承受拉應力，受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)明顯的塑性變形。彎矩再增大，截面曲率加大，主裂縫開展越來越寬。當截面彎矩增加到某一數(shù)值時，受拉區(qū)縱向鋼筋開始屈服，鋼筋應力達到其屈服強度。第二階段相當于電桿在正常使用時的應力狀態(tài)，體現(xiàn)水泥電桿正常使用極限狀態(tài)下的變形和裂縫寬度。

3. 第三階段：破壞階段

隨著受拉鋼筋的屈服，裂縫急劇開展，截面曲率和水泥電桿的撓度也突然增大，形成破壞前的征兆。由于中性軸繼續(xù)往電桿另一側(cè)受壓區(qū)移動，受壓區(qū)高度進一步減少，受壓區(qū)混凝土壓應力迅速增大，受壓區(qū)混凝土邊緣應變也迅速增長，塑性特征也行將表現(xiàn)得更為充分。當彎矩繼續(xù)增大至極限彎矩時，受壓區(qū)邊緣混凝土將達到其極限壓應變（一般可取0.0033），受壓區(qū)邊緣混凝土將被壓壞并向外鼓出，電桿即將破壞。此時，在荷載幾乎保持不變的情況下，裂縫進一步急劇開展，混凝土被完全壓碎，截面發(fā)生破壞。第三階段是截面破壞階段，破壞始于縱向受拉鋼筋屈服，終結(jié)于受壓區(qū)混凝土壓碎，體現(xiàn)水泥電桿正截面受彎承載力。

(二) 試驗方法及計算公式

1. 錐形桿試驗方法：懸臂式

懸臂式試驗裝置見圖1-1，彎矩計算公式見:

2. 等徑桿試驗方法：筒支式

?筒支式試驗裝置見圖 1-2。

彎矩計算公式見式(1-2):

向下加荷時:

(三) 實例試驗分析

以錐形預應力環(huán)形混凝土電桿ZΦ190×12×K×Y（配筋：10根12m預應力鋼絲9.00-1470-WLR-H-GB/T5223-2014，混凝土設計強度C50，壁厚設計值55mm，保護層設計值17mm）為例，按GB4623-2014《環(huán)形混凝土電桿》的附錄B電桿力學性能試驗方法加載，進行力學性能試驗。

ZΦ190×12×K×Y電桿力學性能要求：抗裂檢驗系數(shù)≥1.0（開裂檢驗彎矩Mk：49.00kN*m）；承載力檢驗彎矩Mu≥78.00kN*m；當加荷至開裂檢驗彎矩Mk時，電桿不得出現(xiàn)裂縫且撓度≤143mm；當加荷至承載力檢驗彎矩Mu時，電桿撓度≤1000mm，受拉鋼筋不得拉斷，受拉區(qū)混凝土裂縫寬度＜1.5mm，受壓區(qū)混凝土不得破壞。

加荷程序：

第一階段：由零按開裂檢驗彎矩20%的級差加荷至開裂檢驗彎矩的80%，然后按10%的級差加荷至開裂檢驗彎矩，此時受拉區(qū)混凝土沒有裂縫出現(xiàn)。繼續(xù)按開裂檢驗彎矩10%的級差加荷至開裂檢驗彎矩130%時，B點受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫。

第二階段：由初裂彎矩卸荷至零，測量并記錄其殘余裂縫寬度及撓度值。

第三階段：由零按開裂檢驗彎矩20%的級差加荷至開裂檢驗彎矩的160%后，按開裂檢驗彎矩10%的級差持續(xù)加荷至開裂檢驗彎矩的220%，然后卸荷至零，試驗結(jié)束。

1.電桿力學性能實驗數(shù)據(jù)記錄，如下圖所示：

2.試驗過程分析：

第一階段的過程屬于“彈性階段”，由于預應力鋼絲和混凝土之間的黏結(jié)力，預應力鋼絲和混凝土共同工作，應力和應變大致成正比，應力和應變曲線接近于直線。在達到開裂檢驗彎矩的100%時，混凝土受拉區(qū)并沒有出現(xiàn)裂縫，使得電桿保持了良好的剛度。

隨著荷載的增加，預應力在截面下邊緣混凝土中產(chǎn)生的預壓應力將被荷載在截面下邊緣產(chǎn)生的拉應力所抵消。在第一階段末，推測在加荷至開裂檢驗彎矩的120%時，B點受拉區(qū)混凝土截面邊緣處的預壓應力為零（消壓狀態(tài)），值得一提的是，只有下邊緣的混凝土應力為零，截面上其他各點的應力并不等于零，因此電桿依然具有良好的剛度。

在加荷至開裂檢驗彎矩的130%時，B點受拉區(qū)邊緣混凝土拉應變達到極限，保持荷載3min后，極度細微裂縫產(chǎn)生（抗裂極限狀態(tài)），肉眼幾乎不可分辨，此時實測抗裂系數(shù)為1.3，撓度140mm，依然少于143mm（開裂檢驗彎矩下的撓度合格指標），這說明電桿的預應力鋼絲張拉值控制到位，導致抗裂度和剛度較高，當電桿在荷載作用下產(chǎn)生拉應力時，首先要抵消預壓應力，推遲了混凝土裂縫的出現(xiàn)。

第二階段初次開裂的裂縫閉合，其撓度也僅為5mm，說明混凝土的預應力基本沒有損失，預應力鋼絲并沒有發(fā)生屈服。

第三階段的過程屬于“帶裂縫工作階段”，由零按開裂檢驗彎矩20%的級差加荷至開裂檢驗彎矩的120%過程中的每一級的撓度和第一階段的相同荷載下的撓度相差無幾，而且第一階段的初裂裂縫依然閉合，進一步證明第一階段結(jié)束后預應力鋼絲沒有發(fā)生屈服，混凝土的預應力基本沒有損失，因此有效地限制了裂縫的發(fā)展。

隨著荷載繼續(xù)增大，其他一些截面上也先后開裂，裂縫的產(chǎn)生使截面剛度降低，裂縫截面上受拉區(qū)混凝土退出工作，拉力全部由受拉區(qū)鋼絲承受。在開裂檢驗彎矩的140%時出現(xiàn)第一個轉(zhuǎn)折點，導致應變的發(fā)展遠遠大于應力的增加。當達到開裂檢驗彎矩200%時，荷載保持已經(jīng)不是很穩(wěn)定了，這說明不斷有新的裂縫在產(chǎn)生，預應力鋼絲持續(xù)發(fā)生形變。一直到達到開裂檢驗彎矩220%時，電桿的受拉鋼筋沒有拉斷，所有裂縫依然沒有貫通全截面，受拉區(qū)混凝土裂縫寬度＜1.5mm，受壓區(qū)混凝土也沒有破壞的征兆，這主要得益于電桿采取了合適的配筋量且鋼絲均勻布置。值得一提的是，越往桿頂方向，裂縫寬度越小，裂縫條數(shù)越少，這說明越往桿頂方向，混凝土受拉區(qū)的受彎程度越低，因此“鋼筋質(zhì)量檢驗”應在電桿梢部取樣，那部分的鋼筋受彎程度低。

電桿卸荷至零后，個別的裂縫重新閉合，但存在肉眼可辨的裂縫，肉眼目測殘留撓度基本忽略不計，說明預應力鋼絲依然沒有屈服，而且原本混凝土受拉區(qū)還有殘留的混凝土預應力。