輸電塔偏心板式基礎(chǔ)的應(yīng)用

黃春玲，楊 明，周傳濤，程志恒，陸志剛

(1.青海省電力設(shè)計(jì)院，青海 西寧 810008；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司建設(shè)公司，山東 濟(jì)南 250001；3.山東送變電工程有限公司，山東 濟(jì)南 250118；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司梁山縣供電公司，山東 濟(jì)寧 272600)

0 引言

輸電線路桿塔基礎(chǔ)是輸電線路結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它將上部結(jié)構(gòu)的各種荷載傳遞給地基，實(shí)現(xiàn)輸電線路安全運(yùn)行的目標(biāo)。輸電線路桿塔基礎(chǔ)的造價(jià)、工期及勞動(dòng)消耗量在整個(gè)線路工程中占有較大的比重，根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，基礎(chǔ)造價(jià)約占整個(gè)工程的15%～35%，基礎(chǔ)施工工期約占整個(gè)工程工期的50%，基礎(chǔ)材料運(yùn)輸量約占整個(gè)工程的60%，桿塔基礎(chǔ)型式選擇恰當(dāng)與否將關(guān)系到整個(gè)線路的安全性能及經(jīng)濟(jì)性能等。因此桿塔基礎(chǔ)在選型、設(shè)計(jì)及施工時(shí)應(yīng)貫徹國(guó)家基本建設(shè)方針及技術(shù)經(jīng)濟(jì)相關(guān)政策，堅(jiān)持“因地制宜、技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、方便施工、注重環(huán)保、節(jié)省投資”的原則，綜合考慮整個(gè)線路工程的各方面因素，選擇合適的桿塔基礎(chǔ)，使線路工程達(dá)到最優(yōu)化的目標(biāo)。

1 輸電線路基礎(chǔ)選型

架空輸電線路桿塔基礎(chǔ)型式應(yīng)根據(jù)桿塔型式、沿線地形、工程地質(zhì)、水文以及施工、運(yùn)輸條件等進(jìn)行綜合考慮確定。目前，架空輸電線路桿塔常用的基礎(chǔ)型式主要有原狀土基礎(chǔ)和大開挖回填基礎(chǔ)兩大類，兩大類基礎(chǔ)中又根據(jù)施工方式的不同衍生出多種基礎(chǔ)型式，如直柱掏挖基礎(chǔ)、直柱擴(kuò)展基礎(chǔ)、斜柱擴(kuò)展基礎(chǔ)、灌注樁基礎(chǔ)、錨桿基礎(chǔ)等。

輸電線路桿塔受力較為復(fù)雜，在有限元分析中一般將“導(dǎo)線—桿塔—基礎(chǔ)—地基”作為一個(gè)整體建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析，有限元模型能比較真實(shí)地反映整個(gè)體系的相互作用關(guān)系，在工程設(shè)計(jì)計(jì)算中，一般將地面以上部分的受力簡(jiǎn)化為水平力及豎向力作用于基礎(chǔ)之上，基礎(chǔ)再將作用力傳遞與地基，在這個(gè)傳力過程中，基礎(chǔ)起到了中間介質(zhì)的作用。

基礎(chǔ)作為由上而下的傳力通道，它本身需要有一定的強(qiáng)度及外部尺寸，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，工程設(shè)計(jì)中采取多種措施優(yōu)化桿塔基礎(chǔ)。例如，為了減小作用于板式基礎(chǔ)頂面的水平力效應(yīng)，桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中可采取偏心板式基礎(chǔ)以減小水平力的影響，如圖1所示，包括普通斜柱基礎(chǔ)、斜柱斜頂基礎(chǔ)、直柱地螺偏心基礎(chǔ)及直柱立柱偏心基礎(chǔ)等。

圖1 偏心板式基礎(chǔ)

上述幾種基礎(chǔ)型式皆能有效降低水平力影響，鑒于工程實(shí)踐及綜合考慮多種因素，工程中多采取直柱地腳螺栓偏心基礎(chǔ)，例如運(yùn)行中的±800 kV云廣直流輸電線路，在建的±800 kV山西晉北—江蘇南京特高壓直流輸電工程線路。

2 偏心基礎(chǔ)有限元分析

2.1 有限元模型

利用ABQUS有限元軟件，建立某工程直線塔基礎(chǔ)三維有限元數(shù)值仿真模型，基礎(chǔ)形式見圖2，桿塔基礎(chǔ)及地基均采用六面體單元C3D8r進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，詳見圖3。

圖2 板式基礎(chǔ)

圖3 基礎(chǔ)及地基六面體單元

模型計(jì)算范圍：自基礎(chǔ)主柱中心向前后左右各取50m的范圍，模型豎向尺寸為50m。

模型邊界條件：模型頂部為自由面，四周及底面為法向約束。

模型應(yīng)力場(chǎng)：模型初始應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力場(chǎng)。

2.2 有限元分析結(jié)果及解析

有限元分析過程中模型為線彈性模型，有限分析結(jié)果顯示地應(yīng)力場(chǎng)比較均勻，圖4為初應(yīng)力場(chǎng)平衡后地基應(yīng)力分布云圖，圖5為初應(yīng)力場(chǎng)平衡后地基位移分布圖。

圖4 地基應(yīng)力分布云圖

圖5 地基位移分布

在建立有限元模型過程中，地腳螺栓采用不同的偏心距布置于基礎(chǔ)主柱之上，而后對(duì)地腳螺栓不同偏心距模型進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，結(jié)果顯示：地腳螺栓于基礎(chǔ)主柱頂面的偏心距離由0m增加到某一數(shù)值時(shí)，地基最大位移均出現(xiàn)于遠(yuǎn)離偏心點(diǎn)的一端，此時(shí)作用于基礎(chǔ)主柱頂面的水平荷載起到控制基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的作用；當(dāng)偏心值超過某值后，地基最大位移出現(xiàn)在地腳螺栓偏心側(cè)，此時(shí)地基變形由基礎(chǔ)自重和豎向外荷載控制。上述變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 基礎(chǔ)底板遠(yuǎn)端和近端位移隨偏心率變化趨勢(shì)

有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果亦顯示，基礎(chǔ)底板角點(diǎn)應(yīng)力變化趨勢(shì)與地基變化趨勢(shì)相同，此變化過程如圖7所示。

由上述分析結(jié)果可知，當(dāng)?shù)啬_螺栓偏心率1/8～1/6這個(gè)范圍之內(nèi)時(shí)地基及基礎(chǔ)底板遠(yuǎn)端與近端位移比較接近，受力及變形較為均勻，輸電桿塔基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)效果較好。

圖7 基礎(chǔ)底板壓應(yīng)力變化曲線

2.3 有限元分析結(jié)果應(yīng)用

某±800 kV直流輸電線路工程基桿塔地質(zhì)條件如表1所示，基礎(chǔ)作用力如表2所示。本塔位擬采用板式直柱基礎(chǔ)，如圖8所示。

圖8 板式直柱基礎(chǔ)

表1 工程地質(zhì)條件

經(jīng)計(jì)算得出的普通直柱板式基礎(chǔ)的工程量如表3、表4所示。

表2 基礎(chǔ)作用力 kN

表3 普通直柱板式基礎(chǔ)工程量

表4 地腳螺栓偏心直柱板式基礎(chǔ)工程量

對(duì)比表3與表4中鋼筋與混凝土工程量可知，地腳螺栓偏心直柱板式基礎(chǔ)鋼筋量較普通直柱板式基礎(chǔ)鋼筋量減少約20.82%，混凝土減少約18.98%。

3 結(jié)語

輸電線路桿塔基礎(chǔ)是輸電線路結(jié)構(gòu)工程中的重要組成部分，其造價(jià)將影響到工程的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為使整個(gè)輸電線路工程的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到最佳效果，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇合適的基礎(chǔ)型式。

建立了地腳螺栓偏心板式基礎(chǔ)的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析結(jié)果顯示，地腳螺栓偏心基礎(chǔ)有效改善基礎(chǔ)主柱的受彎狀態(tài)，降低基礎(chǔ)主柱及基礎(chǔ)底板最大彎矩，改善基礎(chǔ)受力性能，減小基礎(chǔ)主柱及底板截面尺寸。地腳螺栓偏心板式基礎(chǔ)在工程中有著較為廣泛的應(yīng)用，工程經(jīng)濟(jì)效果較佳，減少基礎(chǔ)方量，從而降低基礎(chǔ)工程的綜合造價(jià)，工程資料顯示地腳螺栓偏心基礎(chǔ)可降低工程造價(jià)20%左右。鑒于上述地腳螺栓偏心板式基礎(chǔ)有限元分析結(jié)果及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果，此類基礎(chǔ)可于適合的工程中廣泛應(yīng)用。