輸電塔基礎(chǔ)連梁對(duì)基礎(chǔ)水平位移影響分析

劉正偉，底尚尚，田雪凱，劉凱悅

（1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013；2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

隨著我國(guó)輸電線路電壓等級(jí)的提升，鐵塔的基礎(chǔ)作用力及基礎(chǔ)水平力越來越大，再加上受走廊、地域等條件的限制，不少地區(qū)的一些輸電線路不可避免地要經(jīng)過一些淤泥質(zhì)土及軟土區(qū)域，導(dǎo)致鐵塔基礎(chǔ)水平位移比較嚴(yán)重。輸電塔結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性直接決定了整個(gè)輸電線路能否正常運(yùn)行，對(duì)于輸電線路的安全運(yùn)行有著重要影響，開展基礎(chǔ)水平位移方面的研究十分必要。有關(guān)輸電塔基礎(chǔ)連梁及連梁尺寸方面的研究目前較少，胡超等[1-2]建立了基礎(chǔ)—連梁—子基礎(chǔ)—土體相互作用模型，對(duì)比分析了子母基礎(chǔ)與掏挖基礎(chǔ)的差異，結(jié)果表明設(shè)置連梁有利于基礎(chǔ)受力；徐彬等[3-5]提出一種新型子母基礎(chǔ)，研究了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，結(jié)果表明新型子母基礎(chǔ)受力良好且經(jīng)濟(jì)性優(yōu)。在現(xiàn)有的研究中，大多只考慮基礎(chǔ)部分，僅對(duì)基礎(chǔ)部分進(jìn)行分析，未考慮輸電塔結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的耦合作用?；谀壳把芯楷F(xiàn)狀，本文選取典型實(shí)際工程，考慮基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)的耦合作用，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS，建立樁—土—輸電塔耦合計(jì)算模型，基于耦合模型建立連梁與改變連梁尺寸，研究連梁對(duì)基礎(chǔ)水平位移的影響。

1 樁—土—輸電塔耦合計(jì)算模型

本文以實(shí)際工程為背景，選取2 個(gè)典型輸電塔及其基礎(chǔ)作為研究對(duì)象，在有限元軟件ABAQUS中分別建立群樁與單樁形式的樁—土—輸電塔耦合模型，群樁和單樁形式的耦合模型分別命名為PST1 和PST2。土體、樁體、承臺(tái)和連梁等均使用實(shí)體單元模擬，輸電塔采用B31 梁?jiǎn)卧M。截取有限土體計(jì)算區(qū)域，在土體側(cè)向和底邊分別設(shè)置滾支和固定邊界，采用主從接觸面法對(duì)樁—土接觸面進(jìn)行處理，設(shè)置樁—土間的相互作用[6-7]。

PST1 模型為群樁基礎(chǔ)模型，其中有無連梁的群樁耦合模型分別命名為PST1-1 和PST1-2，模型中鋼筋混凝土樁露頭高度8.8 m，樁長(zhǎng)60 m，樁徑1.8 m，縱筋為30 d 36 mm（30 根直徑為36 mm 的鋼筋，下同）。PST2 模型為單樁基礎(chǔ)模型，其中有無連梁的單樁耦合模型分別命名為PST2-1 和PST2-2，模型中鋼筋混凝土樁露頭7.5 m，樁長(zhǎng)14.5 m，樁徑14.5 m，縱筋為46 d 20 mm。在有限元分析中將鋼筋混凝土等效為單一材料混凝土。PST1 輸電塔結(jié)構(gòu)總高143.5 m，根開為30.7 m×30.7 m；PST2輸電塔結(jié)構(gòu)總高為81.6 m，根開為15.6 m×15.6 m，桿件材料均為Q345 和Q420。

2 連梁對(duì)基礎(chǔ)水平位移的影響分析

2.1 有無連梁對(duì)基礎(chǔ)水平位移的影響

2.1.1 有無連梁對(duì)群樁基礎(chǔ)水平位移的影響

PST1-1 為有連梁群樁基礎(chǔ)，連梁布置如圖1所示（圖1 中，Q345 d 630×12 是指桿件材料為Q345，桿件直徑630 mm、厚度12 mm；Q345 d 711×14 是指桿件材料為Q345，桿件直徑711 mm、厚度14 mm）。

圖1 群樁基礎(chǔ)平面布置圖（mm）

為對(duì)比連梁對(duì)基礎(chǔ)水平位移的影響，去除PST1-1 中的連梁部件，建立無連梁樁—土—輸電塔模型PST1-2。以垂直輸電線路方向?yàn)閄 向（即90°方向），以順輸電線路方向?yàn)閅 向（即0°方向）。對(duì)PST1-1 和PST1-2 模型施加重力和外部荷載，其中外部荷載為90°大風(fēng)時(shí)輸電塔與輸電線上的風(fēng)荷載，并將輸電線的重力、張力和風(fēng)荷載施加到輸電塔的掛點(diǎn)處。為使基礎(chǔ)水平位移明顯，便于分析比較，對(duì)輸電塔施加2 倍水平荷載，對(duì)比分析輸電塔基礎(chǔ)水平位移（如圖2 所示）。圖2 表明，有連梁時(shí)基礎(chǔ)絕對(duì)水平位移基本小于無連梁時(shí)基礎(chǔ)絕對(duì)水平位移，尤其當(dāng)荷載增大時(shí)，設(shè)置連梁可明顯減小基礎(chǔ)位移。

圖2 不同基礎(chǔ)條件下荷載對(duì)水平位移的影響

2.1.2 有無連梁對(duì)單樁基礎(chǔ)水平位移的影響

PST2-2 為無連梁?jiǎn)螛赌Ｐ?，為研究單樁基礎(chǔ)中連梁對(duì)基礎(chǔ)位移的影響，在PST2-2 中設(shè)置連梁，建立有連梁的單樁模型PST2-1，其中連梁型號(hào)為d 711×14（d 711×14 是指桿件直徑711 mm，桿件厚度14 mm，下同）。

對(duì)各部件施加重力，對(duì)輸電塔施加外部荷載，單樁基礎(chǔ)有無連梁時(shí)基礎(chǔ)水平絕對(duì)位移情況如表1 所示。

表1 有無連梁基礎(chǔ)絕對(duì)水平位移

表1 表明，在外部荷載作用下，單樁基礎(chǔ)無連梁時(shí)基礎(chǔ)X 方向最大絕對(duì)水平位移為34.85 mm；設(shè)連梁時(shí)基礎(chǔ)X 方向最大絕對(duì)水平位移5.04 mm。除此之外，無連梁時(shí)基礎(chǔ)最大相對(duì)位移為28.79 mm；設(shè)置連梁時(shí)，基礎(chǔ)最大相對(duì)位移為1.68 mm。因此可以得出，對(duì)于單樁基礎(chǔ)，設(shè)置連梁可顯著減小基礎(chǔ)的整體水平位移和基礎(chǔ)間相對(duì)位移。與群樁基礎(chǔ)相比單樁基礎(chǔ)設(shè)置連梁時(shí)，對(duì)基礎(chǔ)水平位移的減小效果更明顯。

2.2 連梁尺寸對(duì)基礎(chǔ)水平位移的影響

本文以PST1-1 模型為研究對(duì)象，通過在模型中設(shè)置不同尺寸的連梁，研究連梁尺寸對(duì)基礎(chǔ)水平位移的影響。PST1-1 連梁布置中基礎(chǔ)A 和基礎(chǔ)B間連梁尺寸較大，其余連梁尺寸都相同。鋼連梁的尺寸由直徑和厚度決定，基于控變量原則，分別改變連梁的厚度和直徑，研究其對(duì)基礎(chǔ)水平位移的影響。

2.2.1 連梁厚度對(duì)基礎(chǔ)水平位移的影響

根據(jù)鋼管型號(hào)，選擇14 mm、12 mm、10 mm、8 mm 厚度，基礎(chǔ)A 和基礎(chǔ)B 間設(shè)置Size 1 型號(hào)連梁，其余基礎(chǔ)間分別對(duì)應(yīng)設(shè)置Size 2 型號(hào)連梁，以改變樁—土—輸電塔耦合模型中連梁厚度。Size 1型號(hào)的連梁為d 711×14、d 711×12、d 711×10、d 711×8；Size 2 型號(hào)的連梁為d 630×12、d 630×10、d 630×8、d 630×6。

對(duì)模型設(shè)置不同厚度連梁時(shí)，基礎(chǔ)間X 方向和Y 方向相對(duì)水平位移分別如圖3（a）和（b）所示。從圖3 可以看出，當(dāng)連梁型號(hào)為d 711×14、d 630×12時(shí)，各基礎(chǔ)間X 方向和Y 方向的相對(duì)位移均最小；當(dāng)連梁型號(hào)為d 711×8、d 630×6 時(shí)，各基礎(chǔ)間相對(duì)位移均最大。因此，在基礎(chǔ)中設(shè)置鋼連梁，連梁直徑不變時(shí)，隨著連梁厚度的減小基礎(chǔ)間相對(duì)位移逐漸增大。

圖3 鋼連梁厚度不同時(shí)基礎(chǔ)間相對(duì)位移

2.2.2 連梁直徑對(duì)基礎(chǔ)水平位移的影響

基礎(chǔ)A 和基礎(chǔ)B 間設(shè)置Size 1 型號(hào)連梁，其余基礎(chǔ)間分別對(duì)應(yīng)設(shè)置Size 2 型號(hào)連梁，以改變樁—土—輸電塔耦合模型中連梁直徑。Size 1 型號(hào)的連梁為d 820×14、d 711×14、d 660×14；Size 2 型號(hào)的連梁為d 711×12、d 630×12、d 559×12。

對(duì)模型設(shè)置不同直徑連梁時(shí)，基礎(chǔ)間X 方向和Y 方向相對(duì)水平位移分別如圖4（a）和（b）所示。從圖4 可以看出，當(dāng)連梁型號(hào)為d 820×14、d 711×12時(shí)，各基礎(chǔ)間X 方向和Y 方向的相對(duì)位移均最??；當(dāng)連梁型號(hào)為d 660×14、d 559×12 時(shí)，各基礎(chǔ)間X方向和Y 方向的相對(duì)位移均最大。因此，在基礎(chǔ)中設(shè)置鋼連梁，連梁厚度不變時(shí)，隨著連梁直徑的減小基礎(chǔ)間相對(duì)水平位移逐漸增大。

圖4 鋼連梁直徑不同時(shí)基礎(chǔ)間相對(duì)位移

3 結(jié)論

本文依托實(shí)際輸電工程，運(yùn)用有限元分析軟件ABAQUS，基于樁—土—輸電塔耦合模型，通過設(shè)置連梁與改變連梁尺寸，研究了有無連梁以及連梁尺寸對(duì)基礎(chǔ)水平位移的影響。通過分析得出以下結(jié)論：第一，在樁—土—輸電塔模型中，設(shè)置連梁可以顯著減小群樁和單樁基礎(chǔ)整體水平位移與相對(duì)水平位移，尤其是單樁基礎(chǔ)水平位移；第二，設(shè)置鋼連梁，當(dāng)連梁直徑相同時(shí)，連梁厚度越大，基礎(chǔ)間相對(duì)水平位移越??；第三，當(dāng)連梁厚度相同時(shí)，連梁直徑越大，基礎(chǔ)間相對(duì)水平位移越小。因此，在輸電線路的實(shí)際工程中，一定要根據(jù)輸電塔的結(jié)構(gòu)，結(jié)合輸電塔與塔基礎(chǔ)之間在耦合作用，科學(xué)合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，確保輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。