插入角鋼式輸電鐵塔基礎(chǔ)承載力試驗(yàn)研究

張 波,楊利容

(西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,四川 成都 610407)

近年來,我國高壓輸電線路輸電塔很多都采用了插入式角鋼基礎(chǔ)。然而這一基礎(chǔ)形式的外荷載從角鋼傳遞到混凝土基礎(chǔ)卻是一個(gè)十分復(fù)雜的過程,對(duì)于基礎(chǔ)承載力的影響因素也較多。此文主要結(jié)合 500 kV輸電線路插入角鋼式基礎(chǔ)承載力試驗(yàn)的結(jié)果,分析這種基礎(chǔ)承載力的影響因素,為今后類似工程建設(shè)提供數(shù)據(jù)參考。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

1.1 模型試件設(shè)計(jì)

室內(nèi)模型試驗(yàn)主要是研究插入角鋼的類型(主材鋼Q420),角鋼埋置深度、剪切件錨固情況對(duì)基礎(chǔ)承載力的影響。由于主要研究插入角鋼的作用,因此本試驗(yàn)不考慮混凝土強(qiáng)度的影響(基礎(chǔ)所采用的混凝土強(qiáng)度為C25)。試驗(yàn)中主材上附加的剪切件均采用∠80×8Q345角鋼。剪切件通過螺栓錨固在主材上面,方向與主材垂直;將應(yīng)變片等距布置在主材角鋼上面,應(yīng)變片數(shù)量根據(jù)主材長度而定(主材長度由埋置深度確定,隨深度增加而增長)。由于插入角鋼式基礎(chǔ)與混凝土柱坡度一致,為便于操作,將角鋼直接插入混凝土柱中。試件詳細(xì)情況見表 1。試驗(yàn)前,按照文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[3]分別對(duì)每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。

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1.2 試驗(yàn)加載模式

本次試驗(yàn)主材選用兩種規(guī)格∠125×8、∠160×14,其抗力標(biāo)準(zhǔn)值分別為 827.4 kN和1818.6 kN,而所選用的柱截面尺寸為 400mm×400mm和 500 mm×500mm,本試驗(yàn)中能承擔(dān)的抗拔力標(biāo)準(zhǔn)值分別為 284.8 kN和 445 kN。因此,如果在試驗(yàn)中直接將試件底部錨固而在角鋼上施力上拔,在角鋼受力較小時(shí)混凝土柱就已經(jīng)被拉裂,混凝土中的拉力傳至柱中的鋼筋承擔(dān),當(dāng)柱中鋼筋配置較少時(shí),柱可能被拉斷或底部的錨固位破壞。為了能夠完整地考察角鋼的錨固性能,因此在試驗(yàn)加載時(shí)選擇自平衡模式,即混凝土和角鋼同時(shí)受力,大小相等方向相反,混凝土中有個(gè)預(yù)加壓應(yīng)力的作用,這樣在試驗(yàn)中混凝土不致在較小的上拔力下就被拉壞。抗壓試驗(yàn)則在常規(guī)壓力試驗(yàn)機(jī)上完成。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

1.3.1 各試件試驗(yàn)情況匯總

綜合各試件實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù),將各試件的破壞荷載匯總于表 2。

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1.3.2 無錨固件時(shí)基礎(chǔ)承載力

由 SJ-1與SJ-3對(duì)比看出,角鋼埋置深度對(duì)基礎(chǔ)抗拔力的提高作用是很大的。深度從 1.0m到 1.5 m提高了一倍。由于本次試驗(yàn)主要針對(duì)有錨固件的基礎(chǔ)承載力的研究,因此未做多余的無錨固件試件進(jìn)行對(duì)比。文獻(xiàn)[4]中試驗(yàn)表明針對(duì)無錨固件插入角鋼式基礎(chǔ),角鋼深度達(dá)到某一臨界深度后,對(duì)基礎(chǔ)的抗拔力增加并不明顯。

1.3.3 有錨固件和無錨固件基礎(chǔ)承載力對(duì)比

通過 SJ-1與 SJ-2對(duì)比看出,當(dāng)設(shè)置錨固件時(shí),基礎(chǔ)承載力提高了一倍多,對(duì)比 SJ-3可以看出,在一定程度上對(duì)抗拔承載力的貢獻(xiàn)值大于通過增加埋置深度的貢獻(xiàn)值,說明在同等條件下設(shè)置錨固件比增加埋置深度對(duì)基礎(chǔ)抗拔承載力的提高更有效。這是由于角鋼錨固件有效增加了主材表面的不平整度和表面積,混凝土與主材的粘接強(qiáng)度較不帶錨固件的試件有明顯的提高。同時(shí)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,由于有錨固件的作用,角鋼雖不斷被拉伸,但卻延緩了角鋼被徹底拔出,角鋼被拔出的殘余位移將因?yàn)殄^固件的作用而加大。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,把混凝土鑿開,看到錨固角鋼件已經(jīng)嚴(yán)重?cái)D壓變形,說明錨固件在阻止角鋼被拔出過程中起到了很大的作用。

1.3.4 有錨固件的基礎(chǔ)承載力

1.3.4.1 插入單角鋼基礎(chǔ)承載力

通過 SJ6-2、SJ7、SJ8數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出,增加錨固件個(gè)數(shù)對(duì)角鋼承載能力貢獻(xiàn)是巨大的,增加 3個(gè)錨固件從 SJ-2到 SJ7試件承載能力將近提高了 30%,SJ7到SJ8也提高了近 10%,但明顯提高幅度降低了,說明在一定范圍內(nèi)增加錨固件可以顯著提高插入式角鋼基礎(chǔ)極限承載能力,超出某一界限,再增加錨固件對(duì)基礎(chǔ)承載能力影響將不明顯。同時(shí)從SJ6三組試件結(jié)果對(duì)比以及SJ4三組試件結(jié)果對(duì)比可以看出不同受力狀態(tài)下基礎(chǔ)承載能力差異較大,特別是雙向受力與單向受力,這在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該引起注意。

1.3.4.2 插入雙角鋼基礎(chǔ)承載力

通過SJ5-1與 SJ5-2兩組試件的試驗(yàn)結(jié)果可知基礎(chǔ)插入雙角鋼后,承載力顯著提高,但提高值卻不是相應(yīng)單角鋼承載力的兩倍,分析原因可能有以下兩點(diǎn):(1)試驗(yàn)加載方式的影響,使雙角鋼受到了偏心荷載的影響,造成材料的提前破壞。(2)雙角鋼依靠綴板將兩個(gè)角鋼連接,其協(xié)同工作能力有待驗(yàn)證。

2 基礎(chǔ)真型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際荷載特性、實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)狀況和室內(nèi)模型試驗(yàn)成果,設(shè)計(jì)真型試驗(yàn)基礎(chǔ),其具體參數(shù)見表 3。

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2.2 試驗(yàn)方法

為模擬基礎(chǔ)的實(shí)際工作情況,采用慢速循環(huán)維持荷載的加卸載方案,豎向上拔力/下壓力和模擬縱橫向水平力按比例加載,都由千斤頂直接施加水平和豎向荷載。測(cè)試應(yīng)變片的布置見圖 1。

圖1 應(yīng)變片布置圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

角鋼在不同荷載工況下的應(yīng)力見圖 2。

圖2 主材應(yīng)力

2.3.2 結(jié)果分析

真型實(shí)驗(yàn)與模型實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果規(guī)律基本相同,不同位置處角鋼受力具有不同步性,埋置越深,所分擔(dān)的力越小;離加載處越近所受到的力越大;這是由于荷載是沿著角鋼的埋入深度通過插入角鋼逐漸傳遞給混凝土的。同時(shí)從上面應(yīng)力圖可以看出:在受壓模式下,主材角鋼上的應(yīng)力沿插入角鋼的埋置深度減小幅度很大。可以理解為,在受壓狀態(tài)下,壓應(yīng)力可以在較短的距離內(nèi)傳遞給混凝土;而抗拉時(shí)傳遞相同荷載卻需要較長距離。

3 結(jié)束語

(1)插入式角鋼基礎(chǔ)中,角鋼與混凝土組成一個(gè)共同受力體,外荷載能夠通過角鋼與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度以及錨固件傳遞到混凝土基礎(chǔ)中,然而這一過程是個(gè)非常復(fù)雜的力學(xué)過程。在這一過程中角鋼與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度將直接影響基礎(chǔ)承載能力,而通過實(shí)驗(yàn)表明在一定范圍內(nèi)通過增設(shè)錨固件將有效提高基礎(chǔ)承載能力。

(2)插入角鋼式基礎(chǔ)承載能力與基礎(chǔ)埋置深度、角鋼種類、有無錨固件等有很大關(guān)系。

(3)荷載沿角鋼傳入混凝土中,受壓時(shí)在較短范圍內(nèi)傳遞,受拉時(shí)在較長范圍內(nèi)傳遞,因此為了提高基礎(chǔ)承載能力,在相同大小的荷載條件下,角鋼錨入深度在受拉時(shí)要較受壓時(shí)的大。

(4)雙角鋼插入式基礎(chǔ)的承載能力明顯高于相同種類的單角鋼插入式基礎(chǔ),但提高幅度并非是單角鋼的兩倍。

[1]DL/T 5219-2005架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]

[2]DL/T 5154-2002架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]

[3]GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[4]魯先龍,程永鋒.750KV輸電線路角鋼插入式基礎(chǔ)承載力試驗(yàn)[J].中國電力,2006,39(1)