插入式鋼管端部錨材錨固承載能力試驗(yàn)研究

楊利容,鄭 勇

(1.西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,四川 成都 610039;2.中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院,四川 成都 610021)

架空送電線路鋼管鐵塔與基礎(chǔ)通常采用地腳螺栓連接,而相關(guān)規(guī)定[1]、[2]中錨拴強(qiáng)度取值較低,當(dāng)基礎(chǔ)作用力很大時(shí),地腳螺栓按常規(guī)方式將布置不下。如采用插入式鋼管連接,直接將主管埋入基礎(chǔ)內(nèi),就可避免這些問題。我國國內(nèi)還沒有采用插入式鋼管連接的設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),日本鋼管塔工程中有類似經(jīng)驗(yàn),但日本鋼管塔電壓等級較小,荷載較小。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

根據(jù)日本輸電線路鐵塔相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]～[5]中插入式鋼管的相關(guān)理論,插入鋼管將上部桿塔傳遞的荷載傳遞到基礎(chǔ)。當(dāng)柱體部分較短,僅靠柱體部分不能滿足錨固要求時(shí),可采用底板部分的錨固,即通過安裝在腿部主材上的錨固材將荷載傳遞到底板的混凝土上,這種錨固方式稱為端部錨材錨固。安裝在腿部主材上的錨固材可以為角鋼、槽鋼、工字鋼等型材。

根據(jù)《送電線路的大型鐵塔》[4]中有關(guān)于錨材的錨固力的論述,可知錨材的錨固力取決于以下兩式的較小值:

式中:q為錨材單位長度的分布荷載;t1為錨材上部混凝土厚度;fs為混凝土容許抗剪強(qiáng)度;∑Le為錨材有效長度之和。

圖1 錨材有效長度示意

錨材有效長度和錨材單位長度的分布荷載按以下方法計(jì)算:加在錨材單位寬度的彎矩為混凝土局部抗壓強(qiáng)度。

從而錨材單位長度的分布荷載為:

則一根錨材的有效長度 Le為:Le=2x2+Bw,Bw是連接綴板的有效寬度。

《送電線路的大型鐵塔》闡述了增加錨材承載力的方法:選用斷面系數(shù)(截面抵抗矩)大的鋼材,如槽鋼錨材。對于槽鋼錨材,其沖切面如何選取,該資料中未提及。

2 端部錨材錨固模型有限元分析

2.1 有限元分析模型

取工程中采用的鋼管進(jìn)行有限元分析,分析時(shí)的基本條件為:規(guī)格為 711×14的鋼管錨固于 2800mm×6300mm×1500mm承臺中,考慮到國內(nèi)鋼管塔中荷載較大,端部錨材以槽鋼為例進(jìn)行分析。

2.2 模型分類

根據(jù)所考查的重點(diǎn)不同,端部錨材錨固分析模型分為A～H共 8類,見表 1。

2.3 有限元分析結(jié)果

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表2列出了各模型下的極限承載能力標(biāo)準(zhǔn)值,并與按經(jīng)驗(yàn)公式(1)、(2)算得的結(jié)果相比較。表中比例是指前一欄中數(shù)值占按主材屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值算得的主材的承載能力的百分比,以下同。

從表 2可見,有限元分析所得的極限承載能力標(biāo)準(zhǔn)值為按經(jīng)驗(yàn)公式(1)、(2)求得的承載能力設(shè)計(jì)值的 1.8～2.7倍。

3 試驗(yàn)研究

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圖2 端部錨材錨固試件示意

共設(shè)計(jì)了兩個(gè)槽鋼錨材試件進(jìn)行抗拔試驗(yàn),詳見表 3。圖 2為槽鋼錨材錨固試件示意圖。試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,考慮到實(shí)驗(yàn)室的加載條件,主材鋼管截面取 325×8、 377×9兩種規(guī)格。試件澆筑前在鋼管及承壓板不同位置均粘貼了應(yīng)變片。

試驗(yàn)過程中,粘貼于鋼管上的應(yīng)變片測定值與加載等級較吻合。試件均表現(xiàn)為鋼管主材的破壞。試驗(yàn)最大加載值見表 4。由于局部偏心受力、材質(zhì)不均勻等因素的影響,試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定離散性。表中列出了根據(jù)各試件的荷載位移曲線、裂縫開展情況及最大加載值推算的試件的錨固承載能力標(biāo)準(zhǔn)值和根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(1)、(2)算得的各試件的錨固承載能力設(shè)計(jì)值。

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從表 4可見,試件的推算錨固承載能力標(biāo)準(zhǔn)值與按經(jīng)驗(yàn)公式(1)、(2)算得的錨固承載能力設(shè)計(jì)值的 1.2倍左右。

4 建議

4.1 推薦公式

《送電線路的大型鐵塔》對單角鋼錨材錨固承載力的計(jì)算有較詳細(xì)的論述,考慮到實(shí)際工程中上拔荷載較大,使用斷面系數(shù)(截面抵抗矩)大的鋼材,增加錨材承載力更符合實(shí)際工程需要。此處以槽鋼錨材為例進(jìn)行分析,根據(jù)有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)分析結(jié)果,建議端部錨材按下述方法進(jìn)行設(shè)計(jì):

(1)槽鋼翼緣的有效寬度:

式中:be為槽鋼翼緣有效寬度;d為槽鋼腹板厚度;t為槽鋼翼緣厚度。

(2)槽鋼單位長度的分布荷載為:

(3)槽鋼的有效長度 Le:將槽鋼作為懸臂構(gòu)件,承擔(dān)均布荷載 q,以錨固端最大應(yīng)力達(dá)到鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值確定槽鋼的有效長度,即按槽鋼的彎曲強(qiáng)度確定槽鋼的有效長度 Le。

(4)槽鋼錨材抗拔承載力:參照角鋼錨材的錨固承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式,將式(2)中的混凝土容許抗剪強(qiáng)度 fs換為0.7ft,則槽鋼錨材的錨固承載力設(shè)計(jì)值取決于以下兩式中的較小值。

式中:q為錨材單位長度的分布荷載;t1為錨材上部混凝土厚度;∑Le為錨材長度之和;其余參數(shù)同前。對槽鋼錨材,t1取槽鋼上下翼緣上部混凝土的平均厚度。

4.2 推薦公式與試驗(yàn)值的比較

表5列出了按上述推薦公式計(jì)算的試件的錨固承載能力設(shè)計(jì)值,并與經(jīng)驗(yàn)值和試驗(yàn)值相比較。

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從上表可以看到,角鋼錨材的錨固承載能力計(jì)算公式同樣適用于槽鋼錨材。公式(5)中采用 0.7ft代替原公式(2)中的 fs對計(jì)算結(jié)果影響不大,而推薦公式與我國現(xiàn)行規(guī)范是一致的。從上表還可看到,根據(jù)試驗(yàn)推算的試件的錨固承載能力標(biāo)準(zhǔn)值大于公式計(jì)算的設(shè)計(jì)值的 1.2倍,可見經(jīng)驗(yàn)公式和推薦公式均具有一定的安全余度。

[1]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]

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

[3]JEC-127送電用支持物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]

[4]陳友松.校送電線路的大型鐵塔[M].王偉興,譯.中國電機(jī)工程學(xué)會輸變電施工技術(shù)分會.

[5]日本鐵塔協(xié)會.輸電線路鋼管塔制作基準(zhǔn)[S].1985