插入式鋼管端部錨材錨固承載能力試驗研究

楊利容,鄭 勇

(1.西華大學建筑與土木工程學院,四川 成都 610039;2.中國電力工程顧問集團西南電力設計院,四川 成都 610021)

架空送電線路鋼管鐵塔與基礎通常采用地腳螺栓連接,而相關規定[1]、[2]中錨拴強度取值較低,當基礎作用力很大時,地腳螺栓按常規方式將布置不下。如采用插入式鋼管連接,直接將主管埋入基礎內,就可避免這些問題。我國國內還沒有采用插入式鋼管連接的設計和應用經驗,日本鋼管塔工程中有類似經驗,但日本鋼管塔電壓等級較小,荷載較小。

1 國內外研究現狀

根據日本輸電線路鐵塔相關標準[3]～[5]中插入式鋼管的相關理論,插入鋼管將上部桿塔傳遞的荷載傳遞到基礎。當柱體部分較短,僅靠柱體部分不能滿足錨固要求時,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《送電線路的大型鐵塔》[4]中有關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算:加在錨材單位寬度的彎矩為混凝土局部抗壓強度。

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(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行有限元分析,分析時的基本條件為:規格為 711×14的鋼管錨固于 2800mm×6300mm×1500mm承臺中,考慮到國內鋼管塔中荷載較大,端部錨材以槽鋼為例進行分析。

2.2 模型分類

根據所考查的重點不同,端部錨材錨固分析模型分為A～H共 8類,見表 1。

2.3 有限元分析結果

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表2列出了各模型下的極限承載能力標準值,并與按經驗公式(1)、(2)算得的結果相比較。表中比例是指前一欄中數值占按主材屈服強度標準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準值為按經驗公式(1)、(2)求得的承載能力設計值的 1.8～2.7倍。

3 試驗研究

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圖2 端部錨材錨固試件示意

共設計了兩個槽鋼錨材試件進行抗拔試驗,詳見表 3。圖 2為槽鋼錨材錨固試件示意圖。試驗在實驗室進行,考慮到實驗室的加載條件,主材鋼管截面取 325×8、 377×9兩種規格。試件澆筑前在鋼管及承壓板不同位置均粘貼了應變片。

試驗過程中,粘貼于鋼管上的應變片測定值與加載等級較吻合。試件均表現為鋼管主材的破壞。試驗最大加載值見表 4。由于局部偏心受力、材質不均勻等因素的影響,試驗數據有一定離散性。表中列出了根據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準值和根據經驗公式(1)、(2)算得的各試件的錨固承載能力設計值。

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從表 4可見,試件的推算錨固承載能力標準值與按經驗公式(1)、(2)算得的錨固承載能力設計值的 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算有較詳細的論述,考慮到實際工程中上拔荷載較大,使用斷面系數(截面抵抗矩)大的鋼材,增加錨材承載力更符合實際工程需要。此處以槽鋼錨材為例進行分析,根據有限元分析結果和試驗分析結果,建議端部錨材按下述方法進行設計:

(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:將槽鋼作為懸臂構件,承擔均布荷載 q,以錨固端最大應力達到鋼材強度設計值確定槽鋼的有效長度,即按槽鋼的彎曲強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計值計算公式,將式(2)中的混凝土容許抗剪強度 fs換為0.7ft,則槽鋼錨材的錨固承載力設計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 推薦公式與試驗值的比較

表5列出了按上述推薦公式計算的試件的錨固承載能力設計值,并與經驗值和試驗值相比較。

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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對計算結果影響不大,而推薦公式與我國現行規范是一致的。從上表還可看到,根據試驗推算的試件的錨固承載能力標準值大于公式計算的設計值的 1.2倍,可見經驗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構設計技術規定[S]

[2]DL/T 5219-2005架空送電線路基礎設計技術規定[S]

[3]JEC-127送電用支持物設計標準[S]

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

[5]日本鐵塔協會.輸電線路鋼管塔制作基準[S].1985