地層移動情況下輸電塔架極限承載力的數值計算及防控措施

劉鳴，李永誥

(棗莊力源電力設計有限公司，山東省 棗莊市，277101)

0 引言

位于煤炭基地采空區的輸電鐵塔受地表的沉降和變形作用，輸電鐵塔中將產生附加應力，嚴重時將損壞鐵塔，影響輸電線路安全。因此，研究地表變形對輸電鐵塔內力和變形的影響規律，對輸電鐵塔的建設和安全性評估具有重要的意義［1-2］。本文以雙回路直線型鋼管角鋼組合型輸電鐵塔為研究對象，采用數值分析方法，利用通用有限元軟件ANSYS，研究地表變形對鐵塔結構內力和變形的影響規律，獲得塔架的破壞形態、桿件承載力與位移變化關系，同時提出了防控措施。

1 輸電鐵塔有限元模型

本塔型為鋼管、角鋼混合結構，塔身構件均為鋼管，橫擔構件均為等邊角鋼，全高50 m。塔體弦桿和橫擔弦桿均為Q345B鋼，腹桿均采用Q235鋼，導線型號4×JLB20A-500/45，地線型號 LGJ-95/55，設計風速40 m/s。模型的彈性模量2.06×1011Pa，泊松比為 0.3，鋼材質量密度為 7.85 ×103kg/m3［1-4］。

整個鐵塔采用梁-桿混合單元，梁單元采用Beam189，桿單元采用 Link8。其中，主材(弦桿)和斜材(腹桿)采用梁單元，橫擔的次生斜腹件采用桿單元Link8［5-7］。鐵塔的有限元模型如圖1所示。

2 塔體地表位移的最不利工況

基礎發生不均勻沉降時候，可能發生2種情況:(1)桿塔具有剛體特性，剛體隨基礎發生整體轉動和移動;(2)由于地層移動使得桿塔本身的桿件應力增大，這會影響鐵塔的承載力。本文主要針對第2種情況進行有限元計算和分析。設X向為沿線路走向方向，Y向為垂直于線路方向，支座反力方向的Z向垂直向上為正方向。鐵塔支座節點如圖2所示，采用非線性方法［5］分析單支座位移的情況。

(1)工況Ⅰ:單支座下沉(節點2出現下沉)。在進行單支座位移加載時，2號節點位移引起的塔身反應較大，直接影響到塔架的第1個橫隔。使橫隔在支座下沉50 mm時達到屈服，支座反力激增明顯，如圖3所示。下沉支座及其對角支座桿件均受拉力，另一對角支座承受壓力，節點5、8為沿對角線方向的一對稱支座，故受力圖相同，ANSYS計算收斂出現困難，加載到150 mm時，反力值開始下降，說明有部分桿件達到其結構極限承載力［1］。

(2)工況Ⅱ:單支座沿垂直于輸電線路方向外移。2號支座節點沿垂直于輸電線路方向外移，當2號塔腿向外滑移不到150 mm時，在塔腿支座邊緣處首先出現第1次屈服，由于塔腿垂直于輸電線路方向外移，因此外移支座承受拉力。另外，另一對角線上的支座承受壓力，在整個塔體的變坡度橫隔處，桿件發生屈服現象嚴重，但在變坡度橫隔處向上，塔體應力不再受到塔腿基礎滑移的影響。外移到250 mm時，支座節點11反力出現拐點，如圖4所示，說明此時有較多桿件發生破壞，結構內力重分布［1］。

(3)工況Ⅲ:單支座沿平行于線路方向外移。塔架的2號塔腿平行于線路方向外移，當位移加載至150 mm時，靠近變坡度處的部分桿件開始進入塑性流動階段，坡度的第1橫擔上的桿件也受到了較為明顯的應力影響，這與豎向位移加載的響應不同。支座反力變化如圖5所示，在Z方向的反力可以看到有一明顯的拐點，變形較大桿件主要集中在與外移支座相連的桿件［1］。

圖3 支座反力曲線(工況Ⅰ)Fig.3 Inverse restriction force of support for scheme I

3 輸電鐵塔地基沉降防控方案

(1)修改線路規劃。合理選擇輸電線路路徑，認真做好調查研究，設計公司積極與地方電力公司及規劃部門進行協調，盡力避免線路通過地質惡劣區域及采空區。對于輸電線路跨越地帶，線路路徑還應當避開土地容易流失、河岸受沖刷、崩塌滑坡、地震斷裂及其他影響安全運行的地帶。

(2)線路設計采用單柱式鋼管塔。由于單柱鋼管塔有一個單獨基礎，其獨立基礎就相當于鋼筋混凝土筏板基礎的效果。

圖4 支座反力曲線(工況Ⅱ)Fig.4 Inverse restriction force of support for scheme II

(3)鐵塔選型。選用獨立式的剛性鐵塔，不能采用拉線鐵塔。拉線鐵塔主要靠拉線支撐，一旦鐵塔柱身基礎發生下沉，拉線隨即退出工作，極易倒塔，所以不能采用對地基下沉非常敏感的拉線鐵塔，而應采用抵御下沉能力較強的四腿剛性鐵塔。

(4)直線、耐張及轉角塔之間應留有1～2 m的裕度，以防地基均勻及不均勻沉降時，對地距離不夠。

(5)采空區所使用的直線及直線型耐張塔可抵抗由于地基不均勻下沉對鐵塔產生的次應力，以及引發線路偏移所產生的角度張力，一般可將水平檔距減小10%。采空區所使用的轉角塔，應減小5°，以抵抗由于地基不均勻沉降而引發塔身上的次生應力［8］。

圖5 支座反力曲線(工況Ⅲ)Fig.5 Inverse restriction force of support for scheme Ⅲ

(6)帶電扶正塔身。當鐵塔基礎沉降不大時候，采用在基礎上加墊塊的方法，將塔腿部分用鋼板墊起，從而以鋼板厚度彌補基礎沉降的高度。當下降較多時，基礎不宜使用此種方案。采用鋼板墊起的方案應注意所有處在采空區地段的鐵塔基礎主柱上的地腳螺栓的外露絲扣長度，均應加長100～200 mm。一旦發生地基下沉而引起基礎不均勻沉降時，采取增插鋼板扶正鐵塔的方法。調整鋼插板尺寸同塔腳板尺寸。鋼插板厚度為 8、10、12、14、16、20 mm，插板多層使用時可垂直調向進行插墊［8-10］。

(7)地質復雜地區設計選用聯合筏板基礎。桿塔設計應用最多的是臺階式獨立基礎，由于鐵塔4個塔腿可能沉降不同，會造成鐵塔不同程度的傾斜。采用鋼筋混凝土筏板基礎，可以有效減輕地基的不均勻沉降。

4 結語

在進行單支座位移加載時，2號支座節點下沉位移引起的塔身反應較大，直接影響到塔架的第1個橫隔，這是很危險的工況。為增強鐵塔自身的抗地表變形能力，除需著力加大靠近塔腿處的桿件強度外，變坡度處的橫隔桿件也應加強，橫隔在塔架中能起到明顯的抗扭和抗變形作用。

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