插入角鋼錨固件計算方法的探討

任吉華, 賈素紅

(1.濰坊五洲鼎益鐵塔有限公司, 山東安丘 262100;2. 四川電力設計咨詢有限責任公司， 四川成都 610000)

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插入角鋼錨固件計算方法的探討

任吉華1, 賈素紅2

(1.濰坊五洲鼎益鐵塔有限公司, 山東安丘 262100;2. 四川電力設計咨詢有限責任公司， 四川成都 610000)

文章通過對插入角鋼混凝土基礎抗拔試驗結果的分析研究以及工程實際應用中發現的問題，指出現有DL/T 5154-2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》中插入角鋼錨固件的計算方法存在的問題，進而提出一種更合理的錨固計算方法。

插入角鋼； 錨固件； 計算方法

插入混凝土的角鋼是送電線路的重要結構構件，是鐵塔和基礎連接的重要方式。具有連接可靠、施工方便、耗鋼量少等優點。一般由錨固件和插入角鋼兩部分構成。角鋼斜插式基礎所受的上拔或下壓荷載，通過角鋼與混凝土間的粘結強度及錨固件可靠地傳遞到混凝土基礎中，但粘結強度與錨固件傳遞荷載和承擔荷載具有不同步性，在設計中不能將兩者進行簡單疊加。因此其設計原則是：錨固件和插入角鋼錨固不同時起作用。

桿塔上拔或下壓荷載從角鋼傳遞到混凝土基礎中是一個十分復雜的過程，影響插入角鋼承載力的因素很多。而我國現行的DL/T 5154-2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》[1](以下簡稱《技術規定》)插入角鋼錨固計算方法，是以“美國土木工程師協會(ASCE)結構分委會”編寫的《輸電鐵塔設計導則》作為設計依據。在我們實際應用過程中發現當基礎作用力比較大時，是由插入角鋼錨固件組數控制插入角鋼埋深，由錨固件計算公式得到的錨固件組數有的達到了7或8組，插入角鋼埋深達到了3 m以上，約是插入角鋼最小埋深的2倍多。我們經過對文獻[1]插入角鋼錨固件計算公式及基礎抗拔試驗結果的分析研究，發現其插入角鋼錨固件的計算方法有值得商榷的地方。

1 《技術規定》中的錨固件計算方法

角鋼錨固件承載力計算公式(其受力見圖1，即文獻[1]中的圖9.4所示)：

圖1 插入角鋼受力

(1)

P=1.19fc·L·(t+r+x/2)

(2)

n=N/P

(3)

式中：x為角鋼錨固件上反力呈三角形分布長度(mm)；P為單個角鋼錨固件允許承受的剪力荷載(N)；t為角鋼厚度(mm)；r為角鋼內圓弧的半徑(mm)；fc為混凝土的抗壓強度設計值(N/mm2)；L為角鋼錨固件的長度(mm)；b為角鋼錨固件的肢寬(mm)，t+r+x≤b；n為角鋼錨固件的數目；N為插入角鋼承受的拉力或壓力(N)。

2 《技術規定》錨固計算方法中存在的問題

2.1P計算公式中1.19fc取值存在問題

由公式(1)(文獻[1]中的7.4.2-2式)看出，x值是以1.19fc為混凝土抗壓強度設計值，角鋼錨固件不屈服計算得出的。其是以角鋼錨固件受壓肢弧以外肢寬自由變形為依據的，但實際上其上下均有混凝土的約束作用，以此作為計算依據是否合適還值得商榷。

由上分析可知文獻[1]中插入角鋼錨固件的計算公式認為角鋼錨固件處混凝土的強度設計值為單軸抗壓強度設計值的1.19倍。

在雙軸加載下的混凝土強度研究中，Kupfer等所得出的混凝土在雙軸加載時的強度包絡線反映了兩向受壓時混凝土破壞強度的基本特點[2]：當雙向受壓時，混凝土一向的抗壓強度隨另一向壓應力的增加而有所加大。最大強度約在兩向主應力比α=σ1/σ2=0.5處發生，約為單向抗壓強度的1.22～1.27倍。當兩向等壓(α=1)時，強度約是單向抗壓強度的1.16倍。由此可看出公式(2)中的1.19fc是按混凝土雙向受壓來取值的。

但是，實際上角鋼錨固件上端混凝土基本上處于基礎立柱斷面的中間部位，受力時其受到了各個方向上的約束作用，相當于三向約束的混凝土。因此，角鋼錨固件處的混凝土抗壓強度為三向受壓時的抗壓強度，其設計值約為5fc,比1.19fc要大的多。

文獻[3]中試驗結果顯示，在試驗完成后，將混凝土塊打開，檢查承剪連接件或混凝土塊的損壞或變形時，發現除剪壞的鉚釘或其它剪力連接件外，在承剪連接件上沒有發現任何的變形或變位，在承剪連接件所在的位置附近的混凝土也沒有發現破裂。文獻[4]中也有相似的結果，把試驗后的混凝土柱子砸開，看到錨固角鋼幾乎被擠壓成一個平面。如果將文獻[4]第Ⅰ組雙層角鋼試驗數據，用文獻[1]的計算方法來反推混凝土的應力峰值，可得到4fc。這均說明了在插入角鋼錨固件計算中以1.19fc作為混凝土的抗壓強度設計值，來計算角鋼錨固件的大小及組數是不合適的。按其設計出的插入角鋼錨固件數目太多，造成混凝土和鋼材的浪費，同時也增加了施工的難度。

2.2 錨固連接件的組數計算存在問題

文獻[3]試驗4帶焊接承剪連接件的試驗結果看到，插入角鋼極小的力明顯地由粘著摩阻傳入基礎。當加載到插入角鋼的屈服點時，在上部的一對承剪連接件實際上承受所有的拉力90 %，同時，位于第一對承剪連接件下0.34 m的另一對承剪連接件只承受所有拉力的10 %。

文獻[4]也有相似的結論：在雙層錨固件中，前一個錨固件比后一個錨固件分擔的荷載大4倍以上。同時從其結論中也看到，加大插入角鋼埋深，可提高基礎的抗拔極限承載力，但達到一定臨界深度后，埋深對插入角鋼承載力的增加作用不明顯。

因此，如果按文獻[1]中的方法來計算，錨固件的組數將偏多，從而造成插入角鋼埋深過大，第一組錨固件規格偏小不安全，而其下層的錨固件富裕，有的甚至完全不起作用，造成浪費。

3 角鋼錨固件計算方法探討

從以上的分析看出，用混凝土抗壓強度作為衡量錨固件承載力的計算方法是有問題的。從插入角鋼錨固件被剪壞時混凝土沒有破壞這一結果出發，我們可推導出一個較為合理的錨固計算方法。

3.1 角鋼錨固件組數計算

從文獻[3]中得知，第一組錨固件承受所有拉力的90 %，第二組承受10 %。文獻[4]中，前一個錨固件比后一個錨固件分擔的荷載大4倍以上。可以做出如此假定，n組錨固件受力按承受基礎豎向力的等比數列分布。

假定等比系數為q，第1組承受的荷載為P1,則插入角鋼極限承載力N可用下式表達：

(4)

第i個錨固件承受的荷載為Pi：

(5)

如果按文獻[3]所承擔的比值進行計算時，q=0.1，則當n=4時，第4組承受的荷載為：

P4=0.001N

(6)

即第4組已幾乎不承受荷載。

如果按文獻[4]所承擔的比值進行計算時，q=0.2，則當n=4時，第4組承受的荷載為：

P4=0.006N

(7)

即第4組也已幾乎不承受荷載。

因此，一般插入角鋼錨固件組數可取2～4組，且不宜超過4組。

3.2 角鋼錨固件強度計算

從以上提到的試驗數據得出，第一組錨固件的受力決定了插入角鋼錨固件的大小。由角鋼錨固件受力形式可知，其強度主要由剪力控制。假定第一組錨固件承受基礎立柱豎向力N的0.9倍[3]，則角鋼錨固件強度可按以下公式進行計算。

(8)

則：

N=0.64·f·t·m·L

(9)

式中：m為第一組錨固件的個數；其它參數意義與上相同。

3.3 螺栓錨固件強度計算

而螺栓錨固件強度計算公式也可由相同原理推導如下：

(10)

則：

(11)

第一組錨固件距基礎立柱頂面的距離及錨固件間距可按文獻[3]規定取值。

3.4 與試驗結果的比較

插入角鋼錨固計算的原則是錨固件和插入角鋼錨固不同時起作用。因此我們在比較時只能考慮錨固件所承受的荷載。

雙層角鋼及雙層螺栓錨固件受力比較列于表1中。

表1 錨固件受力比較

注：表中帶*是按屈服強度計算得出。

以上比較中，第Ⅰ組計算參數如下：

混凝土：C25，400×400

插入角鋼：Q235，∠100×8

角鋼錨固件：Q235，∠100×8

螺栓：6.8級M20

由表1比較可看出，本文推導公式計算結果是比較合理的。

4 結論及建議

(1) 通過分析試驗資料可以發現，試驗結果均是鉚釘或其它剪力連接件發生屈服，而在承剪連接件所在位置附近的混凝土沒有發現破裂。說明DL/T 5154-2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》中插入角鋼錨固計算方法以混凝土抗壓強度設計值為計算依據，是不合適的。

(2) 根據以往試驗結果，本文從錨固件的極限承載力出發，推導的插入角鋼錨固件公式所得到的結果與試驗數據比較接近且偏于安全，具有一定的合理性。

(3) 由于插入角鋼錨固件試驗資料有限，此次推導的插入角鋼錨固件計算公式的準確性，需要進一步的試驗和實踐驗證。

[1] DL/T 5154-2012 架空輸電線路桿塔結構設計技術規定[S].

[2] 周氏，康清梁，童保全. 現代鋼筋混凝土基本理論[M]. 上海交通大學出版社，1989.

[3] E.BRANDT，E.WERSE. 插入角鋼在砼基礎中拉力的傳遞分析[J]. EPC Vol.15 No.1.

[4] 魯先龍，程永鋒. 輸電線路角鋼斜插式基礎抗拔試驗研究[J].電力建設，2004, 25(10).

任吉華(1970～)，男，本科，高級工程師，從事企業經營管理工作。

TU312

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[定稿日期]2017-03-22