基礎位移作用下鐵塔力學特性及設計方案研究

徐 博，楊景勝，白 強，胡 超

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

基礎是輸電桿塔的重要組成部分和主要受力部位。當基礎發生位移時，即出現基礎的傾斜、不均勻沉降、水平滑移等情況時，輸電塔的根開和各塔腿之間的高差會發生變化，于是輸電塔的塔身結構會產生附加應力，從而減小了輸電塔塔身桿件的安全裕度，對輸電塔及全線路的穩定運行造成嚴重威脅。

為了確定當基礎發生位移時鐵塔桿件內力的變化規律以及不同位移情況下的塔身最危險桿件位置，進而對發生基礎位移之后的輸電塔的安全性能進行評估，本文以某750 kV輸電線路工程為背景，建立了鐵塔安全評估模型，計算并分析了基礎位移作用下輸電塔的受力情況，給出了基礎位移量和輸電塔安全可靠性之間的關系，并針對不同基礎位移作用下輸電塔的受力特性，對基礎位移作用下的輸電塔設計方案提出建議，供設計人員參考。

1 鐵塔安全評估模型

1.1 工程背景及有限元模型

本次選取的是某750 kV輸電線路工程的酒杯塔ZB31101。該塔為直線塔，塔高44.4 m，呼高36 m，根開8.95 m，水平檔距480 m，垂直檔距600 m，最大設計風速30 m/s。塔身結構形式及基本尺寸見圖1。

圖1 ZB31101結構圖

利用通用有限元軟件ANSYS建立鐵塔有限元模型，全塔采用beam188單元建模，考慮幾何非線性，建好后的鐵塔有限元模型見圖2。

圖2 ZB31101有限元模型

1.2 位移—軸力計算模型

在ZB31101有限元模型中，設位于塔腿底部的1660號節點為基礎位移控制點，通過對1660號節點施加沿不同方向的支座位移，模擬輸電塔在實際工程中發生基礎滑移和沉降的情況。

當基礎發生位移時，輸電塔的塔身桿件由于變形會產生附加應力。為了更好的確定桿件附加應力與基礎位移的關系，并比較基礎位移對輸電塔塔身不同部位桿件應力的影響，對輸電塔有限元模型的桿件單元進行了編號并分類。

塔腿各桿件單元編號見圖3。其中805、806、807、808號單元為塔腿主材單元，編為組Ⅰ，其余為塔腿斜材單元，編為組Ⅱ。

圖3 塔腿桿件編號

塔腿與塔身之間的橫隔面桿件單元編號見圖4。521～536號單位是橫隔面正側面的主材單元，383～390號單元是橫隔面的斜材單元。這兩組桿件為橫隔面上的主要受力桿件，分別編為組Ⅲ和組Ⅳ。其余桿件為橫隔面上的輔助材，在輸電塔正常工作以及發生基礎位移時產生的內力都較小，編為組Ⅴ。

圖4 橫隔面桿件編號

塔腿橫隔面上塔身節間的桿件單元編號見圖5。797～804號單元為塔身節間主材單元，編為組Ⅵ，625～632號、669～676號單元為塔身節間斜材單元，編為組Ⅶ。

圖5 塔身節間桿件編號

圖2中，X－Y平面為塔腿基礎所在的平面，當基礎發生水平位移時，即在X－Y平面內沿X軸或Y軸產生位移；當基礎發生沉降時，即沿Z軸產生豎向位移。

其中ui是塔腿基礎第1660號節點沿i方向的位移，l為塔腿根開。引入無量綱參數Δli，是為了建立桿件內力與無量綱參數Δli即基礎位移與根開比值的關系，使研究結果更具參考價值及普適性。

其中σt是輸電塔沿i方向發生基礎位移時的桿件平均拉應力，σc是輸電塔沿i方向發生基礎位移時的桿件平均壓應力，f為鋼材抗拉或抗壓強度設計值，γt為兩者之比。

當得出了各編組桿件在出現基礎位移時的Δli－γt或Δli－γc曲線后，就可以根據基礎位移的平均應力大小來判斷各編組桿件的最大平均拉壓應力，從而對輸電塔的安全性進行合理評估。

2 計算結果分析

輸電塔ZB31101根開l=8.95 m，分別取ui(i=x,y,z)為0.022375 m、0.04475 m、0.067125 m和0.0895 m，即令表示基礎位移與根開比值的無量綱參數Δli(i=x,y,z)為0.25%、0.5%、0.75%和1%。

當基礎位移控制點產生水平及豎向位移，即分別沿x,y,z方向產生位移，并使得Δli(i=x,y,z)等于0.25%、0.5%、0.75%和1%時，提取塔身各分組桿件的拉壓極值，并計算桿件平均拉壓應力極值與鋼材抗拉或抗壓強度設計值之比γt,γc，結果如下。

2.1 基礎沿X軸方向位移

當基礎沿X軸方向發生單向滑移時，塔腿基礎位移與根開之比Δlx和各分組桿件拉應力最大值與鋼材抗拉強度設計值之比γt的關系見圖6。

圖6 Δlx－γt關系圖

由圖6可知，桿件拉應力隨著位移的增加而增加。組II塔腿斜材以及組IV橫隔面斜材的平均拉應力遠遠大于其它編組的桿件拉應力。當位移達到塔腿根開的0.75%時，組II塔腿斜材的平均拉應力極值已經接近抗拉強度設計值的28%。當位移為塔腿根開1%時，平均拉應力極值可以到達抗拉強度設計值的38.31%。

當基礎沿X軸方向發生單向滑移時，塔腿基礎位移與根開之比Δlx和各分組桿件壓應力最大值與鋼材抗壓強度設計值之比γc的關系見圖7。

由圖7可知，組II塔腿斜材以及組IV橫隔面斜材的平均壓應力依然大于其他編組的桿件。組II塔腿斜材、組I塔腿主材以及組VI塔身節間主材的Δlx－γc呈非線性，在基礎位移增加的后期，會出現平均應力下降的情況。

2.2 基礎沿Y軸方向位移

當基礎沿Y軸方向發生單向滑移時，塔腿基礎位移與根開之比Δly和各分組桿件拉應力最大值與鋼材抗拉強度設計值之比γt的關系見圖8。

圖8 Δly－γt關系圖

由圖8可知，單向位移時塔腿及橫隔面斜材平均應力較大，且在一定范圍內呈線性變化。

當基礎沿Y軸方向發生單向滑移時，塔腿基礎位移與根開之比Δly和各分組桿件壓應力最大值與鋼材抗壓強度設計值之比γc的關系見圖9。

圖9 Δly－γc關系圖

由圖9可知桿件平均拉應力隨著基礎位移的增加而增加。Y軸單向位移下，塔腿斜材依然是主要的受力桿件，當γt大于0.75%之后，塔腿斜材的平均應力增速下降。其余編組的Δlyγc呈線性關系。

2.3 基礎沿Z軸方向位移

當基礎沿Z軸方向發生單向滑移時，塔腿基礎位移與根開之比Δlz和各分組桿件拉應力最大值與鋼材抗拉強度設計值之比tγ的關系見圖10。

圖10 Δlz－γt關系圖

由圖10可知，Z軸單向位移情況下，桿件內力遠遠大于基礎沿X軸和Y軸滑移的情況。當位移為塔腿根開1%時，塔腿斜材平均應力已達到抗拉設計強度的128.17%，實際情況中鐵塔早已破壞。組II塔腿斜材依然是主要受力桿件，但與前面情況不同的是，組I塔腿主材及組VI塔身節間主材平均應力較大，是基礎Z向滑移時的主要受力桿件。

當基礎沿Z軸方向發生單向滑移時，塔腿基礎位移與根開之比Δlz和各分組桿件壓應力最大值與鋼材抗壓強度設計值之比cγ的關系見圖11。

圖11 Δlz－γc關系圖

由圖11可看出，桿件平均壓應力隨著基礎沿Z向位移的增加而迅速增加，塔腿主材、塔腿斜材、塔身節間主材為主要受力桿件。

3 設計方案建議

3.1 容易發生基礎位移塔位的桿塔設計建議

由上一節計算可以看出，基礎位移會造成輸電塔桿件附加應力的顯著增加。為了減小基礎位移對輸電塔穩定性及安全性的影響，應對用于采空區或灘地等易出現基礎位移情況地區的輸電塔采取有針對性的設計。

當塔腿橫隔面上節間布置交叉斜材，且基礎沿X軸或Y軸方向發生單向位移時，塔腿及橫隔面斜材是主要的受力部位。當基礎沿Z軸方向發生位移時，塔腿主材、塔腿斜材以及塔身主材為主要受力部位。

在輸電塔基礎出現位移的實際情況中，位移一般都是沿三向發生的。所以建議在輸電塔容易發生基礎位移的地區，增大塔腿斜材、橫隔面斜材的截面設計，并對塔腿主材以及塔身主材采取適當的加固措施。當塔腿橫隔面上節間斜材布置方式有所變化，如呈倒K形布置時，鐵塔桿件內力在基礎位移作用下的變化規律會有所不同，需后續研究。

3.2 基礎位移限值建議

《110～500 kV架空送電線路施工及驗收規范》(GB 50233—2005)與《±800 kV以下直流架空輸電線路工程施工及驗收規程》(DL/T 5235—2010)均對基礎施工時基礎根開及對角線尺寸誤差作出了規定：對于地腳螺栓式基礎，基礎根開及對角線尺寸偏差允許值為±2‰；對于主角鋼插入式基礎，基礎根開及對角線尺寸偏差允許值為±1‰；對于高塔基礎，基礎根開及對角線尺寸偏差允許值為±0.7‰。結合本文研究結果，當基礎根開偏差在2‰以內時，鐵塔桿件附加應力與允許應力的比值γ可以控制在7%以內；當基礎根開偏差在0.7‰以內時，鐵塔桿件的附加應力幾乎可以忽略。表明規范數值的設置較為合理。

4 結論

(1)基礎位移會造成輸電塔桿件附加應力的顯著增加。

(2)在塔腿橫隔面上節間斜材為交叉布置的情況下，若基礎發生水平位移位移，則塔腿斜材以及橫隔面斜材為主要受力桿件。組II塔腿斜材、組I塔腿主材以及組VI塔身節間主材的Δli－γc關系呈非線性。

(3)在塔腿橫隔面上節間斜材為交叉布置的情況下，若基礎發生豎向位移，則輸電塔塔身附加應力急劇增加，遠遠大于同等位移大小下基礎發生水平位移的情況。塔腿主材、斜材以及塔身主材為主要受力桿件。

(4)在塔腿橫隔面上節間斜材為交叉布置的情況下，桿件最大平均拉應力與基礎位移在一定范圍內呈線性關系，并隨著基礎位移的增加而增加。桿件最大平均壓應力與基礎位移的關系曲線在Δli=0.25%～0.75%的范圍內呈線性關系，在Δli=0.75%附近出現轉折，表明此時最危險桿件出現了轉移，輸電塔受力形式出現變化。

(5)對采空區或鄰近河灘等容易出現基礎滑移地區的輸電塔進行加固時，建議增大塔腿斜材、橫隔面斜材的截面設計，并對塔腿主材以及塔身主材采取進行重點加固。

(6)結合《110～500 kV架空送電線路施工及驗收規范》(GB 50233—2005)與《±800 kV以下直流架空輸電線路工程施工及驗收規程》(DL/T 5235—2010)，當基礎根開偏差在2‰以內時，鐵塔桿件附加應力與允許應力的比值γ可以控制在7%以內；當基礎根開偏差在0.7‰以內時，鐵塔桿件的附加應力幾乎可以忽略。規范數值設置合理，在安全范圍以內。

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