輸電塔偏心板式基礎的應用

黃春玲，楊 明，周傳濤，程志恒，陸志剛

(1.青海省電力設計院，青海 西寧 810008；2.國網山東省電力公司建設公司，山東 濟南 250001；3.山東送變電工程有限公司，山東 濟南 250118；4.國網山東省電力公司梁山縣供電公司，山東 濟寧 272600)

0 引言

輸電線路桿塔基礎是輸電線路結構的重要組成部分，它將上部結構的各種荷載傳遞給地基，實現輸電線路安全運行的目標。輸電線路桿塔基礎的造價、工期及勞動消耗量在整個線路工程中占有較大的比重，根據相關資料統計，基礎造價約占整個工程的15%～35%，基礎施工工期約占整個工程工期的50%，基礎材料運輸量約占整個工程的60%，桿塔基礎型式選擇恰當與否將關系到整個線路的安全性能及經濟性能等。因此桿塔基礎在選型、設計及施工時應貫徹國家基本建設方針及技術經濟相關政策，堅持“因地制宜、技術先進、安全可靠、方便施工、注重環保、節省投資”的原則，綜合考慮整個線路工程的各方面因素，選擇合適的桿塔基礎，使線路工程達到最優化的目標。

1 輸電線路基礎選型

架空輸電線路桿塔基礎型式應根據桿塔型式、沿線地形、工程地質、水文以及施工、運輸條件等進行綜合考慮確定。目前，架空輸電線路桿塔常用的基礎型式主要有原狀土基礎和大開挖回填基礎兩大類，兩大類基礎中又根據施工方式的不同衍生出多種基礎型式，如直柱掏挖基礎、直柱擴展基礎、斜柱擴展基礎、灌注樁基礎、錨桿基礎等。

輸電線路桿塔受力較為復雜，在有限元分析中一般將“導線—桿塔—基礎—地基”作為一個整體建立有限元模型進行數值分析，有限元模型能比較真實地反映整個體系的相互作用關系，在工程設計計算中，一般將地面以上部分的受力簡化為水平力及豎向力作用于基礎之上，基礎再將作用力傳遞與地基，在這個傳力過程中，基礎起到了中間介質的作用。

基礎作為由上而下的傳力通道，它本身需要有一定的強度及外部尺寸，從經濟角度出發，工程設計中采取多種措施優化桿塔基礎。例如，為了減小作用于板式基礎頂面的水平力效應，桿塔基礎設計中可采取偏心板式基礎以減小水平力的影響，如圖1所示，包括普通斜柱基礎、斜柱斜頂基礎、直柱地螺偏心基礎及直柱立柱偏心基礎等。

圖1 偏心板式基礎

上述幾種基礎型式皆能有效降低水平力影響，鑒于工程實踐及綜合考慮多種因素，工程中多采取直柱地腳螺栓偏心基礎，例如運行中的±800 kV云廣直流輸電線路，在建的±800 kV山西晉北—江蘇南京特高壓直流輸電工程線路。

2 偏心基礎有限元分析

2.1 有限元模型

利用ABQUS有限元軟件，建立某工程直線塔基礎三維有限元數值仿真模型，基礎形式見圖2，桿塔基礎及地基均采用六面體單元C3D8r進行有限元網格劃分，詳見圖3。

圖2 板式基礎

圖3 基礎及地基六面體單元

模型計算范圍：自基礎主柱中心向前后左右各取50m的范圍，模型豎向尺寸為50m。

模型邊界條件：模型頂部為自由面，四周及底面為法向約束。

模型應力場：模型初始應力場為自重應力場。

2.2 有限元分析結果及解析

有限元分析過程中模型為線彈性模型，有限分析結果顯示地應力場比較均勻，圖4為初應力場平衡后地基應力分布云圖，圖5為初應力場平衡后地基位移分布圖。

圖4 地基應力分布云圖

圖5 地基位移分布

在建立有限元模型過程中，地腳螺栓采用不同的偏心距布置于基礎主柱之上，而后對地腳螺栓不同偏心距模型進行有限元數值模擬分析，結果顯示：地腳螺栓于基礎主柱頂面的偏心距離由0m增加到某一數值時，地基最大位移均出現于遠離偏心點的一端，此時作用于基礎主柱頂面的水平荷載起到控制基礎經濟指標的作用；當偏心值超過某值后，地基最大位移出現在地腳螺栓偏心側，此時地基變形由基礎自重和豎向外荷載控制。上述變化趨勢如圖6所示。

圖6 基礎底板遠端和近端位移隨偏心率變化趨勢

有限元數值模擬分析結果亦顯示，基礎底板角點應力變化趨勢與地基變化趨勢相同，此變化過程如圖7所示。

由上述分析結果可知，當地腳螺栓偏心率1/8～1/6這個范圍之內時地基及基礎底板遠端與近端位移比較接近，受力及變形較為均勻，輸電桿塔基礎經濟效果較好。

圖7 基礎底板壓應力變化曲線

2.3 有限元分析結果應用

某±800 kV直流輸電線路工程基桿塔地質條件如表1所示，基礎作用力如表2所示。本塔位擬采用板式直柱基礎，如圖8所示。

圖8 板式直柱基礎

表1 工程地質條件

經計算得出的普通直柱板式基礎的工程量如表3、表4所示。

表2 基礎作用力 kN

表3 普通直柱板式基礎工程量

表4 地腳螺栓偏心直柱板式基礎工程量

對比表3與表4中鋼筋與混凝土工程量可知，地腳螺栓偏心直柱板式基礎鋼筋量較普通直柱板式基礎鋼筋量減少約20.82%，混凝土減少約18.98%。

3 結語

輸電線路桿塔基礎是輸電線路結構工程中的重要組成部分，其造價將影響到工程的綜合經濟指標，為使整個輸電線路工程的綜合經濟指標達到最佳效果，在工程設計中應選擇合適的基礎型式。

建立了地腳螺栓偏心板式基礎的有限元模型，并對其進行數值模擬分析，分析結果顯示，地腳螺栓偏心基礎有效改善基礎主柱的受彎狀態，降低基礎主柱及基礎底板最大彎矩，改善基礎受力性能，減小基礎主柱及底板截面尺寸。地腳螺栓偏心板式基礎在工程中有著較為廣泛的應用，工程經濟效果較佳，減少基礎方量，從而降低基礎工程的綜合造價，工程資料顯示地腳螺栓偏心基礎可降低工程造價20%左右。鑒于上述地腳螺栓偏心板式基礎有限元分析結果及其在實際工程中的應用效果，此類基礎可于適合的工程中廣泛應用。