大跨越輸電塔鋼管混凝土插入式塔腿結構設計與優化研究

張樹林，王靜峰，程安樂，徐智東，孟憲喬 （.中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，安徽 合肥 3060；.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 30009）

0 引言

近年來，隨著電網的發展，長距離的特高壓輸電線路不斷增加。在架設線路的過程中偶爾會出現跨越江河湖泊的情況，因此大跨越輸電塔得到了越來越多的應用[1]。但隨著跨越檔距越來越大，輸電塔的高度也在不斷攀升，導致鐵塔所受外荷載顯著提升，為柱腳節點的設計優化帶來了新的考驗。

插入式柱腳不但能承受柱的軸力和柱端的剪力，而且還能承受柱端彎距，抗震性能良好。同時，鋼管混凝土構件因其便捷的施工工藝、優異的承載性能和良好的抗震性能[2]，往往作為主要的承力構件或重要節點出現在高層建筑、重載橋梁和大跨結構中。因此目前鋼管混凝土插入式柱腳節點在工程實際中應用較為廣泛，部分學者也開展了相關研究。王金等[3]和張建偉等[4]分別對不同埋深和不同配筋基礎的插入式鋼管柱腳進行了錨固試驗研究，明晰了不同埋深和配筋對基礎錨固承載力和延性性能的影響。黃慶輝等[5]針對插入式節點影響基礎鋼筋布置的缺點，提出了一種新型的節點形式，即用錨栓連接鋼管混凝土柱與基礎，進行了低周反復荷載試驗，驗證了節點的安全性能。徐永基等[6]對鋼管混凝土柱外包式柱腳節點進行了試驗研究及理論分析，通過兩個鋼管混凝土外包柱腳節點的低周反復載荷試驗，初步揭示了其傳力機理，提出了相關的構造措施。

然而，現有關于插入式鋼管混凝土柱腳的研究主要集中在高層建筑和工業廠房中，針對大跨越鋼管塔架結構中的大型插入式塔腿的研究仍較為罕見。因此，本文基于白浙線±800kV 直流與500kV 交流同塔大跨越輸電塔設計方案，建立了精細化的有限元模型，研究軸壓荷載下鋼管與混凝土的內力分布，以及不同構造對基礎構件協同工作的影響，最后提出了相應的設計參考。

1 工程概況

白鶴灘-浙江±800kV 特高壓直流輸電工程起于四川省涼山州的布拖換流站，途經四川省、重慶市、湖北省、安徽省、浙江省，落點為浙江省杭州市的余杭區梅家河換流站。規模為新建單回雙極±800kV特高壓直流輸電線路，推薦方案線路長度約2140.2km（含大跨越）。本大跨越工程直線跨越塔采用鋼管混凝土塔，主管中灌注混凝土，擬定混凝土灌注高達155m，桿塔總高度347m，跨越檔距達2354m，桿塔塔高和負荷位居特高壓輸電線路桿塔之首，也是鋼管混凝土結構在特高壓工程中的首次應用。

該大跨越工程塔腿采用鋼管混凝土構件與基礎可采用插入式連接，插入鋼管內應澆筑混凝土，并沿插入鋼管管身縱向設置錨固環板、錨固環板宜加勁，插入鋼管底部可設置端板。具體布置如圖1所示。

圖1 設置加勁焊接錨固環板的插入鋼管結構簡圖

2 有限元模型建立

為深入研究鋼管混凝土插入式塔腿受力機理，本節基于實際工程設計方案建立了精細化的有限元分析模型，具體材料和幾何參數如下。

2.1 材料本構

鋼材及鋼筋的本構均采用雙折線模型。假設鋼材及鋼筋在受壓受拉時的本構關系相同，能夠較好模擬其實際的材料特性。

混凝土采用塑性損傷本構進行模擬[7]。

式中：x=ε/ε0、y=σ/fc、ξ=Asfy/(Acfc)，σ和ε 分別表示核心混凝土的應力和應變；fc為混凝土圓柱體軸心抗壓強度，fc=0.79fcu,k；ε0=εc+800ξ0.2×10-6，εc表示混凝土峰值應變；ξ 為鋼管的約束效應系數，εc=(1300+12.5fc)×10-6，η值取2。

2.2 幾何模型

該塔腿模型主要由鋼管、管內混凝土、混凝土基礎模型、鋼筋網和錨固墩等部分組成，其中鋼管及錨固板采用殼單元，鋼筋網采用梁單元進行模擬，混凝土基礎、管內混凝土和錨固墩采用實體單元進行建模。鋼管、錨固板和加勁肋采用布爾運算組合為一個構件；鋼筋網內置于混凝土基礎中；鋼管與混凝土間采用“面面接觸”；樁底約束所有方向自由度以模擬插入式的固接約束，軸向荷載通過耦合點加載到基礎頂面，模型示意如圖2所示。

圖2 塔腿基礎模型示意

3 數值分析

3.1 錨固內環板

為研究軸壓荷載下，基礎的傳力路徑、荷載分配方式以及不同構造下對基礎構件協同工作的影響，分別建立了無內部錨固環板和帶內部錨固環板插入式塔腿模型。采用集中荷載的形式逐級施加在基礎頂面，無內環板模型荷載自10000kN 逐級增至40000kN，帶內部錨固環板模型荷載自10000kN 逐級增至150000kN。有限元計算結果如表1 和圖3所示。

表1 塔腿荷載分配

圖3 軸壓力荷載下基礎內力分布

計算結果表明，與無內環板鋼管混凝土插入式塔腿相比，帶內環板模型的混凝土承擔荷載占比最大由25.75%提升至61.50%，提幅度達240%。同時，隨著帶內環板鋼管混凝土插入式塔腿所受荷載由10000kN 提升至150000kN 后，混凝土所占荷載比重由61.50%提升至64.70%?？梢?，在內環板的作用下鋼管與混凝土的粘結作用明顯提升，進而增強了鋼管混凝土的協同作用，使得鋼管內混凝土受壓性能充分發揮，混凝土所占荷載比重不斷攀升。這是因為，由于外包混凝土及鋼管外錨板的存在，鋼管伸入混凝土段與混凝土協同變形，剛度激增，伸出段的有效長度降低，而由于管內未布置內錨板，混凝土與鋼管的粘結力在長期荷載下水平較低，鋼管與混凝土的相互作用水平低導致了混凝土的有限長度低，剛度較小，共同作用下承擔的荷載較低。因此，內環板的構造可以有效改善內部混凝土的受力狀態，同時有效的避免由于外環板的存在導致鋼管剛度增大而產生的應力集中問題。

3.2 錨固比

為進一步探究鋼管混凝土插入柱腳節點鋼管與管內混凝土的相互作用機理，本節開展了大量的參數分析，通過改變錨固方式來控制第一錨固板與頂面的距離，利用這種方法設計了九個構件，控制錨固長度。A 組為內部鋼管的錨固板減少，外部錨固板不變，設計了A01～A0 5 五個構件，錨固比從1:1 至1:5。B 組為外部鋼管的錨固板減少，內部錨固板不變。設計了B01～B04 四個構件，錨固比從1:1至4:1，具體參數如表2所示。

表2 參數分析的構件設計

圖4 繪制了不同試件在各級荷載狀態下的內力分布結果，計算結果表明：

圖4 各構件軸壓力荷載下基礎內力分布

①隨著內部錨固環板的錨固長度由1.1m 增加到2.2m、3.3m、4.4m 和5.5m，核心混凝土所受荷載占比由60%左右分別降低到50%、45%、39%和37%左右，下降幅度分別為16%、25%、35%和38%?？梢?，鋼管內部錨固板對內力的分布結果有較大的影響，隨著內部錨固環板距離的增加，內部混凝土受力不斷減少，這是由于缺少了內部鋼管錨固板的作用，核心混凝土所受約束效應較弱，軸向的線性剛度降低，分配的軸力隨之降低；

②當外部錨固環板的錨固長度由1.1m 分別提升至2.2m、3.3m 和4.4m后，核心混凝土所受荷載占比仍保持在65%附近，波動范圍較小?？梢?，外部錨固環板的錨固長度不會影響鋼管與混凝土的內力分布，這是由于所研究的內力分布處于鋼管混凝土柱腳的未埋入處，當內部的相互作用被保證，外部錨固長度的提高不會影響錨固上部的內力分配。

4 結論

本文根據白鶴灘-浙江±800kV 特高壓輸電線路池州長江大跨越輸電塔柱腳設計方案，建立了精細化的鋼管混凝土插入式塔腿有限元模型，明晰了錨固環板對插入式塔腿受力機理的影響規律。

①與無內環板鋼管混凝土插入式柱腳相比，帶內環板鋼管混凝土柱腳內核心混凝土承擔荷載占比最大由25.75%增大到64.50%，提升了2.4倍?？梢姡瑑拳h錨固板的存在顯著改善了核心混凝土的受力性能，使插入柱腳的抗壓承載力得到較大改善。

②外部錨固環板錨固比不變時，內部錨固板的錨固比從1 降低到1/2、1/3、1/4 和1/5 后，核心混凝土所受荷載占比分別降低了16%、25%、35%和38%。而內部錨固環板錨固比不變時，隨著外部錨固環板錨固比的降低，核心混凝土所受荷載占比基本不變?？梢姡S著內部錨固環板間距的增大，核心混凝土所受約束效應不斷減小，承載性能不斷降低，而外部錨固環板間距對核心混凝土受力性能并無影響。