基礎(chǔ)位移作用下鐵塔力學(xué)特性及設(shè)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(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071)

基礎(chǔ)是輸電桿塔的重要組成部分和主要受力部位。當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生位移時，即出現(xiàn)基礎(chǔ)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(fā)生變化，于是輸電塔的塔身結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生附加應(yīng)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(wěn)定運行造成嚴(yán)重威脅。

為了確定當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生位移時鐵塔桿件內(nèi)力的變化規(guī)律以及不同位移情況下的塔身最危險桿件位置，進而對發(fā)生基礎(chǔ)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(chǔ)位移作用下輸電塔的受力情況，給出了基礎(chǔ)位移量和輸電塔安全可靠性之間的關(guān)系，并針對不同基礎(chǔ)位移作用下輸電塔的受力特性，對基礎(chǔ)位移作用下的輸電塔設(shè)計方案提出建議，供設(shè)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(shè)計風(fēng)速30 m/s。塔身結(jié)構(gòu)形式及基本尺寸見圖1。

圖1 ZB31101結(jié)構(gòu)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(shè)位于塔腿底部的1660號節(jié)點為基礎(chǔ)位移控制點，通過對1660號節(jié)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(fā)生基礎(chǔ)滑移和沉降的情況。

當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生位移時，輸電塔的塔身桿件由于變形會產(chǎn)生附加應(yīng)力。為了更好的確定桿件附加應(yīng)力與基礎(chǔ)位移的關(guān)系，并比較基礎(chǔ)位移對輸電塔塔身不同部位桿件應(yīng)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(cè)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(fā)生基礎(chǔ)位移時產(chǎn)生的內(nèi)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(jié)間的桿件單元編號見圖5。797～804號單元為塔身節(jié)間主材單元，編為組Ⅵ，625～632號、669～676號單元為塔身節(jié)間斜材單元，編為組Ⅶ。

圖5 塔身節(jié)間桿件編號

圖2中，X－Y平面為塔腿基礎(chǔ)所在的平面，當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生水平位移時，即在X－Y平面內(nèi)沿X軸或Y軸產(chǎn)生位移；當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生沉降時，即沿Z軸產(chǎn)生豎向位移。

其中ui是塔腿基礎(chǔ)第1660號節(jié)點沿i方向的位移，l為塔腿根開。引入無量綱參數(shù)Δli，是為了建立桿件內(nèi)力與無量綱參數(shù)Δli即基礎(chǔ)位移與根開比值的關(guān)系，使研究結(jié)果更具參考價值及普適性。

其中σt是輸電塔沿i方向發(fā)生基礎(chǔ)位移時的桿件平均拉應(yīng)力，σc是輸電塔沿i方向發(fā)生基礎(chǔ)位移時的桿件平均壓應(yīng)力，f為鋼材抗拉或抗壓強度設(shè)計值，γt為兩者之比。

當(dāng)?shù)贸隽烁骶幗M桿件在出現(xiàn)基礎(chǔ)位移時的Δli－γt或Δli－γc曲線后，就可以根據(jù)基礎(chǔ)位移的平均應(yīng)力大小來判斷各編組桿件的最大平均拉壓應(yīng)力，從而對輸電塔的安全性進行合理評估。

2 計算結(jié)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(chǔ)位移與根開比值的無量綱參數(shù)Δli(i=x,y,z)為0.25%、0.5%、0.75%和1%。

當(dāng)基礎(chǔ)位移控制點產(chǎn)生水平及豎向位移，即分別沿x,y,z方向產(chǎn)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(yīng)力極值與鋼材抗拉或抗壓強度設(shè)計值之比γt,γc，結(jié)果如下。

2.1 基礎(chǔ)沿X軸方向位移

當(dāng)基礎(chǔ)沿X軸方向發(fā)生單向滑移時，塔腿基礎(chǔ)位移與根開之比Δlx和各分組桿件拉應(yīng)力最大值與鋼材抗拉強度設(shè)計值之比γt的關(guān)系見圖6。

圖6 Δlx－γt關(guān)系圖

由圖6可知，桿件拉應(yīng)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(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它編組的桿件拉應(yīng)力。當(dāng)位移達到塔腿根開的0.75%時，組II塔腿斜材的平均拉應(yīng)力極值已經(jīng)接近抗拉強度設(shè)計值的28%。當(dāng)位移為塔腿根開1%時，平均拉應(yīng)力極值可以到達抗拉強度設(shè)計值的38.31%。

當(dāng)基礎(chǔ)沿X軸方向發(fā)生單向滑移時，塔腿基礎(chǔ)位移與根開之比Δlx和各分組桿件壓應(yīng)力最大值與鋼材抗壓強度設(shè)計值之比γc的關(guān)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(yīng)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(jié)間主材的Δlx－γc呈非線性，在基礎(chǔ)位移增加的后期，會出現(xiàn)平均應(yīng)力下降的情況。

2.2 基礎(chǔ)沿Y軸方向位移

當(dāng)基礎(chǔ)沿Y軸方向發(fā)生單向滑移時，塔腿基礎(chǔ)位移與根開之比Δly和各分組桿件拉應(yīng)力最大值與鋼材抗拉強度設(shè)計值之比γt的關(guān)系見圖8。

圖8 Δly－γt關(guān)系圖

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

當(dāng)基礎(chǔ)沿Y軸方向發(fā)生單向滑移時，塔腿基礎(chǔ)位移與根開之比Δly和各分組桿件壓應(yīng)力最大值與鋼材抗壓強度設(shè)計值之比γc的關(guān)系見圖9。

圖9 Δly－γc關(guān)系圖

由圖9可知桿件平均拉應(yīng)力隨著基礎(chǔ)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(dāng)γt大于0.75%之后，塔腿斜材的平均應(yīng)力增速下降。其余編組的Δlyγc呈線性關(guān)系。

2.3 基礎(chǔ)沿Z軸方向位移

當(dāng)基礎(chǔ)沿Z軸方向發(fā)生單向滑移時，塔腿基礎(chǔ)位移與根開之比Δlz和各分組桿件拉應(yīng)力最大值與鋼材抗拉強度設(shè)計值之比tγ的關(guān)系見圖10。

圖10 Δlz－γt關(guān)系圖

由圖10可知，Z軸單向位移情況下，桿件內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)沿X軸和Y軸滑移的情況。當(dāng)位移為塔腿根開1%時，塔腿斜材平均應(yīng)力已達到抗拉設(shè)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(jié)間主材平均應(yīng)力較大，是基礎(chǔ)Z向滑移時的主要受力桿件。

當(dāng)基礎(chǔ)沿Z軸方向發(fā)生單向滑移時，塔腿基礎(chǔ)位移與根開之比Δlz和各分組桿件壓應(yīng)力最大值與鋼材抗壓強度設(shè)計值之比cγ的關(guān)系見圖11。

圖11 Δlz－γc關(guān)系圖

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

3 設(shè)計方案建議

3.1 容易發(fā)生基礎(chǔ)位移塔位的桿塔設(shè)計建議

由上一節(jié)計算可以看出，基礎(chǔ)位移會造成輸電塔桿件附加應(yīng)力的顯著增加。為了減小基礎(chǔ)位移對輸電塔穩(wěn)定性及安全性的影響，應(yīng)對用于采空區(qū)或灘地等易出現(xiàn)基礎(chǔ)位移情況地區(qū)的輸電塔采取有針對性的設(shè)計。

當(dāng)塔腿橫隔面上節(jié)間布置交叉斜材，且基礎(chǔ)沿X軸或Y軸方向發(fā)生單向位移時，塔腿及橫隔面斜材是主要的受力部位。當(dāng)基礎(chǔ)沿Z軸方向發(fā)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(chǔ)出現(xiàn)位移的實際情況中，位移一般都是沿三向發(fā)生的。所以建議在輸電塔容易發(fā)生基礎(chǔ)位移的地區(qū)，增大塔腿斜材、橫隔面斜材的截面設(shè)計，并對塔腿主材以及塔身主材采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧．?dāng)塔腿橫隔面上節(jié)間斜材布置方式有所變化，如呈倒K形布置時，鐵塔桿件內(nèi)力在基礎(chǔ)位移作用下的變化規(guī)律會有所不同，需后續(xù)研究。

3.2 基礎(chǔ)位移限值建議

《110～500 kV架空送電線路施工及驗收規(guī)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(guī)程》(DL/T 5235—2010)均對基礎(chǔ)施工時基礎(chǔ)根開及對角線尺寸誤差作出了規(guī)定：對于地腳螺栓式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)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(chǔ)，基礎(chǔ)根開及對角線尺寸偏差允許值為±1‰；對于高塔基礎(chǔ)，基礎(chǔ)根開及對角線尺寸偏差允許值為±0.7‰。結(jié)合本文研究結(jié)果，當(dāng)基礎(chǔ)根開偏差在2‰以內(nèi)時，鐵塔桿件附加應(yīng)力與允許應(yīng)力的比值γ可以控制在7%以內(nèi)；當(dāng)基礎(chǔ)根開偏差在0.7‰以內(nèi)時，鐵塔桿件的附加應(yīng)力幾乎可以忽略。表明規(guī)范數(shù)值的設(shè)置較為合理。

4 結(jié)論

(1)基礎(chǔ)位移會造成輸電塔桿件附加應(yīng)力的顯著增加。

(2)在塔腿橫隔面上節(jié)間斜材為交叉布置的情況下，若基礎(chǔ)發(fā)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(jié)間主材的Δli－γc關(guān)系呈非線性。

(3)在塔腿橫隔面上節(jié)間斜材為交叉布置的情況下，若基礎(chǔ)發(fā)生豎向位移，則輸電塔塔身附加應(yīng)力急劇增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同等位移大小下基礎(chǔ)發(fā)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(jié)間斜材為交叉布置的情況下，桿件最大平均拉應(yīng)力與基礎(chǔ)位移在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，并隨著基礎(chǔ)位移的增加而增加。桿件最大平均壓應(yīng)力與基礎(chǔ)位移的關(guān)系曲線在Δli=0.25%～0.75%的范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，在Δli=0.75%附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，表明此時最危險桿件出現(xiàn)了轉(zhuǎn)移，輸電塔受力形式出現(xiàn)變化。

(5)對采空區(qū)或鄰近河灘等容易出現(xiàn)基礎(chǔ)滑移地區(qū)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(shè)計，并對塔腿主材以及塔身主材采取進行重點加固。

(6)結(jié)合《110～500 kV架空送電線路施工及驗收規(guī)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(guī)程》(DL/T 5235—2010)，當(dāng)基礎(chǔ)根開偏差在2‰以內(nèi)時，鐵塔桿件附加應(yīng)力與允許應(yīng)力的比值γ可以控制在7%以內(nèi)；當(dāng)基礎(chǔ)根開偏差在0.7‰以內(nèi)時，鐵塔桿件的附加應(yīng)力幾乎可以忽略。規(guī)范數(shù)值設(shè)置合理，在安全范圍以內(nèi)。

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