適用于采動影響區(qū)的新型可調(diào)式鋼管桁架設(shè)計研究

周建軍,蔣 銳,向 越,車 達(dá),楊昌金

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

0引 言

隨著輸電線路工程的大力建設(shè)，線路走廊日益緊張，線路途徑采動影響區(qū)的比例日益增高[1]。在地下開采的影響下，采動影響區(qū)地表的移動和變形破壞了輸電桿塔與地基之間的初始平衡狀態(tài)。伴隨著力系平衡的重新建立，使輸電桿塔中產(chǎn)生附加應(yīng)力，輕則可造成基礎(chǔ)傾斜、開裂、桿塔變形，重則造成基礎(chǔ)沉陷、桿塔傾倒，嚴(yán)重威脅輸電線路的安全運(yùn)行[2-4]。采動影響區(qū)的輸電線路已有多處鐵塔發(fā)生基礎(chǔ)沉降、桿塔傾斜[5-9]，如內(nèi)蒙古烏海伊公線50號鐵塔。

通過研究采動影響區(qū)內(nèi)的不同基礎(chǔ)特性，文獻(xiàn)[10]給出了提高采空區(qū)輸電線路穩(wěn)定性的技術(shù)措施。文獻(xiàn)[11]采用概率積分法對采空區(qū)段殘余變形進(jìn)行預(yù)測，也提出了相應(yīng)的工程防治措施及建議。

目前，針對采動影響區(qū)內(nèi)輸電鐵塔面臨的問題，基礎(chǔ)設(shè)計時主要采用中空防護(hù)大板基礎(chǔ)[12]。該基礎(chǔ)可有效抵抗下部土體的不均勻沉降，鐵塔支座位移和上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力均大幅降低，有效緩解上部鐵塔的桿件變形。但中空防護(hù)大板基礎(chǔ)在山區(qū)應(yīng)用時，地形適應(yīng)能力差，基面開方量巨大，經(jīng)常形成5 m以上的永久性邊坡，存在一定的安全隱患；若地表變形導(dǎo)致鐵塔變形、傾斜，調(diào)節(jié)鐵塔十分困難。

結(jié)合鋼構(gòu)架和長短腿的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，提出將剛性隔面上移，隔面以下設(shè)置新型可調(diào)式鋼管桁架的連接方式來代替中空防護(hù)大板基礎(chǔ)，從而有效提高桿塔抵抗地表變形的能力，同時也增加鐵塔對地形的適應(yīng)能力。

1 新型可調(diào)式鋼架設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

設(shè)計思路是將剛性隔面上移，隔面以下設(shè)置新型可調(diào)式鋼架的連接方式來代替中空防護(hù)大板基礎(chǔ)，如圖1所示。該設(shè)計方案通過增加剛性橫隔面來緩沖地表變形對上部結(jié)構(gòu)的影響，提高桿塔抵抗地表變形的能力。同時，可調(diào)式鋼管桁架為長短腿結(jié)構(gòu)，極大地增加了鐵塔對地形的適應(yīng)能力。

圖1 中空防護(hù)大板基礎(chǔ)和可調(diào)式鋼管桁架

可調(diào)式鋼管桁架腿部主材的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計為可調(diào)式球鉸，腿部斜材的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計為單鉸。同時，腿部主材和腿部斜材增加可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。地表變形前后可調(diào)式鋼管桁架變化如圖2所示。

圖2 可調(diào)鋼管桁架

正常運(yùn)行時，球鉸為剛性節(jié)點(diǎn)。當(dāng)?shù)乇碜冃魏?，桿塔根開發(fā)生變化，此時桿塔受力平衡發(fā)生改變，部分構(gòu)件承受較大的彎矩，若不進(jìn)行調(diào)節(jié)，隨著變形增大，構(gòu)件將發(fā)生變形破壞。調(diào)節(jié)時，把球鉸設(shè)置為桿件可自由轉(zhuǎn)動的鉸接，通過調(diào)節(jié)腿部主斜材的長短和角度，使桿恢復(fù)平衡，釋放桿塔的附加彎矩，避免桿塔構(gòu)件發(fā)生變形破壞。調(diào)節(jié)完成后，球鉸恢復(fù)為剛性節(jié)點(diǎn)。

1.2 設(shè)計原理

1.2.1 整體設(shè)計

當(dāng)可調(diào)式鋼管桁架調(diào)節(jié)為鉸接時，需采用臨時拉線等輔助措施，屬于靜力學(xué)問題。需計算兩種情況，如圖3所示。

圖3 可調(diào)式鋼管桁架受力模型

情況1：可調(diào)式鋼管桁架承受塔腿傳遞的基礎(chǔ)作用力，此時可調(diào)式鋼管桁架的受力為上部結(jié)構(gòu)計算的基礎(chǔ)作用力。

情況2：可調(diào)式鋼管桁架作為桿塔部分，桿塔建模時應(yīng)加入可調(diào)式鋼管桁架。

因桿塔通過可調(diào)式鋼管桁架調(diào)節(jié)后受力再次達(dá)到平衡。設(shè)計時，除了計算正常情況，還應(yīng)計算達(dá)到最大調(diào)節(jié)后再次平衡時模型，如圖4所示。

圖4 根開變化后的可調(diào)式鋼管桁架模型

腿部橫隔面構(gòu)件為桿塔變形敏感處，故鋼管桁架結(jié)構(gòu)在此處采用剛性橫隔面，增大該部分剛度，提高抵抗地表變形的能力，如圖5所示。

圖5 剛性橫隔面

1.2.2 局部設(shè)計

相較于常規(guī)塔腿設(shè)計，為滿足鋼管桁架的可調(diào)節(jié)功能需重點(diǎn)考慮：1)腿部主材可調(diào)鉸接節(jié)點(diǎn)；2)腿部斜材可調(diào)鉸接節(jié)點(diǎn)；3)可伸縮結(jié)構(gòu)。

1)腿部主材可調(diào)鉸接節(jié)點(diǎn)

腿部主材可調(diào)鉸接節(jié)點(diǎn)采用球鉸。由于球鉸在調(diào)節(jié)時為可轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行時為剛性結(jié)構(gòu)，并且需承受較大上拔力，在傳統(tǒng)橋梁球鉸的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良設(shè)計。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]對山西省川底鄉(xiāng)段收集的測量資料分析表明，水平變形是導(dǎo)致根開變化的主要原因，其值通常在0～300 mm。球鉸按最小轉(zhuǎn)角為0.01 rad，以0.01 rad級差遞增，轉(zhuǎn)角0.02～0.06 rad進(jìn)行設(shè)計，可調(diào)節(jié)的根開范圍如表1所示。

表1 球鉸各級正側(cè)面根開調(diào)節(jié)范圍

從表1可知，球鉸轉(zhuǎn)動范圍滿足0.02 rad時可滿足絕大多數(shù)塔位的調(diào)節(jié)要求。根據(jù)上述要求，改良后的球鉸設(shè)計如圖6所示。

圖6 球鉸支座設(shè)計

球鉸可轉(zhuǎn)動范圍為0.01～0.03 rad?？估O(shè)計如同法蘭，通過螺栓傳遞。豎向下壓設(shè)計承載力為1000～8000 kN，共分為6級。為保證在運(yùn)行時不隨意轉(zhuǎn)動，在上下座板之間添加剛性法蘭板，即可以保證結(jié)構(gòu)的傳遞下壓力穩(wěn)定，也對球鉸起防塵墊圈的作用，如圖7所示。

圖7 法蘭板結(jié)構(gòu)

當(dāng)球鉸需要調(diào)節(jié)時，可用對應(yīng)坡度的法蘭板替換，標(biāo)準(zhǔn)化的法蘭板坡度為0～0.03 rad，其中0.01 rad為一級。

腿部主材采用可調(diào)球鉸與剛性隔面、基礎(chǔ)進(jìn)行連接，達(dá)到靈活轉(zhuǎn)動與適應(yīng)變形后地形的能力。球鉸安裝位置如圖8所示，分別為鋼管桁架腿部主材的上部和鋼管桁架與基礎(chǔ)相連接處。

圖8 球鉸安裝位置

2)腿部斜材可調(diào)鉸接節(jié)點(diǎn)

考慮腿部斜材受力小，鋼管規(guī)格小，無需采用球鉸，采用單鉸即可，位置如圖9(a)所示。即應(yīng)用一顆螺栓連接，便滿足腿部斜材大部分的轉(zhuǎn)角需要，如圖9(b)所示。當(dāng)?shù)乇碜冃螌?dǎo)致鐵塔根開變化非常大的時候，可在單鉸節(jié)點(diǎn)板之間增加墊片或更換新的節(jié)點(diǎn)板完成調(diào)節(jié)。

圖9 腿部斜材可調(diào)鉸接節(jié)點(diǎn)

3)主斜材可伸縮結(jié)構(gòu)

可調(diào)式剛性隔面鐵塔方案通過可伸縮結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)腿部主材的長短，從而適應(yīng)因采動活動導(dǎo)致的鐵塔基礎(chǔ)間不均勻沉降。

目前,在多條特高壓線路的采動影響區(qū)中實(shí)施加長型地腳螺栓，是可行的腿部主材可伸縮結(jié)構(gòu)方案。具體內(nèi)容包括：桿塔與基礎(chǔ)采用地腳螺栓連接，基礎(chǔ)主柱上的地腳螺栓外露絲扣長度適當(dāng)加長。加強(qiáng)對塔位進(jìn)行監(jiān)測，一旦因地表變形引起基礎(chǔ)不均勻沉降，可以先將地腳螺栓放松，利用千斤頂抬升塔腿，調(diào)平后在塔腳板下墊鋼板，實(shí)現(xiàn)桿塔調(diào)平。鋼墊板厚度可系列化，以適應(yīng)不同的沉降量，多層使用時可垂直調(diào)向進(jìn)行插墊，如圖10(a)。腿部斜材也存在可伸縮結(jié)構(gòu)，主要通過同管材相連來實(shí)現(xiàn)，如圖10(b)所示。

圖10 主斜材可伸縮結(jié)構(gòu)

2 可調(diào)式剛性隔面鐵塔設(shè)計受力研究

以滇西北工程ZC27102為例，建模分析可調(diào)式剛性隔面鐵塔方案的受力。

上部鐵塔為ZC27102，呼高為60 m，平腿，下部采用可調(diào)式剛性隔面鋼管桁架結(jié)構(gòu)，如圖11—圖12所示。

圖11 ZC27102-60單線

圖12 剛性隔面鋼管桁架

本章主要研究可調(diào)式剛性隔面鋼管桁架結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件：主材Z1—Z3和斜材X1—X2的受力情況。其中：Z1為兩橫隔面之間的主材，設(shè)計長度為2 m；Z2為腿部短腿主材，設(shè)計長度為5 m；Z3為腿部長腿主材，設(shè)計長度為15 m；X1為短腿腿部斜材；X2為長腿腿部斜材。

2.1 雙腿調(diào)節(jié)

圖13是腿部主材轉(zhuǎn)角變化示意圖。腿部主材Z1—Z3受力情況如圖14所示。由圖可見θ角在-0.06～0.06 rad變化時Z1—Z3受力的情況。

圖13 轉(zhuǎn)角θ

圖14 Z1—Z3主材受力情況(雙腿調(diào)節(jié))

主材Z1—Z3拉力與壓力之比在0.72～0.73之間。Z2受力最大，Z3最小。Z1—Z3主材各個角度下壓力最大值和最小值之間差異在1.5%以內(nèi)。θ角每變化0.01 rad，受力變化處于0.3%以內(nèi)。所以在設(shè)計過程中，若θ位于±0.01～±0.06 rad之間，可簡化計算0°角時主材受力，乘以1.5%的內(nèi)力增大系數(shù)進(jìn)行選材。

腿部斜材X1—X2受力情況如圖15所示。

圖15 X1—X2斜材受力情況(雙腿調(diào)節(jié))

腿部斜材X1—X2拉力與壓力之比在的0.94～0.98之間。θ角越小時，腿部斜材X1—X2受力越大，但考慮到θ角越大時，長度增加，因此在計算時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況計算θ角最大和最小時構(gòu)件的承載能力。

2.2 僅調(diào)節(jié)短腿

實(shí)際操作時，若所需調(diào)節(jié)根開較小時，可能僅利用球鉸調(diào)節(jié)短腿。

腿部主材Z1—Z3受力情況如圖16所示。由圖可見θ角在-0.05～0.05 rad變化時Z1—Z3受力的情況。

圖16 Z1—Z3主材受力情況(僅調(diào)節(jié)短腿)

在這種情況下，腿部主材Z1—Z3拉力與壓力之比在0.72～0.73之間。Z2受力最大，Z3最小。Z1—Z2主材各個角度下壓力最大值和最小值之間差異在2.5%以內(nèi)，θ角每變化0.01 rad，受力變化處于0.3%以內(nèi)。θ角越大，腿部主材Z1—Z2受力越大，Z3主材內(nèi)力基本無變化。

腿部斜材X1—X2受力情況如圖17所示。

圖17 X1—X2斜材受力情況(僅調(diào)節(jié)短腿)

在這種情況下，腿部斜材X1—X2拉力與壓力之比在0.92～1.06之間。θ角越小時，腿部斜材X1受力越大，X2斜材內(nèi)力基本無變化。

2.3 僅調(diào)節(jié)長腿

實(shí)際操作時，若所需調(diào)節(jié)根開較小時，也可能僅利用球鉸調(diào)節(jié)長腿。

腿部主材Z1—Z3受力情況如圖18所示。由圖可見θ角在-0.05～0.05 rad變化時Z1—Z3受力的情況。

圖18 Z1—Z3主材受力情況(僅調(diào)節(jié)長腿)

在這種情況下，腿部主材Z1—Z3拉力與壓力之比在0.72～0.73之間。Z2受力最大，Z3最小。θ角每變化0.01 rad，受力變化處于0.3%以內(nèi)。θ角越小，腿部主材Z1—Z2受力越大，Z3主材內(nèi)力基本無變化。Z2主材最大受力與雙主材同時調(diào)節(jié)時基本相當(dāng)。

腿部斜材X1—X2受力情況如圖19所示。

圖19 X1—X2斜材受力情況(僅調(diào)節(jié)長腿)

在這種情況下，腿部斜材X1—X2拉力與壓力之比在0.94～1.02之間。θ角越小時，腿部斜材X1—X2受力越大。

2.4 不同極差

對10 m極差和8 m極差下Z1—Z3與X1—X2構(gòu)件受力進(jìn)行對比。其中10 m極差中長腿為15 m，短腿為5 m；8 m極差中長腿為12 m，短腿為4 m。Z1—Z3與X1—X2在兩種極差下的受力情況如圖20—圖24所示。Z1—Z3與X1—X2不同極差下受力與調(diào)節(jié)角度的變化規(guī)律相同，極差越大，同調(diào)節(jié)角度下受力越大。

圖20 Z1不同極差下受力情況

圖21 Z2不同極差下受力情況

圖22 Z3不同極差下受力情況

圖23 X1不同極差下受力情況

圖24 X2不同極差下受力情況

上面對可調(diào)式剛性隔面主要構(gòu)件在各種情況下的受力進(jìn)行了分析，總結(jié)了相應(yīng)的規(guī)律。進(jìn)行可調(diào)式剛性隔面主要構(gòu)件設(shè)計時，計算受力應(yīng)綜合考慮在球鉸可調(diào)角度θ為最大值、最小值和0°時的受力，選取拉力和壓力的最大值。計算長度選取構(gòu)件在球鉸可調(diào)角度θ為最大值、最小值和0°時的最大值。

3 可調(diào)式鋼管桁架和中空防護(hù)大板基礎(chǔ)對比

以滇西北工程ZC27102為例，對比分析可調(diào)式鋼管桁架設(shè)計和中空防護(hù)大板，如圖25所示?？烧{(diào)式鋼管桁架設(shè)計采用ZC27102-60 m鐵塔+鋼管桁架。常見地表坡度25°下，若采用傳統(tǒng)施工的中空防護(hù)大板基礎(chǔ)，鐵塔需采用ZC27102-74 m，形成高達(dá)12 m的永久性邊坡；若采用半填半挖方式，鐵塔僅需采用ZC27102-67 m，護(hù)坡高度為6 m，雖然依然形成較高的永久邊坡，但優(yōu)于傳統(tǒng)施工。本章將比較可調(diào)式鋼管桁架設(shè)計與半填半挖方式下中空防護(hù)大板基礎(chǔ)在經(jīng)濟(jì)和安全等方面的差異。

圖25 坡度25°下3種方式對比

3.1 經(jīng)濟(jì)性對比

半填半挖方式下中空防護(hù)大板基礎(chǔ)與可調(diào)式鋼管桁架設(shè)計綜合造價如表2所示。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性對比，在山區(qū)采用腿長可調(diào)式鋼管桁架設(shè)計，相較于中空防護(hù)大板基礎(chǔ)，可節(jié)省投資約33%。隨著地形坡度增加，投資節(jié)約比例將持續(xù)增加。

表2 中空防護(hù)大板基礎(chǔ)與可調(diào)式鋼管桁架設(shè)計經(jīng)濟(jì)性對比

3.2 安全性對比

根據(jù)采動影響區(qū)對輸電線路的影響，桿塔主要受地表變形的影響[14]。當(dāng)采動影響區(qū)水平變形參數(shù)為α(mm/m)、地表曲率為K(mm/m2)時，桿塔塔位處為Lα和L2K，其中L為鐵塔根開，如表3所示。

表3 中空防護(hù)大板基礎(chǔ)與可調(diào)式鋼管桁架設(shè)計對比

由表3可知，由于可調(diào)式鋼管桁架設(shè)計鐵塔根開小，故采動影響區(qū)對其影響小。同時，相較于可調(diào)式鋼管桁架設(shè)計，中空防護(hù)大板方案還存在高邊坡穩(wěn)定性問題。高邊坡在開采活動下極易失穩(wěn)，形成滑坡或崩塌，如表4所示。

表4 ZC27102-67 m中空防護(hù)大板基礎(chǔ)永久邊坡的采動影響

若考慮護(hù)坡和堡坎的采動影響，可調(diào)式鋼管桁架設(shè)計水平變形和曲率變形值為中空防護(hù)大板基礎(chǔ)的29%和8%。因此，相較于中空防護(hù)大板基礎(chǔ)，在山區(qū)采用腿長可調(diào)式鋼管桁架設(shè)計不僅可以減小鐵塔根開，降低采動影響區(qū)對鐵塔的影響，而且能有效避免采動影響區(qū)高邊坡問題，提高了輸電線路的安全性。

4 結(jié) 論

上面提出將剛性隔面上移，隔面以下設(shè)置新型環(huán)保型可調(diào)式鋼管桁架的連接方式來代替中空防護(hù)大板基礎(chǔ)，該方式適應(yīng)地形能力強(qiáng)，同時具有變形后腿長可調(diào)節(jié)的特性。通過對整體及局部的設(shè)計研究，主要得出以下結(jié)論：

1)根據(jù)鋼構(gòu)架設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，對可調(diào)式鋼管桁架的整體、局部和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行設(shè)計，研究球鉸、可伸縮結(jié)構(gòu)、剛性隔面等主要部件。

2)進(jìn)行可調(diào)式剛性隔面主要構(gòu)件設(shè)計時，計算受力應(yīng)綜合考慮在球鉸可調(diào)角度θ為最大值、最小值和0°時的受力，選取拉力和壓力的最大值。計算長度選取構(gòu)件在球鉸可調(diào)角度θ為最大值、最小值和0°時的最大值。

3)將中空防護(hù)大板基礎(chǔ)和可調(diào)式鋼管桁架設(shè)計進(jìn)行對比，結(jié)果表明可調(diào)式鋼管桁架設(shè)計具有更加優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性和安全性。