輸電線路基礎(chǔ)作用力取值探討

徐 彬，馮 衡，曾二賢

(中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

0 引言

輸電線路基礎(chǔ)作為上部桿塔結(jié)構(gòu)的支撐物，對于整個輸電線路的安全至關(guān)重要。行業(yè)內(nèi)一般將上部桿塔結(jié)構(gòu)傳遞給基礎(chǔ)的荷載區(qū)分為“桿塔作用力”和“基礎(chǔ)作用力”。前者指在計算桿塔底部反力時，風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)與桿塔結(jié)構(gòu)計算時取值一致；后者則將風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)進(jìn)行折減，所得到的桿塔底部反力即基礎(chǔ)作用力小于桿塔作用力。在工程實踐中，近年來出現(xiàn)了一些爭議，主要集中在基礎(chǔ)以及塔座板、地腳螺栓設(shè)計時，取哪種作用力更合適，給工程設(shè)計人員帶來了較大的困擾。

針對上述問題，本文首先對歷年來各版本相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中基礎(chǔ)作用力的規(guī)定進(jìn)行了梳理，然后通過風(fēng)洞試驗開展了研究，結(jié)合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5210—2014《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[1](以下簡稱《14版電力規(guī)程》)的修編工作，對基礎(chǔ)作用力的取值進(jìn)行了探討，有關(guān)結(jié)論可為標(biāo)準(zhǔn)修編提供參考。

1 基礎(chǔ)作用力歷史沿革及現(xiàn)狀

基礎(chǔ)作用力作為重要的輸入荷載，直接影響著基礎(chǔ)的設(shè)計。如前所述，不同的作用力的區(qū)別主要體現(xiàn)在桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)(又稱“風(fēng)振系數(shù)”)取值的差異。為便于分析問題的來龍去脈，本文對歷年來各版本相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中基礎(chǔ)作用力的規(guī)定進(jìn)行梳理。

1)原行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SDJ 3—1979《架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[2]第63條規(guī)定，60 m 以上的桿塔，應(yīng)考慮陣風(fēng)的振動作用，塔(桿)身風(fēng)荷載應(yīng)乘以風(fēng)振系數(shù)。鐵塔的風(fēng)振系數(shù)取 1.5，拉線桿塔取 1.25，未對基礎(chǔ)作用力進(jìn)行規(guī)定。

2)原行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SDGJ 62—1984《送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[3]第1.7條規(guī)定：“基礎(chǔ)的設(shè)計荷載取用桿塔傳至基礎(chǔ)的靜態(tài)作用力，除高度在50 m以上的桿塔，在基礎(chǔ)作用力中應(yīng)遵照《SDJ 3—1979》考慮陣風(fēng)動力影響外，其他情況以及在安裝和斷線情況下的沖擊影響均不必考慮?！保錀l文說明中指出：“陣風(fēng)對基礎(chǔ)和地基土的動力影響，迄今還是一個不太清楚的問題，從1983年水電部組織編寫的《全國倒塔事故調(diào)查說明》可以看出，在風(fēng)災(zāi)倒塔記錄中，均沒有發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)損壞的記錄。因此，在《送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(以下簡稱“《規(guī)定》”)中，原則上基礎(chǔ)可不考慮陣風(fēng)動力的影響。但對于50 m以上桿塔的基礎(chǔ)，在以往工程中已考慮了陣風(fēng)的動力影響。因此，《規(guī)定》對50 m以上桿塔的基礎(chǔ)，按電力規(guī)劃設(shè)計院(84)水電電規(guī)送字第6號文《關(guān)于線路基礎(chǔ)設(shè)計中陣風(fēng)動力作用問題的補(bǔ)充規(guī)定》執(zhí)行。”

3)原行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SDGJ 94—90《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[4]第2.19條規(guī)定，桿塔身風(fēng)荷載用于計算基礎(chǔ)時，風(fēng)壓調(diào)整系數(shù)應(yīng)按表1取值。SDGJ 94—90條文說明指出，表1摘自電力規(guī)劃設(shè)計院(84)水電電規(guī)送字第6號文《關(guān)于線路基礎(chǔ)設(shè)計中陣風(fēng)動力作用問題的補(bǔ)充規(guī)定》。

表1 SDGJ 94—90風(fēng)壓調(diào)整系數(shù)

4)原行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DLT 5092—1999《110～500 kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[5]第12.1.13條規(guī)定：“桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，對基礎(chǔ)，當(dāng)桿塔全高超過50 m時，應(yīng)取1.0；全高超過50 m時，應(yīng)取1.3”。對基礎(chǔ)的βZ值是參考化工塔架的設(shè)計經(jīng)驗，取對桿塔效應(yīng)的50%，即βB=(βP-1)/2+1，考慮到使用上方便，取對50 m以下桿塔為1.0；對50 m及以上桿塔為1.3。

5)DL/T 5219—2005原行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[6]第5.0.13條規(guī)定，基礎(chǔ)設(shè)計(包括地腳螺栓、插入角鋼設(shè)計)時，基礎(chǔ)作用力計算應(yīng)計入桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)。當(dāng)桿塔全高不超過50 m時，取風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)為1.3；當(dāng)桿塔全高不大于50 m時，取風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)為1.0。

6)《14版電力規(guī)程》基本維持DL/T 5219—2005條文，僅將50 m高度修訂為60 m高度。

7)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》[7]第10.1.20條及條文說明，參考化工塔架的設(shè)計經(jīng)驗，計算基礎(chǔ)作用力時的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)取對桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)的50%，即β基=(β桿塔-1)/2+1，考慮到使用上方便，取對60 m以下桿塔不小于1.0；對60 m及以上桿塔不小于1.3。

由上述各個版本的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來看，其整體思路是對于高塔(50 m以上或60 m以上)適當(dāng)考慮風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，對于矮塔則不考慮。多本標(biāo)準(zhǔn)提到參考化工塔架的設(shè)計經(jīng)驗，原國家標(biāo)準(zhǔn)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GBJ 135—90[8]在編制過程中，對于基礎(chǔ)作用力的問題進(jìn)行了研究，指出石油化工塔基礎(chǔ)的風(fēng)振系數(shù)可乘以折減系數(shù)0.9，其理由為：設(shè)計基礎(chǔ)可以考慮塔結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)沿高度從上到下的衰減及塔結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)連接的螺栓松弛，墊板受力不均勻而部分消失；又考慮規(guī)范修訂的結(jié)果不宜大變化，因此提出設(shè)計石油化工塔基礎(chǔ)風(fēng)振系數(shù)乘以折減系數(shù)0.9。而多本標(biāo)準(zhǔn)中提出的“桿塔效應(yīng)折減50%”未找到出處。

國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及國內(nèi)其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均未見“桿塔作用力”與“基礎(chǔ)作用力”的區(qū)別，而均采用“桿塔作用力”。1980年國際大電網(wǎng)會議對鐵塔基礎(chǔ)的動態(tài)特性開展了討論，指出波動荷載作用下，地基抗力響應(yīng)沒那么快，建議動荷載的峰值不要超過靜荷載極限的一定的百分比，且淺基礎(chǔ)要大于樁基礎(chǔ)，地基抗力對于短時的極值作用力來說，可以提高。

2 基礎(chǔ)風(fēng)洞試驗研究

2.1 基礎(chǔ)風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ?/h3>

為研究輸電線路桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)在基礎(chǔ)設(shè)計中的取值，以某典型直線塔和基礎(chǔ)為例，建立了鐵塔-基礎(chǔ)-地基耦合體系的氣彈性試驗?zāi)Ｐ停桓鶕?jù)結(jié)構(gòu)相似準(zhǔn)則和流體相似準(zhǔn)則確定了鐵塔模型的幾何縮尺比、風(fēng)速縮尺比，時間、頻率、抗彎剛度、抗壓剛度等一系列試驗重要參數(shù)的相似比，并按照縮尺比選定了縮尺模型的截面形式和制作材料；同時，為保證桿件間牢固的連接，又將部分節(jié)點板替換成了由 3D打印的節(jié)點套筒；采用彈簧片和阻尼器替代真實地基土進(jìn)行模擬，輸電塔及基礎(chǔ)整體模型如圖1所示。

圖1 輸電塔及基礎(chǔ)整體模型圖

氣彈性模型的試驗在紊流風(fēng)場中進(jìn)行，其中單塔氣彈模型紊流試驗分別在0°、45°、60°、90°這4個風(fēng)向角和理論風(fēng)速分別為10 m/s、12.5 m/s、13.5 m/s這3個風(fēng)速下進(jìn)行。除進(jìn)行輸電塔-基礎(chǔ)-地基耦合體系氣彈模型風(fēng)洞試驗外，還設(shè)計實施了剛性支座的輸電塔氣彈風(fēng)洞試驗作為對照試驗。

2.2 基礎(chǔ)風(fēng)洞試驗結(jié)果

通過上述風(fēng)洞試驗研究，結(jié)果表明行業(yè)中設(shè)計人員習(xí)慣描述的“桿塔作用力”與“基礎(chǔ)作用力”兩者并沒有區(qū)別，即基礎(chǔ)設(shè)計時的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)與上部桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)基本一致。同時對于90度風(fēng)向角下輸電線路直線塔基礎(chǔ)設(shè)計的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，如果采用現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》[7]推薦值，其加權(quán)平均值較風(fēng)洞試驗結(jié)果大17%，采用隨機(jī)振動理論計算值，其加權(quán)平均值較風(fēng)洞試驗結(jié)果大5%。對于0度風(fēng)向角下輸電線路直線塔基礎(chǔ)設(shè)計的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，如果采用GB 50545—2010推薦值，其加權(quán)平均值較風(fēng)洞試驗結(jié)果大23%，如果采用隨機(jī)振動理論計算值，其加權(quán)平均值較風(fēng)洞試驗結(jié)果大9%[9]。

因此，對于采用GB 50545—2010推薦值和隨機(jī)振動理論計算的桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計時，取0.5的折減系數(shù)相對于風(fēng)洞試驗結(jié)果來看是安全的，但是如果直接采用風(fēng)洞試驗的結(jié)果來設(shè)計，不宜再進(jìn)行任何形式的折減。

3 基礎(chǔ)作用力取值討論及建議

3.1 基礎(chǔ)作用力取值討論

從國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的比較和風(fēng)洞試驗的結(jié)果來看，除電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以外，其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范未見“桿塔作用力”與“基礎(chǔ)作用力”的區(qū)別，而采用“桿塔作用力”；而多本行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中提出的“桿塔效應(yīng)折減50%”未找到相關(guān)出處，也未能通過理論推導(dǎo)得出。雖然風(fēng)洞試驗結(jié)果表明取0.5的折減系數(shù)也是安全的，但試驗樣本仍然偏少。

另一方面，在往復(fù)周期荷載如風(fēng)荷載、地震荷載作用下，除軟土和松散沙類土以外，基礎(chǔ)的動強(qiáng)度有所提高，但風(fēng)荷載作用下的相關(guān)研究較少，難以給出定量的提高系數(shù)。

綜合來看，上部結(jié)構(gòu)傳遞到基礎(chǔ)頂面的作用力是客觀存在的、唯一的，在計算上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的連接，以及基礎(chǔ)本身時，作用力沒有區(qū)別，但是在考慮基礎(chǔ)與地基相互作用時，瞬時或短時的作用引起的地基響應(yīng)有所不同，表現(xiàn)在地基承載力上就是加載過程中地基的動強(qiáng)度有所提高。由此可見在計算上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件、塔座板、地腳螺栓、插入式角鋼、基礎(chǔ)配筋，都應(yīng)該采用 “桿塔作用力”，在計算涉及地基的承載力時，作用力也應(yīng)該是“桿塔作用力”，只不過相應(yīng)的地基承載力可以提高，可以體現(xiàn)在地基的安全系數(shù)上。

考慮輸電線路勘測水平、施工條件、場地差異、野外環(huán)境變化等實際情況，基礎(chǔ)設(shè)計 “精細(xì)化”很難做到，也沒有必要，因此國外線路行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)計采用“桿塔作用力”，并通過安全系數(shù)控制地基基礎(chǔ)的安全水平，是合情合理的。我國輸電線路行業(yè)在基礎(chǔ)設(shè)計時，長期以來習(xí)慣上是將“桿塔作用力”進(jìn)行折減，變成“基礎(chǔ)作用力”，而地基的承載力的取值方式與建筑地基基礎(chǔ)保持一致，與實際情況不符。

桿塔作用力與基礎(chǔ)作用力測算對比詳見表2所列。

表2 桿塔作用力與基礎(chǔ)作用力比較

3.2 基礎(chǔ)作用力取值建議

根據(jù)測算結(jié)果，對于直線塔，桿塔作用力/基礎(chǔ)作用力=1.1～1.2；對于轉(zhuǎn)角塔，桿塔作用力/基礎(chǔ)作用力=1.0～1.05?？紤]到對風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行折減的方式概念不清晰，依據(jù)文件匱乏，故建議不再提基礎(chǔ)作用力的概念，統(tǒng)一為桿塔作用力。但為保持修改前后安全度水平的一致性，可在安全系數(shù)中統(tǒng)一考慮其影響。推薦直線塔在現(xiàn)有規(guī)程安全系數(shù)的基礎(chǔ)上除以1.1，耐張塔維持不變。

輸電線路一般把基礎(chǔ)設(shè)計的安全系數(shù)按照桿塔類型來區(qū)分，直線塔小，耐張塔大，考慮到基礎(chǔ)作用力的荷載組成，直線塔永久荷載占比小，風(fēng)荷載占比大，耐張塔尤其是大轉(zhuǎn)角的耐張塔，作用力張力占比較大。因此從荷載來看，這樣取值對于基礎(chǔ)設(shè)計也是比較合理的，活荷載占比大的塔型，安全系數(shù)取小值，反之取大值，符合地基承載力動荷載強(qiáng)化提高的特性。

4 結(jié)論

國內(nèi)各個版本的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來看，其整體思路是對于高塔(50 m以上或60 m以上)適當(dāng)考慮風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，對于矮塔則不考慮。國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及國內(nèi)其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均未見“桿塔作用力”與“基礎(chǔ)作用力”的區(qū)別，而均采用“桿塔作用力”。

風(fēng)洞試驗結(jié)果表明，行業(yè)中設(shè)計人員習(xí)慣描述的“桿塔作用力”與“基礎(chǔ)作用力”兩者并沒有區(qū)別，即基礎(chǔ)設(shè)計時的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)與上部桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)基本一致。對于采用GB 50545—2010推薦值和隨機(jī)振動理論計算的桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計時，取0.5的折減系數(shù)相對于風(fēng)洞試驗結(jié)果來看是安全的，但是如果直接采用風(fēng)洞試驗的結(jié)果來設(shè)計，不宜再進(jìn)行任何形式的折減。

考慮到對風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行折減的方式概念不清晰，依據(jù)文件匱乏，故建議不再提基礎(chǔ)作用力的概念，統(tǒng)一為桿塔作用力。但為保持修改前后安全度水平的一致性，可在安全系數(shù)中統(tǒng)一考慮其影響。推薦直線塔在現(xiàn)有規(guī)程安全系數(shù)的基礎(chǔ)上除以1.1，耐張塔維持不變。