插入角鋼式輸電鐵塔基礎(chǔ)承載力試驗(yàn)研究

張 波,楊利容

(西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,四川 成都 610407)

近年來(lái),我國(guó)高壓輸電線路輸電塔很多都采用了插入式角鋼基礎(chǔ)。然而這一基礎(chǔ)形式的外荷載從角鋼傳遞到混凝土基礎(chǔ)卻是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程,對(duì)于基礎(chǔ)承載力的影響因素也較多。此文主要結(jié)合 500 kV輸電線路插入角鋼式基礎(chǔ)承載力試驗(yàn)的結(jié)果,分析這種基礎(chǔ)承載力的影響因素,為今后類似工程建設(shè)提供數(shù)據(jù)參考。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

1.1 模型試件設(shè)計(jì)

室內(nèi)模型試驗(yàn)主要是研究插入角鋼的類型(主材鋼Q420),角鋼埋置深度、剪切件錨固情況對(duì)基礎(chǔ)承載力的影響。由于主要研究插入角鋼的作用,因此本試驗(yàn)不考慮混凝土強(qiáng)度的影響(基礎(chǔ)所采用的混凝土強(qiáng)度為C25)。試驗(yàn)中主材上附加的剪切件均采用∠80×8Q345角鋼。剪切件通過(guò)螺栓錨固在主材上面,方向與主材垂直;將應(yīng)變片等距布置在主材角鋼上面,應(yīng)變片數(shù)量根據(jù)主材長(zhǎng)度而定(主材長(zhǎng)度由埋置深度確定,隨深度增加而增長(zhǎng))。由于插入角鋼式基礎(chǔ)與混凝土柱坡度一致,為便于操作,將角鋼直接插入混凝土柱中。試件詳細(xì)情況見(jiàn)表 1。試驗(yàn)前,按照文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[3]分別對(duì)每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。

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1.2 試驗(yàn)加載模式

本次試驗(yàn)主材選用兩種規(guī)格∠125×8、∠160×14,其抗力標(biāo)準(zhǔn)值分別為 827.4 kN和1818.6 kN,而所選用的柱截面尺寸為 400mm×400mm和 500 mm×500mm,本試驗(yàn)中能承擔(dān)的抗拔力標(biāo)準(zhǔn)值分別為 284.8 kN和 445 kN。因此,如果在試驗(yàn)中直接將試件底部錨固而在角鋼上施力上拔,在角鋼受力較小時(shí)混凝土柱就已經(jīng)被拉裂,混凝土中的拉力傳至柱中的鋼筋承擔(dān),當(dāng)柱中鋼筋配置較少時(shí),柱可能被拉斷或底部的錨固位破壞。為了能夠完整地考察角鋼的錨固性能,因此在試驗(yàn)加載時(shí)選擇自平衡模式,即混凝土和角鋼同時(shí)受力,大小相等方向相反,混凝土中有個(gè)預(yù)加壓應(yīng)力的作用,這樣在試驗(yàn)中混凝土不致在較小的上拔力下就被拉壞?？箟涸囼?yàn)則在常規(guī)壓力試驗(yàn)機(jī)上完成。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

1.3.1 各試件試驗(yàn)情況匯總

綜合各試件實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù),將各試件的破壞荷載匯總于表 2。

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1.3.2 無(wú)錨固件時(shí)基礎(chǔ)承載力

由 SJ-1與SJ-3對(duì)比看出,角鋼埋置深度對(duì)基礎(chǔ)抗拔力的提高作用是很大的。深度從 1.0m到 1.5 m提高了一倍。由于本次試驗(yàn)主要針對(duì)有錨固件的基礎(chǔ)承載力的研究,因此未做多余的無(wú)錨固件試件進(jìn)行對(duì)比。文獻(xiàn)[4]中試驗(yàn)表明針對(duì)無(wú)錨固件插入角鋼式基礎(chǔ),角鋼深度達(dá)到某一臨界深度后,對(duì)基礎(chǔ)的抗拔力增加并不明顯。

1.3.3 有錨固件和無(wú)錨固件基礎(chǔ)承載力對(duì)比

通過(guò) SJ-1與 SJ-2對(duì)比看出,當(dāng)設(shè)置錨固件時(shí),基礎(chǔ)承載力提高了一倍多,對(duì)比 SJ-3可以看出,在一定程度上對(duì)抗拔承載力的貢獻(xiàn)值大于通過(guò)增加埋置深度的貢獻(xiàn)值,說(shuō)明在同等條件下設(shè)置錨固件比增加埋置深度對(duì)基礎(chǔ)抗拔承載力的提高更有效。這是由于角鋼錨固件有效增加了主材表面的不平整度和表面積,混凝土與主材的粘接強(qiáng)度較不帶錨固件的試件有明顯的提高。同時(shí)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,由于有錨固件的作用,角鋼雖不斷被拉伸,但卻延緩了角鋼被徹底拔出,角鋼被拔出的殘余位移將因?yàn)殄^固件的作用而加大。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,把混凝土鑿開(kāi),看到錨固角鋼件已經(jīng)嚴(yán)重?cái)D壓變形,說(shuō)明錨固件在阻止角鋼被拔出過(guò)程中起到了很大的作用。

1.3.4 有錨固件的基礎(chǔ)承載力

1.3.4.1 插入單角鋼基礎(chǔ)承載力

通過(guò) SJ6-2、SJ7、SJ8數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出,增加錨固件個(gè)數(shù)對(duì)角鋼承載能力貢獻(xiàn)是巨大的,增加 3個(gè)錨固件從 SJ-2到 SJ7試件承載能力將近提高了 30%,SJ7到SJ8也提高了近 10%,但明顯提高幅度降低了,說(shuō)明在一定范圍內(nèi)增加錨固件可以顯著提高插入式角鋼基礎(chǔ)極限承載能力,超出某一界限,再增加錨固件對(duì)基礎(chǔ)承載能力影響將不明顯。同時(shí)從SJ6三組試件結(jié)果對(duì)比以及SJ4三組試件結(jié)果對(duì)比可以看出不同受力狀態(tài)下基礎(chǔ)承載能力差異較大,特別是雙向受力與單向受力,這在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該引起注意。

1.3.4.2 插入雙角鋼基礎(chǔ)承載力

通過(guò)SJ5-1與 SJ5-2兩組試件的試驗(yàn)結(jié)果可知基礎(chǔ)插入雙角鋼后,承載力顯著提高,但提高值卻不是相應(yīng)單角鋼承載力的兩倍,分析原因可能有以下兩點(diǎn):(1)試驗(yàn)加載方式的影響,使雙角鋼受到了偏心荷載的影響,造成材料的提前破壞。(2)雙角鋼依靠綴板將兩個(gè)角鋼連接,其協(xié)同工作能力有待驗(yàn)證。

2 基礎(chǔ)真型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際荷載特性、實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)狀況和室內(nèi)模型試驗(yàn)成果,設(shè)計(jì)真型試驗(yàn)基礎(chǔ),其具體參數(shù)見(jiàn)表 3。

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2.2 試驗(yàn)方法

為模擬基礎(chǔ)的實(shí)際工作情況,采用慢速循環(huán)維持荷載的加卸載方案,豎向上拔力/下壓力和模擬縱橫向水平力按比例加載,都由千斤頂直接施加水平和豎向荷載。測(cè)試應(yīng)變片的布置見(jiàn)圖 1。

圖1 應(yīng)變片布置圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

角鋼在不同荷載工況下的應(yīng)力見(jiàn)圖 2。

圖2 主材應(yīng)力

2.3.2 結(jié)果分析

真型實(shí)驗(yàn)與模型實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果規(guī)律基本相同,不同位置處角鋼受力具有不同步性,埋置越深,所分擔(dān)的力越小;離加載處越近所受到的力越大;這是由于荷載是沿著角鋼的埋入深度通過(guò)插入角鋼逐漸傳遞給混凝土的。同時(shí)從上面應(yīng)力圖可以看出:在受壓模式下,主材角鋼上的應(yīng)力沿插入角鋼的埋置深度減小幅度很大?？梢岳斫鉃?在受壓狀態(tài)下,壓應(yīng)力可以在較短的距離內(nèi)傳遞給混凝土;而抗拉時(shí)傳遞相同荷載卻需要較長(zhǎng)距離。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)插入式角鋼基礎(chǔ)中,角鋼與混凝土組成一個(gè)共同受力體,外荷載能夠通過(guò)角鋼與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度以及錨固件傳遞到混凝土基礎(chǔ)中,然而這一過(guò)程是個(gè)非常復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程。在這一過(guò)程中角鋼與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度將直接影響基礎(chǔ)承載能力,而通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明在一定范圍內(nèi)通過(guò)增設(shè)錨固件將有效提高基礎(chǔ)承載能力。

(2)插入角鋼式基礎(chǔ)承載能力與基礎(chǔ)埋置深度、角鋼種類、有無(wú)錨固件等有很大關(guān)系。

(3)荷載沿角鋼傳入混凝土中,受壓時(shí)在較短范圍內(nèi)傳遞,受拉時(shí)在較長(zhǎng)范圍內(nèi)傳遞,因此為了提高基礎(chǔ)承載能力,在相同大小的荷載條件下,角鋼錨入深度在受拉時(shí)要較受壓時(shí)的大。

(4)雙角鋼插入式基礎(chǔ)的承載能力明顯高于相同種類的單角鋼插入式基礎(chǔ),但提高幅度并非是單角鋼的兩倍。

[1]DL/T 5219-2005架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]

[2]DL/T 5154-2002架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]

[3]GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[4]魯先龍,程永鋒.750KV輸電線路角鋼插入式基礎(chǔ)承載力試驗(yàn)[J].中國(guó)電力,2006,39(1)