轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)預(yù)偏研究

甘鳳林，趙 甲，胡坤琪，成印建，陳 波

(1．東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林132012;2．陜西省漢中供電公司，陜西 漢中723300)

轉(zhuǎn)角塔在兩側(cè)導(dǎo)線、地線的張力以及風(fēng)載作用下，合力方向?yàn)檗D(zhuǎn)角塔的內(nèi)角方向，導(dǎo)致鐵塔在內(nèi)角側(cè)會(huì)產(chǎn)生一定的撓曲，在新建的送電線路竣工驗(yàn)收和日常的運(yùn)行檢修中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)角塔結(jié)構(gòu)傾斜超標(biāo)。造成這種情況的原因除了鐵塔自然、加工等因素外，絕大多數(shù)是由于預(yù)偏不當(dāng)造成的，因?yàn)轭A(yù)偏值的研究一直是一個(gè)比較模糊的區(qū)域，所以有的施工單位干脆不考慮預(yù)偏，給架線后線路的正常運(yùn)行留下了隱患。

架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)程中規(guī)定:“設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)桿塔特點(diǎn)提出施工預(yù)偏要求，預(yù)偏數(shù)值應(yīng)保證桿塔不向內(nèi)側(cè)傾斜，轉(zhuǎn)角桿塔不向轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)傾斜”［1］、“在荷載的長期效應(yīng)組合作用下，轉(zhuǎn)角塔的計(jì)算撓曲度不超過塔高的7‰”［1］。為保證轉(zhuǎn)角塔緊線后及將來的運(yùn)行過程中不向內(nèi)角側(cè)傾斜［2］，在基礎(chǔ)施工過程中就應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)角塔向外角側(cè)方向預(yù)傾斜的問題，但預(yù)傾斜多少才能既保證基礎(chǔ)角鋼與鐵塔連接恰當(dāng)，又使鐵塔架線前向外角側(cè)預(yù)傾斜合理，一直是施工技術(shù)人員多年來探索的問題。本文對(duì)此進(jìn)行了研究。

1 有限元模型建立

選用剛桁架模型建立轉(zhuǎn)角塔，以梁單元BEAM188模擬輸電塔主材和主腹桿桿件，用桿單元LINK8模擬次腹桿桿件，梁單元圍成鐵塔模型的整個(gè)框架。對(duì)輸電塔模型進(jìn)行模態(tài)分析，各低階陣型并無出挑現(xiàn)象，說明結(jié)構(gòu)各桿件和節(jié)點(diǎn)連接完好，得到的模型的第一階頻率f1=2.09。設(shè)計(jì)規(guī)程給出的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中:H為桿塔高度，b為塔頭寬度，B為根開寬度。計(jì)算得出f=2.131。由于規(guī)范自振周期公式是基于鐵塔均布質(zhì)量理論得出的，而ANSYS有限元模態(tài)計(jì)算時(shí)計(jì)入了橫擔(dān)質(zhì)量，雖然兩者計(jì)算結(jié)果不完全一致，但是后者更接近于現(xiàn)實(shí)情況。

2 荷載的施加

在長期效應(yīng)組合下(無冰、風(fēng)速5 m/s及年平均氣溫)進(jìn)行輸電塔結(jié)構(gòu)分析時(shí)，應(yīng)考慮自重、風(fēng)荷載、導(dǎo)地線張力。風(fēng)荷載和導(dǎo)地線張力以等效靜載的形式作用在塔架模型上，塔架風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)按不同風(fēng)壓高度變化系數(shù)把塔架模型分為15段，將風(fēng)載加載在桿塔主材節(jié)點(diǎn)上。將輸電塔整體旋轉(zhuǎn)就可以達(dá)到預(yù)偏的目的，設(shè)預(yù)偏值之后，傾斜的角度荷載換算成直角坐標(biāo)系下的荷載進(jìn)行加載?；A(chǔ)預(yù)偏值從5 mm開始，以5 mm為額度逐漸增加，每增加1次就整塔旋轉(zhuǎn)1次，換算1次荷載，如圖1、圖2所示。

圖1 未設(shè)預(yù)偏加載示意圖

圖2 設(shè)預(yù)偏加載示意圖

3 固定轉(zhuǎn)角度數(shù)的數(shù)據(jù)提取及分析

在3種工況中，選取最不利工況，且風(fēng)從反受力側(cè)超受力側(cè)為例，經(jīng)過多次反復(fù)計(jì)算之后，提取應(yīng)力軸力位移等數(shù)據(jù)，

從架線前后桿塔和鉛垂線位移圖3可以看出，架線前基礎(chǔ)預(yù)偏值為0～135 mm時(shí)，桿塔向反受力側(cè)偏移幅度劇增，基礎(chǔ)預(yù)偏值每增加1 mm，塔頂相對(duì)于鉛垂線的位移就增加5.8 mm。架線后，隨著基礎(chǔ)預(yù)偏值的增加，桿塔相對(duì)架線前的變形越來越小，在0～135 mm范圍內(nèi)，變化幅度達(dá)18 mm，便于用重力平衡外力。

各方向節(jié)點(diǎn)位移如圖4所示。圖4也證明了這一點(diǎn)，此時(shí)也是節(jié)點(diǎn)的位移，X正向位移減小幅度達(dá)20 mm，Z方向負(fù)向位移減小幅度達(dá)10 mm，而Y方向不變，始終維持在7～8 mm。由應(yīng)力變化圖5可得，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力都隨著預(yù)偏值的增加而減小，基礎(chǔ)預(yù)偏值從0 mm增加到135 mm時(shí)，拉應(yīng)力減小9%，壓應(yīng)力減小4%。

圖3 架線前后桿塔和鉛垂線位移

圖4 各方向節(jié)點(diǎn)位移

圖5 應(yīng)力變化圖

由基礎(chǔ)預(yù)偏值和預(yù)偏率的變化圖6可以看出，預(yù)偏率由基礎(chǔ)預(yù)偏值0 mm時(shí)的－8.84‰到基礎(chǔ)預(yù)偏值53 mm時(shí)的0，再到基礎(chǔ)預(yù)偏值135 mm時(shí)的13.18‰。負(fù)值表示桿塔受力后向內(nèi)側(cè)(受力側(cè))偏，顯然這是不允許的，正值剛好相反。根據(jù)桿塔設(shè)計(jì)規(guī)程的7‰為原則，合理的基礎(chǔ)預(yù)偏值和桿塔預(yù)偏率的數(shù)據(jù)如表1所示。

圖6 基礎(chǔ)預(yù)偏值和預(yù)偏率的變化圖

表1 合理的基礎(chǔ)預(yù)偏值和桿塔預(yù)偏率數(shù)據(jù)

4 擬合曲線與最佳預(yù)偏值的確定

利用準(zhǔn)牛頓法與通用全局優(yōu)化法擬合出基礎(chǔ)預(yù)偏值與架線前后塔頂位移的曲線，回歸出函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，架線前后可以對(duì)比，實(shí)測的和理想的有出入，可以用函數(shù)反算出調(diào)節(jié)多少基礎(chǔ)預(yù)偏值。

基礎(chǔ)預(yù)偏值與架線前塔頂與中垂線位移方程為

基礎(chǔ)預(yù)偏值與架線后塔頂與中垂線位移方程為

最佳預(yù)偏值的確定原則:保留一定施工於度、桿件內(nèi)力小、與中垂線的位移符合規(guī)范要求，保證架線前，預(yù)偏之后桿塔在自重條件下向外側(cè)位移最小。

按照設(shè)計(jì)規(guī)范7‰的規(guī)定和驗(yàn)收規(guī)范不向內(nèi)側(cè)傾斜的要求，合理的基礎(chǔ)預(yù)偏值與受力后相對(duì)于鉛垂線之間的距離以及預(yù)偏率如表2所示。規(guī)范7‰是255.5 mm，但在架線前基礎(chǔ)預(yù)偏值越大，桿塔所受的軸力就越大，如圖7所示。從圖7可以看出，這對(duì)架線前的桿塔來說是不利的;即便架線后預(yù)偏值越大，應(yīng)力、軸力等在充分利用自重平衡外力的作用下都是變小的。另外考慮施工的於度和精度，讓預(yù)偏率保證在2‰內(nèi)是很難的，參照外國的2.08‰，建議基礎(chǔ)最佳預(yù)偏值選擇在70～75 mm，就能保證桿塔在架線撓曲后預(yù)偏率在2.56‰～3.37‰。與規(guī)范的7‰相比，要精確很多。

表2 合理的基礎(chǔ)預(yù)偏值與受力后相對(duì)于鉛垂線之間的距離以及預(yù)偏率

圖7 轉(zhuǎn)角度數(shù)與桿塔的變形圖

5 固定基礎(chǔ)預(yù)偏值、改變轉(zhuǎn)角度數(shù)的數(shù)據(jù)提取及分析

在最佳基礎(chǔ)預(yù)偏值70～75 mm內(nèi)，以70 mm為例，對(duì)轉(zhuǎn)角塔改變轉(zhuǎn)角進(jìn)行研究。改變轉(zhuǎn)角意味著改變角度荷載，首先計(jì)算出不同轉(zhuǎn)角度數(shù)的荷載值。

圖8 轉(zhuǎn)角度數(shù)與預(yù)偏率的關(guān)系

由轉(zhuǎn)角度數(shù)與預(yù)偏率的關(guān)系圖8可以看出:隨轉(zhuǎn)角度數(shù)增加，架線受力后塔頂位移增加;相對(duì)于鉛垂線的位移也從－397.11 mm(也就是說預(yù)偏太大了)到 －93.77 mm，預(yù)偏率分別為 －10.87‰與－2.569‰，按照規(guī)范要求只有轉(zhuǎn)角為20°～40°的桿塔基礎(chǔ)預(yù)偏值設(shè)為70～75 mm時(shí)，完全符合7‰的要求。但是從本文來看，朝外側(cè)傾斜的越多，桿塔的內(nèi)力等都是減小的，是有利的。同時(shí)，在工程上－10‰左右的預(yù)偏率是可以接受的。

由各節(jié)點(diǎn)位移與轉(zhuǎn)角度數(shù)的關(guān)系圖9可以看出，隨著轉(zhuǎn)角度數(shù)的增加，X方向的位移與綜合位移在轉(zhuǎn)角4°之后同比例增大，Y方向位移先由正到負(fù)，再到正(向Y正向，再向Y負(fù)向，再到Y(jié)正向)，即在4°～30°，Y向位移為負(fù)，Z向位移逐漸變大。

圖9 各節(jié)點(diǎn)位移與轉(zhuǎn)角度數(shù)的關(guān)系

由轉(zhuǎn)角度數(shù)與應(yīng)力關(guān)系圖10與轉(zhuǎn)角度數(shù)與應(yīng)力關(guān)系圖11可得:在0°～26°，拉應(yīng)力與受拉桿件的軸力幾乎都維持在78 MPa，而在26°～40°，拉應(yīng)力增加明顯;在0°～40°，壓應(yīng)力一直增大，受壓構(gòu)件的軸力也一直增大。由轉(zhuǎn)角度數(shù)與應(yīng)力趨勢圖12和轉(zhuǎn)角度數(shù)與軸力趨勢圖13看出:在0°～26°，轉(zhuǎn)角度數(shù)每增加1°拉應(yīng)力與受拉構(gòu)件軸力的幾乎不增加，在26°～40°之后，轉(zhuǎn)角度數(shù)每增加1°拉應(yīng)力增加10 MPa;在0°～40°，轉(zhuǎn)角度數(shù)每增加1°壓應(yīng)力增加10 MPa。而軸力更不一樣，0°～28°，受拉構(gòu)件的軸力幾乎不變，28°～40°，每增加 1°，受拉構(gòu)件的軸力增加4 000 N左右;對(duì)于受壓構(gòu)件，0°～6°，每增加1°軸力增加2 500 N 左右，6°～40°，按照 34 000 N比率增加的。

圖10 轉(zhuǎn)角度數(shù)與應(yīng)力關(guān)系圖

圖11 轉(zhuǎn)角度數(shù)與應(yīng)力關(guān)系

圖12 轉(zhuǎn)角度數(shù)與應(yīng)力趨勢

圖13 轉(zhuǎn)角度數(shù)與軸力趨勢

6 結(jié)論

1)當(dāng)西北地區(qū)常用的特種桿塔的最佳基礎(chǔ)預(yù)偏值為65～95 mm時(shí)，建議最好調(diào)到70～75 mm，因?yàn)榇藭r(shí)預(yù)偏率在2% ～3%，便于施工，桿塔更安全。

2)對(duì)于其他類型的桿塔，應(yīng)按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出最佳預(yù)偏值，加上25%的施工於度，這樣可以更好地與理論計(jì)算吻合。

3)可用擬合出的基礎(chǔ)預(yù)偏值與架線前后塔頂位移的函數(shù)，在架線前后或者運(yùn)行檢修時(shí)可反算出基礎(chǔ)預(yù)偏值和塔頭位移的關(guān)系，以便調(diào)節(jié)。

［1］ 張殿生．電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:中國電力出版社，2003．

［2］ GBJ 233－90，110～500 kV架空線路施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］．