一種輸電線路鐵塔基礎(chǔ)原位加固處理方法

李 偉，易黎明，王四秀

(湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430040)

1 概況

某220kV線路工程，架線完畢后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)T60塔位基礎(chǔ)主柱混凝土實(shí)際抗壓強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求值。該線路投產(chǎn)送電在即，業(yè)主委托時(shí)同時(shí)提出幾條處理原則：安全可靠、原位處理、不拆塔，工期盡可能短。

2 事故分析

T60為直線塔，塔呼高36m，全高55.0m，鐵塔根開(kāi)8.24m。鐵塔基礎(chǔ)采用平腿配置，采用掏挖基礎(chǔ)，基礎(chǔ)最小埋深3.2m，基礎(chǔ)主柱直徑0.8m，主筋為HRB335級(jí)鋼。每塔腿設(shè)置4根M30地腳螺栓，材質(zhì)35#鋼，地螺間距240mm。該塔位典型基礎(chǔ)型式見(jiàn)圖1。

圖1 基礎(chǔ)施工圖

經(jīng)使用回彈儀和鉆芯取樣綜合評(píng)定，該基礎(chǔ)立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k=12.5MPa，不滿足設(shè)計(jì)要求C20強(qiáng)度要求。結(jié)合《規(guī)范》中置換公式，該基礎(chǔ)砼設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 基礎(chǔ)砼設(shè)計(jì)參數(shù)(單位：N/mm2)

為進(jìn)一步深入的評(píng)估該塔的情況，對(duì)該塔的按照實(shí)際檔距、風(fēng)速和實(shí)際使用條件進(jìn)行了分析，塔腿作用力見(jiàn)表2。

表2 實(shí)際作用力設(shè)計(jì)值(單位：kN)

2.1 基礎(chǔ)承載力驗(yàn)算

掏挖基礎(chǔ)主柱設(shè)計(jì)主要考慮上拔穩(wěn)定、下壓穩(wěn)定、強(qiáng)度計(jì)算三個(gè)方面。前兩項(xiàng)主要由基礎(chǔ)外形尺寸確定，僅強(qiáng)度計(jì)算與基礎(chǔ)砼強(qiáng)度相關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的砼強(qiáng)度等級(jí)，對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算如下：

2.1.1 劃分樁類

可塑粘性土反力系數(shù)m=2×104kN.m，對(duì)鋼筋混凝土樁的抗彎剛度EI=0.8EcI，樁的變形系數(shù)故l=2.4m<2.5/α=2.5×1.172=2.93m，按剛性樁考慮。

2.1.2 基樁配筋

將《規(guī)范》附錄G中ω計(jì)算公式和xA計(jì)算公式代入Mx公式中進(jìn)行推導(dǎo)，原狀土基礎(chǔ)剛性基柱考慮土抗力時(shí)任一截面彎矩Mx可按下式計(jì)算。

取柱底x=2.4，計(jì)算可得，柱底彎矩為89.8kN.m。

按照《規(guī)范》9.1.3條，考慮鋼筋應(yīng)力塑性分布(9.1.3-5)，對(duì)基礎(chǔ)主柱進(jìn)行配筋計(jì)算：

原基礎(chǔ)主柱配筋A(yù)=3053mm2>As，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.3 底板強(qiáng)度

(1)x-x截面(柱底0.1m截面，d = 966mm)

取x = 2.5，計(jì)算可得，柱底0.1m處截面彎矩為90.6kN.m。

σct< 0.59ft，底板抗拉強(qiáng)度滿足要求。

(2)y-y截面(取基柱邊截面)基礎(chǔ)上、下面的凈土壓力σ0計(jì)算：

在該基礎(chǔ)允許的尺寸和混凝土強(qiáng)度等級(jí)的條件下，如果底板的凈土壓力能滿足不大于允許底板平均凈反力P0值大小，即可不必驗(yàn)算。

均不滿足要求，故y-y截面的上拔和下壓的抗剪強(qiáng)度均不滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 地腳螺栓承載力驗(yàn)算

原設(shè)計(jì)按照C20的混凝土強(qiáng)度，采用M30螺栓，錨固長(zhǎng)度取為830mm。根據(jù)混凝土實(shí)際抗壓強(qiáng)度，由《規(guī)范》中錨栓的計(jì)算公式，得錨栓的最小錨固長(zhǎng)度為1126mm，原地腳螺栓錨固長(zhǎng)度不足。

地腳螺栓抗力見(jiàn)表3。

表3 T60地腳螺栓內(nèi)力比較表(單位：kN)

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，原設(shè)計(jì)地腳螺栓在砼強(qiáng)度等級(jí)降低為fcuk=12.5kPa時(shí)，地腳螺栓不能滿足抗拔的要求。

經(jīng)上述分析表明，該基基礎(chǔ)底板Y-Y截面上拔和下壓剪切承載力不滿足設(shè)計(jì)要求。地腳螺栓的抗拔力也不滿足設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行處理。

3 加固處理方案選擇

3.1 基礎(chǔ)加固方案

前文已論述，基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度降為fcuk=12.5kPa，掏挖基礎(chǔ)底板上拔和下壓剪切強(qiáng)度不滿足要求。但掏挖基礎(chǔ)為原狀土基礎(chǔ)，無(wú)法對(duì)其自身強(qiáng)度進(jìn)行加固。因此需要考慮采取其他的方式處理。

考慮到對(duì)原掏挖基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)挖，將破壞掏挖基礎(chǔ)的受力形式，因此考慮對(duì)掏挖基礎(chǔ)進(jìn)行淺層處理。一方面利用原掏挖基礎(chǔ)作為下壓支撐，另一方面采用加大基礎(chǔ)主柱截面，并新增底板將掏挖基礎(chǔ)受力體系轉(zhuǎn)變成大開(kāi)挖重力式基礎(chǔ)受力體系進(jìn)行處理。

3.2 地腳螺栓錨固不足加固方案

鐵塔地腳螺栓錨固長(zhǎng)度不足的問(wèn)題，主要有如下三種解決問(wèn)題的方法。

(1)外包混凝土增加錨栓法

原基礎(chǔ)周?chē)聺仓粚哟笥?80mm厚的鋼筋混凝土，并在新澆注的混凝土中埋置錨栓。采用一種裝置使所增設(shè)的錨栓與原錨栓共同連接固定鐵塔柱腳。 見(jiàn)圖2。

圖2 外包混凝土增設(shè)錨栓法

(2)連接錨筋加強(qiáng)錨固法

將基礎(chǔ)柱角的混凝土鑿除，使錨栓局部裸露，然后再將錨栓和基礎(chǔ)柱的主筋上加焊連接錨筋，形成分肢錨固，最后澆筑混凝土形成整體。

考慮本工程情況，方案一具有對(duì)原基礎(chǔ)及塔腳底板無(wú)損傷，原基礎(chǔ)可作為加固過(guò)程中的下壓支撐，加固過(guò)程安全可靠。力學(xué)模型清晰，可量化計(jì)算，加固工藝可控，加固效果好，在基礎(chǔ)砼強(qiáng)度不滿足要求的條件下，統(tǒng)籌考慮了基礎(chǔ)的加固，一次性解決掉基礎(chǔ)與地腳螺栓錨固不足的問(wèn)題。方案二因線路鐵塔地腳螺栓集中在基礎(chǔ)中心部位，鑿除基礎(chǔ)混凝土對(duì)原基礎(chǔ)損傷太大，施工過(guò)程需要另外對(duì)原鐵塔增設(shè)可靠豎向下壓和上拔支撐，施工安全性難以保證。且加固方案未考慮基礎(chǔ)加固，方案是適應(yīng)性不強(qiáng)。

綜上所述，方案一為本案例的最優(yōu)處理方案。

4 實(shí)例分析及處理措施

4.1 加固原理及計(jì)算分析

4.1.1 基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)

利用原掏挖 作為下壓支撐，將掏挖基礎(chǔ)主柱半徑增大200mm，外部配置環(huán)形箍筋和豎向縱筋，基礎(chǔ)沿主柱外邊緣外擴(kuò)1600mm，高度1000mm。最終形成重力式臺(tái)階基礎(chǔ)。考慮到加固過(guò)程中的施工安全性，減少對(duì)原掏挖基礎(chǔ)的擾動(dòng)，該基礎(chǔ)僅保留600mm主柱長(zhǎng)度，其他部分按照底板設(shè)置，如圖3。

圖3 掏挖基礎(chǔ)加固方案

基礎(chǔ)按重力式臺(tái)階基礎(chǔ)，參照《規(guī)范》中相應(yīng)規(guī)定驗(yàn)算，主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 重力式臺(tái)階基礎(chǔ)主要計(jì)算結(jié)果

4.1.2 地腳螺栓輔助錨固設(shè)計(jì)

本方案是將原基礎(chǔ)柱從加固面開(kāi)始至柱頂部外表面全部鑿毛清洗干凈,然后在柱四周綁扎鋼筋澆注厚度至少為180mm的C20混凝土,并在新澆注的混凝土中埋置錨栓。采用一種裝置將新老地腳螺栓連接起來(lái)，以使得兩者能共同受力，使得新增地腳螺栓能彌補(bǔ)原地腳螺栓錨固不足。加固過(guò)程中，基礎(chǔ)兼做鐵塔下壓支撐。

該裝置增設(shè)新的底腳板、靴板、筋板，通過(guò)焊接的方式與原底腳板、靴板焊接，形成新的多地腳螺栓的受力體系。

加固計(jì)算參照《手冊(cè)》及經(jīng)驗(yàn)對(duì)該加固裝置受力進(jìn)行如下假設(shè)：

①塔腳底板受壓時(shí)，整個(gè)塔腳板均勻受壓。②塔腳底板受拉時(shí)，每個(gè)地腳螺栓所受拉力相同。③每根地腳螺栓拉力平均分配到相鄰的筋板上。

按照上述三條假設(shè)，對(duì)新增設(shè)的錨固裝置進(jìn)行驗(yàn)算。各構(gòu)件驗(yàn)算根據(jù)《手冊(cè)》，按下列公式計(jì)算：

(1)地腳螺栓驗(yàn)算

本案例新增12根M20地腳螺栓，與原地腳螺栓組成共同受力體系，構(gòu)造設(shè)置即可。地腳螺栓采用式Af=TE/nfg進(jìn)行驗(yàn)算。

(2)塔腳底板驗(yàn)算

受拉計(jì)算按照每個(gè)地腳螺栓所承受的拉力平均分配在各靠近加勁肋或靴板上進(jìn)行假定，彎矩按照式Ms=TS/n計(jì)算。

(3)靴板驗(yàn)算

塔腳板受壓時(shí)每塊靴板承受由兩靴板交點(diǎn)作45°壓力分布線范圍內(nèi)的全部反力，因此靴板承受一個(gè)按照三角形規(guī)律分布的荷載，最大反力在主材邊。

靴板所受的切力為：

所受彎矩為：

當(dāng)塔腳底板受拉時(shí)，可近似假定每個(gè)地腳螺栓所受的拉力平均向各相鄰的靴板和加勁肋分布。靴板所承受的彎矩即為此靴板和加勁肋所分擔(dān)的拉力和此力到靴板與主角鋼連接螺栓線之間的距離的乘積。各板抗彎截面高度由抗剪截面高度由式計(jì)算。

按上述計(jì)算原則，本方案最終驗(yàn)算結(jié)果如表5。

表5 靴板和筋板及焊縫驗(yàn)算

根據(jù)上述計(jì)算可知，通過(guò)此加固措施，各構(gòu)件能滿足結(jié)構(gòu)的承載力要求。

4.1.3 基礎(chǔ)主柱作為下壓支撐驗(yàn)算

施工過(guò)程中，由于鐵塔四周均設(shè)拉線，基礎(chǔ)主柱可按照軸心受壓構(gòu)件驗(yàn)算承載力。

基礎(chǔ)主柱自身的重力

鐵塔傳遞荷載

考慮荷載組合，

由上式可知，基礎(chǔ)主柱可作為鐵塔的下壓支撐。

4.2 處理措施

(1)設(shè)計(jì)考慮采用增設(shè)輔助錨固螺栓，用來(lái)彌補(bǔ)原地腳螺栓錨固不足。新增設(shè)的輔助錨固螺栓設(shè)置在原來(lái)基礎(chǔ)主柱外圍，并錨固在增大截面后的新增主柱里。

(2)在原地腳螺栓的外側(cè)增設(shè)新的與原底腳板同厚的底腳板，將其與原底腳板進(jìn)行焊接。為增加底腳板的剛度，使得新老地腳螺栓能同時(shí)受力，新增靴板和筋板。

考慮到老塔腳底板已經(jīng)安裝，新塔腳底板需要與老塔腳底板相匹配，因此考慮新塔腳底板在原廠進(jìn)行加工，以斜對(duì)角為中心線分成兩塊板。新塔腳底板的坡口，防銹處理均在工廠制作，制作完成運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，再進(jìn)行拼裝。為保證新老塔腳底板順利拼裝，現(xiàn)場(chǎng)先拼裝主要受力構(gòu)件，不可調(diào)節(jié)受力構(gòu)件，再拼裝輔助受力構(gòu)件，可局部調(diào)整受力構(gòu)件，拼裝順序如下：焊塔腳底板——焊靴板——焊勁板所有坡口均工廠處理，現(xiàn)場(chǎng)僅對(duì)焊接位置處鍍鋅層進(jìn)行處理。

(3)新老塔腳底板為厚板，需要考慮厚板焊接問(wèn)題。本工程中，對(duì)該塔腳底板采取如下措施：根據(jù)《規(guī)范》和《規(guī)程》中的說(shuō)明，塔腳底板可采用MC-BL-B1的方式焊接，如圖4。靴板厚度一般為12mm～14mm，新老靴板采用MC-BK-2的方式焊接，其焊接型式如圖5。焊接時(shí)，原塔腳底板采用火焰初步切割打磨處理，不要有太多的凹槽，每層焊接完使用磨光機(jī)打磨焊縫，清理焊渣。

圖4 新老塔腳底板對(duì)接焊接措施

圖5 新老靴板焊接措施

(4)本工程共設(shè)置12根地腳螺栓，為保證埋設(shè)的地腳螺栓能與塔腳底板的螺栓孔保持一致，地腳螺栓的埋設(shè)均依靠新焊接好的塔腳底板作為固定支座進(jìn)行埋設(shè)，待地腳螺栓固定，塔腳底板全部焊接完成后，再澆筑混凝土。

(5)由于本加固方案為不拆導(dǎo)線，不拆塔帶荷加固，因此對(duì)施工安全要求較高。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，施工可根據(jù)下步驟進(jìn)行加固。

步驟一：施工前按設(shè)計(jì)指定位置，在塔身四根主材合適位置(位置設(shè)計(jì)指定)，采用專用夾具，打好拉線，將拉線固定在鄰近的可靠錨固點(diǎn)，以減少鐵塔根部上拔力。

步驟二：每次開(kāi)挖一基病害基礎(chǔ)基坑，鑿除基礎(chǔ)保護(hù)層，基礎(chǔ)兼做鐵塔豎向作用力支撐。

步驟三：焊接新增塔腳底腳板、靴板、筋板，焊接完成后將增設(shè)的地腳螺栓固定。

步驟四：安裝好輔助錨固地腳螺栓后，綁扎基礎(chǔ)鋼筋。

步驟五：澆筑基礎(chǔ)混凝土，振搗密實(shí)。

步驟六：澆筑完混凝土，達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，拆除模板。

步驟七：基槽余土回填夯實(shí)，并設(shè)置500mm厚的防沉層。采用上述七步措施，能順利完成基礎(chǔ)加固處理。

5 結(jié)論與建議

(1)對(duì)于掏挖基礎(chǔ)，砼強(qiáng)度不足易導(dǎo)致基礎(chǔ)底板Y-Y截面上拔及下壓抗剪切承載力不足，同時(shí)易導(dǎo)致地腳螺栓錨固不足。

(2)本處理方法在基礎(chǔ)砼強(qiáng)度等級(jí)不足的輸電線路鐵塔帶電原位加固方面具有功能可靠，施工安全方便，工期短的優(yōu)勢(shì)，新老地腳螺栓輔助錨固連接裝置已申請(qǐng)專利。

(3)基礎(chǔ)下壓裕度大，加固過(guò)程中可作為塔腿的下壓支撐。

(4)加固設(shè)計(jì)時(shí)，需重新對(duì)整個(gè)塔腳底板的靴板、底腳板等進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，確定適用范圍。

(5)新增塔腳底板建議在原塔廠進(jìn)行放樣加工，放樣時(shí)考慮焊接坡口的處理及預(yù)留焊接間隙。

(6)新增地腳螺栓埋設(shè)時(shí)可利用新增塔腳底板作為定位板，從而保證施工過(guò)程中，地腳螺栓與底腳板的匹配。

(7)建議各構(gòu)件在塔廠進(jìn)行鍍鋅，現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)進(jìn)行局部處理，焊接完畢后再噴防銹漆，利用保護(hù)帽進(jìn)行封閉防銹。

(8)本處理方式焊接是關(guān)鍵，除焊接方式應(yīng)以本文提出的流程和方式外，尚應(yīng)在施工前制定詳細(xì)的焊接施工流程和質(zhì)量控制措施，并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督。

本加固方案可將每基鐵塔加固周期縮短為15天，每基基礎(chǔ)費(fèi)用控制在5萬(wàn)元左右，經(jīng)濟(jì)效益明顯。該基鐵塔經(jīng)過(guò)本方案處理，已經(jīng)安全運(yùn)營(yíng)了兩年，其中經(jīng)歷了兩次雨季和旱季的交替以及一次地震作用，均完好無(wú)損，加固效果顯著。

[1]GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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

[3]歷偉.某通訊鐵塔基礎(chǔ)事故處理[J].電力學(xué)報(bào)，2000，15(3).

[4]輸電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)，(第二版).北京：中國(guó)電力出版社.

[5]JGJ81-2002，建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程[S].

[6]JGJ99-98，高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].