陡峻山區(qū)輸電鐵塔與基礎(chǔ)連接形式設(shè)計(jì)研究

孫珍茂，趙慶斌(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610016)

陡峻山區(qū)輸電鐵塔與基礎(chǔ)連接形式設(shè)計(jì)研究

孫珍茂，趙慶斌
(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610016)

隨著電壓等級的提高，輸電鐵塔的根開也越來越大。即使采用長短腿加高低基礎(chǔ)方案，對地形坡度大于50°的塔位仍然難以滿足要求。為了降低鐵塔基礎(chǔ)造價(jià)、降低基礎(chǔ)施工難度和盡量減少降基開挖引起的環(huán)境破壞，提出了直獨(dú)立塔架、斜獨(dú)立塔架與聯(lián)合塔架等輸電鐵塔與基礎(chǔ)的連接形式。研究了連接結(jié)構(gòu)位移對鐵塔桿件內(nèi)力的影響，提出了連接結(jié)構(gòu)水平位移的控制值為8 mm、豎向位移的控制值為4 mm。提出了各連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，并以某工程為例進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)果表明所提出的鐵塔與基礎(chǔ)的連接形式節(jié)約基礎(chǔ)本體費(fèi)用效果明顯，不少連接形式甚至可以節(jié)約一半基礎(chǔ)本體費(fèi)用。

陡峻山區(qū)；輸電塔；直獨(dú)立塔架；斜獨(dú)立塔架；聯(lián)合塔架

0 引 言

四川地區(qū)輸電線路多在崇山峻嶺中走線，塔基處地形陡峻，不少塔位坡度已達(dá)50°以上。同時隨著電壓等級的提高，輸電鐵塔的根開也越來越大，如同塔雙回500 kV線路鐵塔的對角根開已達(dá)20 m以上。該塔基處即使采用鐵塔長短腿加高低基礎(chǔ)方案，也難以滿足地形要求，如圖1(a)所示。以往工程常采取兩種措施來解決這個問題。

(1)降低輸電鐵塔短腿的基面，如圖1(b)所示。該措施造成土石方開挖量大，費(fèi)用高，對環(huán)境的破壞很嚴(yán)重，對塔基的地質(zhì)穩(wěn)定有較大的影響，存在安全隱患。

(2)將輸電鐵塔長腿的基礎(chǔ)向上延伸使之與鐵塔連接，稱之為高立柱基礎(chǔ)。立柱高度較小時，高立柱基礎(chǔ)是較為理想的措施。但當(dāng)立柱高度較大時，則有兩個較大的缺點(diǎn)：①在交通條件及施工場地條件都很惡劣的山區(qū)，模板高度越大，施工難度越大。②高立柱基礎(chǔ)的埋深大，混凝土的消耗量相應(yīng)也很大，不經(jīng)濟(jì)。

圖1 陡峻山區(qū)塔腿示意圖

為了克服以上兩種常用措施的缺點(diǎn)，提出了直獨(dú)立塔架、斜獨(dú)立塔架和聯(lián)合塔架這3種基礎(chǔ)與輸電鐵塔的新型連接形式。

1 幾種連接形式

直獨(dú)立塔架是由高立柱基礎(chǔ)變化而得到，即將露出地面以上的立柱改為由鋼材組成的空間塔架結(jié)構(gòu)，它可以減小地面以下基礎(chǔ)的直徑、降低混凝土的用量，降低混凝土施工難度。

斜獨(dú)立塔架是由直獨(dú)立塔架沿著塔腿主材方向傾斜得到，其各個橫截面仍為方形。由于傾斜的作用，斜獨(dú)立塔架所受的豎向力可以抵消一部分水平力產(chǎn)生的彎矩，從而起到減小連接結(jié)構(gòu)頂部水平位移的作用。

聯(lián)合塔架由立柱和橫梁組合而成，水平力由橫梁直接傳遞到土中，減小了立柱所受的彎矩。聯(lián)合塔架輸電鐵塔塔腿處的水平位移主要由與橫梁相連基礎(chǔ)的頂部位移產(chǎn)生。聯(lián)合塔架的立柱主要受豎向壓力作用，彎矩很小，因此其底部根開較小，只需安裝在單個基礎(chǔ)之上，既節(jié)約了混凝土，也解決了直獨(dú)立塔架的下坡側(cè)腿離地面仍較高的缺點(diǎn)。

2 連接結(jié)構(gòu)位移控制值

當(dāng)輸電鐵塔的一條塔腿安裝在連接結(jié)構(gòu)上，另外3條塔腿安裝在基礎(chǔ)之上時，如果連接結(jié)構(gòu)的剛度遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)的剛度，則與連接結(jié)構(gòu)相連的塔腿相對于其他3條塔腿就有附加變形，它會引起輸電鐵塔內(nèi)的附加應(yīng)力。連接結(jié)構(gòu)除了要有足夠的強(qiáng)度外，還要有足夠的剛度，使鐵塔內(nèi)桿件的附加應(yīng)力限制在一定范圍之內(nèi)。因此，設(shè)計(jì)連接結(jié)構(gòu)之前需先確定連接結(jié)構(gòu)的位移控制值。

2.1 非耦合計(jì)算

將某工程所采用的直線塔和轉(zhuǎn)角塔根據(jù)基礎(chǔ)作用力大小分為5組，分別為直線塔Z1、Z2、Z3和轉(zhuǎn)角塔J1、J2。將各組輸電塔的3個腿設(shè)為鉸結(jié)，另一個腿處分別作用10 mm的水平位移和10 mm的豎向位移，通過有限元分析得到輸電塔桿件內(nèi)的附加應(yīng)力。各組輸電塔附加應(yīng)力較大的部位都基本相同，都是在腿部橫隔面、變坡點(diǎn)橫隔面、塔身斜材及腿部主材處附加應(yīng)力較大。水平位移和豎向位移引起的附加應(yīng)力比如表1、表2所示。

由表1可知：不論是直線塔還是轉(zhuǎn)角塔，水平位移在腿部橫隔面處桿件中產(chǎn)生的附加應(yīng)力都最大，變坡點(diǎn)橫隔面次之，塔身斜材最小。其中，塔身斜材中附加應(yīng)力最大的是腿部斜材和變坡點(diǎn)隔面下面的K材。主材的應(yīng)力比只增加了1.2%，因此，水平位移對主材應(yīng)力基本沒有影響。

表1 10 mm水平位移在鐵塔內(nèi)產(chǎn)生的附加應(yīng)力百分比

表2 10 mm豎向位移在鐵塔內(nèi)產(chǎn)生的附加應(yīng)力百分比

由表2可知：與水平位移產(chǎn)生的附加應(yīng)力類似，豎向位移也是在腿部橫隔面處產(chǎn)生的附加應(yīng)力最大，變坡點(diǎn)橫隔面處次之，塔身斜材再次之，主材最小。

由表1與表2對比，可知：豎向位移遠(yuǎn)大于水平位移產(chǎn)生的附加應(yīng)力，特別是豎向位移對塔身斜材的影響遠(yuǎn)比水平位移大，豎向位移在腿部主材上產(chǎn)生的附加應(yīng)力也達(dá)到10%，不能忽略。

連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅要控制水平位移，更需要控制豎向位移。位移的控制值應(yīng)以塔身斜材和腿部主材不超過設(shè)計(jì)值的原則來確定。經(jīng)過計(jì)算分析得到連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時水平位移的控制值為8 mm，豎向位移的控制值為4 mm。

2.2 耦合計(jì)算

非耦合計(jì)算是將鐵塔的基礎(chǔ)作用力作用在連接結(jié)構(gòu)的頂端，從而得到連接結(jié)構(gòu)的位移值，然后將該位移值作用于輸電鐵塔的塔腿，就可以求得鐵塔中的附加應(yīng)力。由于基礎(chǔ)作用力是基于鐵塔塔腿鉸接于基礎(chǔ)頂部的計(jì)算模型而得到的，而連接結(jié)構(gòu)自身的變形則比較大，由鉸接模型得到的基礎(chǔ)作用力與作用于連接結(jié)構(gòu)頂部實(shí)際的作用力存在差異。因此，需要將輸電鐵塔與連接結(jié)構(gòu)作為整體來計(jì)算連接結(jié)構(gòu)位移對輸電鐵塔內(nèi)力的影響，即將兩者耦合計(jì)算。

以某高7.5 m的直獨(dú)立塔架為例進(jìn)行耦合計(jì)算，分別計(jì)算了無連接結(jié)構(gòu)、位移和荷載共同作用(非耦合計(jì)算)、100 mm厚頂板、60 mm厚頂板以及20 mm厚頂板等情況時鐵塔側(cè)面斜材、主材以及橫隔面斜材的軸力，各種情況輸電塔軸力變化較大的桿件對比如圖2所示。

圖2 各種計(jì)算模型鐵塔構(gòu)件軸力對比

由圖2(a)可以看出：當(dāng)頂板厚為100 mm時最大內(nèi)力相對于荷載、位移共同作用于塔腿時的最大增幅為7%；當(dāng)頂板厚為60 mm時塔身斜材最大內(nèi)力相對于荷載、位移共同作用于塔腿時的最大增幅為31%；當(dāng)頂板厚為20 mm時塔身斜材最大內(nèi)力相對于荷載、位移共同作用于塔腿時的最大內(nèi)力增幅為150%。

由圖2(b)可以看出：當(dāng)板厚為100 mm時主材最大內(nèi)力比荷載、位移共同作用于塔腿時主材最大內(nèi)力增幅為4%；當(dāng)板厚為60 mm時主材最大內(nèi)力比荷載、位移共同作用于塔腿時主材最大內(nèi)力增幅為10%；當(dāng)板厚為20 mm時主材最大內(nèi)力比荷載、位移共同作用于塔腿時主材最大內(nèi)力增幅為41%。

由圖2(c)可以看出：當(dāng)板厚為100 mm時橫隔面斜材最大內(nèi)力比荷載、位移共同作用于塔腿時橫隔面斜材最大內(nèi)力增幅為10%；當(dāng)板厚為60 mm時橫隔面斜材最大內(nèi)力比荷載、位移共同作用于塔腿時橫隔面斜材最大內(nèi)力增幅為93%；當(dāng)板厚為20 mm時橫隔面斜材最大內(nèi)力比荷載、位移共同作用于塔腿時橫隔面斜材最大內(nèi)力增幅為450%。

綜上所述可知，當(dāng)頂板厚度較大時，耦合計(jì)算的內(nèi)力與非耦合計(jì)算的內(nèi)力相差最大在10%之內(nèi)，可以用非耦合計(jì)算代替耦合計(jì)算。但當(dāng)頂板厚度較小時，頂板自身的變形很大，需要考慮頂板變形的影響。

3 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

3.1 直獨(dú)立塔架設(shè)計(jì)

直獨(dú)立塔架分為單基礎(chǔ)直獨(dú)立塔架和四基礎(chǔ)直獨(dú)立桁架兩種，單基礎(chǔ)直獨(dú)立塔架的4條腿是安裝到一個共同的基礎(chǔ)之上，而四基礎(chǔ)直獨(dú)立桁架的4條腿則是安裝到各自獨(dú)立的基礎(chǔ)之上，如圖3所示。

圖3 直獨(dú)產(chǎn)塔架

直獨(dú)立塔架的設(shè)計(jì)除了要滿足其自身的強(qiáng)度要求外，其頂部的位移還需要滿足前述位移控制值的要求。直獨(dú)立塔架的底部根開越大，其橫截面的抗彎剛度就越大，頂部水平位移就越小。因此，直獨(dú)立塔架的根開是在滿足其自身強(qiáng)度和頂部位移控制值兩個條件下優(yōu)化得到。優(yōu)化的原則除了連接結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)總費(fèi)用要低外，更重要的是根開要小。因?yàn)楦_越大，連接結(jié)構(gòu)自身的4條塔腿也有下坡側(cè)塔腿離地面距離太大的問題。

3.2 斜獨(dú)立塔架的設(shè)計(jì)

根據(jù)下部基礎(chǔ)個數(shù)的不同，斜獨(dú)立塔架也可以分為單基礎(chǔ)斜獨(dú)立塔架和四基礎(chǔ)斜獨(dú)立塔架兩種，如圖5所示。

圖4 斜獨(dú)立塔架

斜獨(dú)立塔架的坡度按照豎向力產(chǎn)生的彎矩與水平力產(chǎn)生的彎矩完全抵消的原則來確定是最優(yōu)的，但由于工況多，各種工況計(jì)算得到的坡度都不相同，取輸電塔塔腿主材的坡度作為斜獨(dú)立塔架坡度是比較合理的方法。

3.3 聯(lián)合塔架的設(shè)計(jì)

聯(lián)合塔架由立柱、橫梁及橫梁端部小柱3部分組成。如圖5所示。聯(lián)合塔架立柱內(nèi)的彎矩很小，立柱的根開可與單基礎(chǔ)直獨(dú)立塔架相同。橫梁的長度與立柱高度及地形坡度有關(guān)，由幾何關(guān)系求得。

圖5 聯(lián)合塔架

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

仍以前述工程算例進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)果見表3，由該表可知：陡峻山區(qū)輸電鐵塔與基礎(chǔ)的連接形式能顯著降低基礎(chǔ)的造價(jià)，很多情況甚至能節(jié)約基礎(chǔ)本體造價(jià)的一半，經(jīng)濟(jì)效益較好。

表3 新型連接形式經(jīng)濟(jì)性比較

5 結(jié) 論

研究提出了直獨(dú)立塔架、斜獨(dú)立塔架和聯(lián)合塔架等鐵塔與基礎(chǔ)的連接形式，采用非耦合計(jì)算及耦合計(jì)算研究了連接結(jié)構(gòu)位移對鐵塔桿件內(nèi)力的影響，提出了連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時水平位移的控制值為8 mm，豎向位移的控制值為4 mm。

提出了直獨(dú)立塔架、斜獨(dú)立塔架和聯(lián)合塔架的設(shè)計(jì)方法，并以某工程為例進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，計(jì)算結(jié)果表明所提出的鐵塔與基礎(chǔ)的連接形式節(jié)約基礎(chǔ)本體費(fèi)用效果明顯，不少連接形式甚至可以節(jié)約一半基礎(chǔ)本體費(fèi)用。

[1] 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(第3版)[M].北京：科學(xué)出版社，2005．

[2] 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》編輯委員會．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊：上冊(第3版)[M] ．北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2004.

With the voltage level increasing, the foot distance of transmission tower is bigger and bigger. The tower leg is difficult to fit the 50° slope terrain even using long-short leg and height-low foundation. Erect independent tower, inclined independent tower and union tower are presented to connect transmission tower and foundation, which can lower the foundation price, reduce the difficulty of construction and decrease the environmental damage. The effect of displacement of connecting structure acting on members′ forces is studied. It is proposed that the limited horizontal displacement value is 8 mm and the limited vertical displacement value is 4 mm. The design method of different connecting structure is presented and the economic analysis is carried out with a certain project. The result shows that the proposed connecting structures can reduce the cost of foundations obviously.

steep mountainous areas; transmission tower; erect independent tower; inclined independent tower; union tower

TM753

A

1003-6954(2015)02-0063-04

2015-02-05)

孫珍茂(1979)，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)博士，從事輸電結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)工作。