輸電鐵塔裝配式板索基礎(chǔ)的分析研究

鐘維軍

（寧波市電力設(shè)計院有限公司，浙江 寧波 315021）

電力施工

輸電鐵塔裝配式板索基礎(chǔ)的分析研究

鐘維軍

（寧波市電力設(shè)計院有限公司，浙江 寧波 315021）

針對山地輸電鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計施工現(xiàn)狀，并結(jié)合機(jī)械化施工的理念，提出了相應(yīng)的新型鐵塔基礎(chǔ)型式——裝配式板索基礎(chǔ)，并通過有限元分析，對該基礎(chǔ)的承載力進(jìn)行分析研究，得到合理的設(shè)計方法。通過對該基礎(chǔ)的形狀、細(xì)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使其更加適合應(yīng)用于機(jī)械化施工，與其他基礎(chǔ)型式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表明，裝配式板索基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)效益顯著。

輸電鐵塔；機(jī)械化施工；裝配式板索基礎(chǔ)

目前輸電線路工程施工機(jī)械化程度日益提高，而山地線路往往成為機(jī)械化施工的短板，且主要問題集中在輸電鐵塔基礎(chǔ)的施工上；另一方面，由于基礎(chǔ)工程在整條線路工程本體造價中占的比例相對較大，有的可以超過整個工程的60%的本體造價，在這種情況下，怎樣減小基礎(chǔ)的工程量，成為亟待解決的課題，在對山地輸電鐵塔基礎(chǔ)進(jìn)行分析后，提出了一種新的裝配式板索基礎(chǔ)型式。

1 裝配式板索基礎(chǔ)及其特點

圖1 裝配式板索基礎(chǔ)效果

裝配式板索基礎(chǔ)主要是由基礎(chǔ)上板、基礎(chǔ)下板和錨索組成，如圖1所示，基礎(chǔ)上板的頂部與上承載鋼墊板通過錨栓相連接,基礎(chǔ)下板的下部與下承載鋼墊板也通過錨栓相連接，上下承載鋼墊板上均有銷頭，上下板與它們之間的土體通過后張法連接在一起。當(dāng)板索基礎(chǔ)受到下壓力的作用時，基礎(chǔ)上板承受了大部分甚至全部的下壓力。當(dāng)板索基礎(chǔ)受到上拔力的作用時，上拔力通過上板及錨索傳遞到基礎(chǔ)下板，上板及錨索主要起到了傳遞上拔力的作用，而主要承受上拔力的是基礎(chǔ)下板。在板索基礎(chǔ)受到水平力作用時，由于錨索無法將水平力傳遞到下板，因此水平力幾乎全部由上板承受。

由此可見，上板主要承受下壓力和水平力，下板主要承受上拔力，這樣的板索基礎(chǔ)荷載傳遞明確、基礎(chǔ)受力易于分析，大大降低了裝配式板索基礎(chǔ)的設(shè)計難度。

該基礎(chǔ)可以結(jié)合機(jī)械化施工的要求，采用旋挖鉆機(jī)成孔，上下板均采用預(yù)制式，通過鋼索連接，采用裝配的方式進(jìn)行施工，施工效率高，成本低。

2 裝配式板索基礎(chǔ)的承載力研究

2.1 裝配式板索基礎(chǔ)的設(shè)計計算

由于裝配式板索基礎(chǔ)的受荷傳遞路線相對簡單，上混凝土板主要承受下壓力和水平力，下混凝土板主要承受上拔力，因此計算該基礎(chǔ)的承載力時，下壓情況可以按基礎(chǔ)為上混凝土板的普通板式基礎(chǔ)計算。而對于上拔情況，為了保證基礎(chǔ)的安全性，也可以簡單地采用下混凝土板為錨板的普通錨板基礎(chǔ)來計算。

板索基礎(chǔ)下板可用剪切法計算土體抗拔，原因有以下2點：

（1）板索基礎(chǔ)通過原狀抗拔土體來提供上拔力。當(dāng)原狀抗拔土體提供主要的上拔力時，一般選用剪切法進(jìn)行上拔穩(wěn)定計算。

（2）板索基礎(chǔ)下板不論是施工方法、工作原理、受力分析或破壞形式等都與普通的掏挖基礎(chǔ)相似，可以說下板就是一種特殊的掏挖樁。因此，下板的上拔穩(wěn)定性計算方法也應(yīng)該按照剪切法進(jìn)行計算[1-5]。

為了驗證裝配式板索基礎(chǔ)的適用性，采用典型工程地質(zhì)情況及相應(yīng)的鐵塔荷載，對基礎(chǔ)進(jìn)行分析，具體設(shè)計參數(shù)見表1—2。

表1 基礎(chǔ)作用力 kN

表2 土質(zhì)參數(shù)

由于裝配式板索基礎(chǔ)充分考慮了鐵塔的荷載特性，使對應(yīng)的基礎(chǔ)能夠充分發(fā)揮其作用，對于直線塔及小轉(zhuǎn)角塔，一般都是既有上拔荷載又有下壓荷載，對于這種情況，裝配式板索基礎(chǔ)就能充分發(fā)揮作用。

根據(jù)桿塔荷載及相應(yīng)的地質(zhì)條件，分別進(jìn)行裝配式板索基礎(chǔ)的設(shè)計，上下板均采用矩形型式，基礎(chǔ)設(shè)計結(jié)果見表3。

表3 裝配式板索基礎(chǔ)尺寸參數(shù) m

2.2 裝配式板索基礎(chǔ)的設(shè)計分析

根據(jù)板索基礎(chǔ)的設(shè)計情況，采用有限元的方法來驗證板索基礎(chǔ)設(shè)計的準(zhǔn)確性，對1型轉(zhuǎn)角塔相應(yīng)荷載的基礎(chǔ)進(jìn)行分析計算，得出基礎(chǔ)大小及受力情況完全能夠滿足相應(yīng)設(shè)計的要求，且板索基礎(chǔ)在承受荷載時，傳力線路清晰，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，能夠滿足鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計的要求。具體分析結(jié)果如下：

（1）通過板索基礎(chǔ)設(shè)計理論設(shè)計的板索基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)安全合理，承載能力適合。

（2）在上拔荷載作用下，錨索的軸向拉力較大，傳遞了鐵塔的豎向荷載，但力矩為零，表明了錨索不承受水平荷載，而板索基礎(chǔ)主要依靠下混凝土板來承受上拔荷載，且通過錨索來傳遞豎向荷載，而上混凝土板此時主要用于承受上拔荷載相應(yīng)的水平荷載。

（3）在下壓荷載作用下，由于錨索的有限元分析內(nèi)力為零，且下板的內(nèi)力也很小，主要是自重內(nèi)力，因此，板索基礎(chǔ)主要依靠上混凝土來承受下壓荷載，錨索可以近似考慮不承受下壓荷載，同時下混凝土板也不承受外荷載。

（4）板索基礎(chǔ)在承受荷載作用時，基礎(chǔ)的豎向位移相對較小，約幾毫米，這樣能夠保證板索基礎(chǔ)的整體作用，保證錨索的連接，提高了板索基礎(chǔ)的使用效果。

（5）山地鐵塔基礎(chǔ)一般都由上拔工況控制，而下壓工況由于地質(zhì)條件相對較好，比較容易滿足，且基坑開挖不深，施工比較容易，所以在鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計中，往往就是由上拔工況控制，且施工難度較大，而板索基礎(chǔ)剛好能夠滿足上拔、下壓荷載工況且受力明確。

3 裝配式板索基礎(chǔ)的細(xì)部優(yōu)化設(shè)計[8-11]和施工

3.1 裝配式板索基礎(chǔ)的形狀和防腐設(shè)計

根據(jù)機(jī)械化施工的要求，當(dāng)旋挖鉆機(jī)能夠到達(dá)的塔位，宜采用機(jī)械化施工的方案，基礎(chǔ)下混凝土板采用圓形，可以更好地結(jié)合機(jī)械化施工的要求。而上混凝土板，由于就在表層，還是采用方形為主，方便施工。

裝配式板索基礎(chǔ)上拔荷載主要傳力是通過錨索傳遞，錨索的承載能力及耐久性能直接影響整個基礎(chǔ)的使用壽命。為了保證錨索基礎(chǔ)的耐久性要求，對板索基礎(chǔ)的錨索采用鋼絞繩，并采用發(fā)泡密封膠進(jìn)行防腐處理。在鋼絞繩外套上玻璃鋼管，保護(hù)管避免鋼絞繩直接與土體接觸，防止受到腐蝕（見圖2）。

圖2 錨索基礎(chǔ)錨索防腐示意

3.2 板索基礎(chǔ)的錨頭設(shè)計

板索基礎(chǔ)混凝土板的上下連接采用鋼絞繩，而鋼絞繩與混凝土板連接需要采用上下鋼墊板來加大接觸面積，防止出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。為了保證板索基礎(chǔ)受荷的合理性，鋼絞繩與鋼板的連接采用施加預(yù)應(yīng)力方式連接，預(yù)應(yīng)力的大小根據(jù)鐵塔荷載、地質(zhì)條件、基礎(chǔ)大小等相關(guān)因素綜合確定，保證板索基礎(chǔ)錨索始終處于受拉狀態(tài)，可以減小反復(fù)荷載的影響。端頭采用預(yù)應(yīng)力夾片錨具固定，通過對鋼絞繩施加預(yù)應(yīng)力，使上下混凝土板通過鋼絞繩連接在一起，錨頭大樣見圖3。

圖3 錨索基礎(chǔ)錨頭連接示意

3.3 裝配式板索基礎(chǔ)在機(jī)械化施工中的應(yīng)用

為了更好地結(jié)合機(jī)械化施工的要求，板索基礎(chǔ)采用裝配式基礎(chǔ)的型式，可加快基礎(chǔ)施工進(jìn)度，節(jié)約施工成本，主要采取以下措施：

（1）基礎(chǔ)成孔采用旋挖鉆機(jī)施工，成孔質(zhì)量好，施工速度快。為配合旋挖鉆機(jī)的施工要求，控制板索基礎(chǔ)的下板直徑，使其能夠滿足旋挖鉆機(jī)的施工技術(shù)要求。

（2）基礎(chǔ)下混凝土板采用圓形，在成本相同的情況下，圓形下板的抗拔承載力相對最大，且圓形下板可以更好的吻合旋挖鉆機(jī)的要求。

（3）錨索基礎(chǔ)上下混凝土板均采用預(yù)制的方式，不僅可以保證混凝土板的質(zhì)量也可以加快基礎(chǔ)的施工速度。

（4）上下混凝土板之間采用錨索連接，錨索采用錨具與上下鋼板錨固，施工時采用后張法工藝對錨索施加預(yù)應(yīng)力，保證鋼板與混凝土板接觸面的同時，也給上板預(yù)先施加了一個壓力荷載。由于工程主要位于山地，地質(zhì)條件較好，一般基礎(chǔ)荷載都是由上拔荷載控制，滿足了實用要求。

4 裝配式板索基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性分析[10]

以常規(guī)代表性直線塔、轉(zhuǎn)角塔為例，對分別采用裝配式板索基礎(chǔ)和普通掏挖式基礎(chǔ)的工程量進(jìn)行了對比分析，如表4所示。

計算結(jié)果表明，在地質(zhì)條件相同的情況下，采用裝配式板索基礎(chǔ)可減少混凝土方量30%以上，隨著荷載的增大，混凝土減小幅度也相應(yīng)增大，節(jié)省鋼材用量60%左右，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)論

（1）裝配式板索基礎(chǔ)上板主要承受下壓力和水平力，下板主要承受上拔力，這樣的裝配式板索基礎(chǔ)荷載傳遞明確、基礎(chǔ)受力易于分析，大大降低了板索基礎(chǔ)設(shè)計難度。該基礎(chǔ)的受荷特性剛好符合鐵塔基礎(chǔ)的荷載特點，物盡其用，是一種值得推廣應(yīng)用的新型基礎(chǔ)型式。

表4 單個不同基礎(chǔ)型式材料量對比

（2）通過裝配式板索基礎(chǔ)的理論研究和承載能力的有限元分析結(jié)果表明，裝配式板索基礎(chǔ)的設(shè)計理論適用于該基礎(chǔ)的設(shè)計計算，且能夠滿足工程設(shè)計的要求。

（3）下板在臨界埋深比之上時，能夠更好地發(fā)揮下板的抗拔承載能力。圓形下板既能滿足機(jī)械化施工的要求，且在相同條件下，基礎(chǔ)的上拔承載力相對最高。

（4）錨索采用發(fā)泡密封膠外加玻璃鋼管保護(hù)套管的方式進(jìn)行防腐，可以滿足錨索結(jié)構(gòu)的防腐要求；通過施加后張法預(yù)應(yīng)力的方式，可以保證基礎(chǔ)的整體受力，提高基礎(chǔ)的實際承載能力。

（5）在覆蓋層超過3 m且運輸相對方便的塔位，采用裝配式板索基礎(chǔ)是不錯的選擇，通過與掏挖基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，得到在地質(zhì)條件相同的情況下，采用裝配式板索基礎(chǔ)可減少混凝土方量30%以上，且隨著荷載的增大，混凝土減小幅度也相應(yīng)增大，節(jié)省鋼材用量約60%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。因此，具有地形緩、覆蓋層較厚的地質(zhì)條件時，推薦采用裝配式板索基礎(chǔ)這一新型基礎(chǔ)型式。

[1]GB 50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011．

[2]DL/T 5219-2014架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國計劃出版社，2014．

[3]JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008．

[4]GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

[5]GB 50545-2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2010．

[6]范雪峰，龍哲，言志信.黃土中聯(lián)合板索基礎(chǔ)的抗拔承載力變化規(guī)律及其影響因素[J].科技導(dǎo)報，2014（32）:86-92. [7]鄧曉.輸電塔聯(lián)合板索基礎(chǔ)設(shè)計研究[D].甘肅：蘭州大學(xué)，2014.

[8]何清華.旋挖鉆機(jī)研究與設(shè)計[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2012.

[9]應(yīng)甘洲.索結(jié)構(gòu)在橋梁工程中的應(yīng)用及基本防腐處理措施[J].鐵道工程學(xué)報，2009（6）:81-85.

[10]鐘維軍，龐紅旗.山地輸電鐵塔掏挖式、巖石嵌固式與板式基礎(chǔ)的比較分析[J].浙江電力，2013（7）:15-17.

[11]馮衛(wèi)東.濱海公路橋梁防腐設(shè)計要點[J].北方交通，2011（4）:61-62.

（本文編輯：楊 勇）

Analysis and Research on Fabricated Cable-slab Foundation of Transmission Tower

ZHONG Weijun
（Ningbo Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315021，China）

According to present design and construction of transmission tower foundation in hill land and the idea of mechanical construction，the paper introduces a new type of tower foundation-fabricated cable-slab foundation.Furthermore，the paper analyzes and investigates bearing force of the foundation through finite element analysis，and concludes a reasonable design method.By optimization of its shape and detail，the foundation becomes more suitable for mechanical construction.Compared with other foundations in terms of technology and economy，the fabricated cable-slab foundation shows higher economic benefit.

transmission tower；mechanical construction；fabricated cable-slab foundation

TM753

B

1007-1881（2016）06-0070-04

2016-03-11

鐘維軍（1981），男，高級工程師，從事輸電線路勘測設(shè)計工作。