鋼管塔法蘭底板下的混凝土立柱局部受壓

左元龍，賢 鵬，董建堯

(1.華東電力設(shè)計(jì)院，上海 200001；2.中國電力工程顧問集團(tuán)公司，北京 100120)

1000kV淮南－上海(皖電東送)輸電線路是國家電網(wǎng)公司的超高壓交流電特大工程，也是我國輸送電壓等級(jí)最高、容量最大的工程，全線采用雙回路8×630大規(guī)格導(dǎo)線；由于輸電線路鐵塔承受的荷載已經(jīng)突破常規(guī)的等邊角鋼桿件的承載能力，因而設(shè)計(jì)采用鋼管結(jié)構(gòu)；鋼管塔與基礎(chǔ)的連接采用法蘭與錨固在混凝土立柱的地腳螺栓連接；國內(nèi)電力行業(yè)的現(xiàn)行《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T5154－2002)第9.5節(jié)，其針對(duì)是角鋼塔采用正方形的塔腳底板，受壓時(shí)按照均布反力驗(yàn)算塔腳底板的強(qiáng)度，由于正方形的面積較大，在此均布反力的作用下，塔腳板下混凝土立柱的局部受壓均能滿足規(guī)范要求。而鋼管塔的承載能力通常大于角鋼塔，基礎(chǔ)作用力也大于角鋼塔，圓環(huán)狀的地腳法蘭板與混凝土接觸的底板面積及板的厚度往往小于方型塔腳底板，混凝土的局部受壓顯然要驗(yàn)算；根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017－2003) 第7.5.2節(jié)的應(yīng)力擴(kuò)散角30°的計(jì)算原則，本文認(rèn)為：鋼管和加勁板厚度及其焊縫在塔腳板上按30°擴(kuò)散角至塔腳板下，形成有效寬度bc的范圍為混凝土局部受壓的面積，按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010－2002) 驗(yàn)算塔腳板下的混凝土立柱局部受壓。

常見的鋼管塔地腳法蘭見圖1的形式，剛性法蘭板及加勁板的計(jì)算按文[1]P58頁9.3節(jié)法蘭連接的軸心受拉，相關(guān)公式如下：

螺栓的拉力：

鋼管壁和加勁板圍成的三面簡(jiǎn)支受彎板上的均布荷載：

板中彎矩：

法蘭板厚度：

加勁板剪應(yīng)力：

加勁板正應(yīng)力：

式中：N為法蘭所受拉力，N；n為法蘭盤上螺栓數(shù)目；Lx為螺栓所在圓周被加勁板分割的弦長(zhǎng)；Ly為加勁板底邊的寬度，即圖1中的b；β為彎矩系數(shù)，見表1；f為鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，(N/mm2)；fv為鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，(N/mm2)。

1 地腳法蘭計(jì)算

圖1 地腳法蘭板

表1 彎矩系數(shù)β

為保證加勁板與法蘭板連接面充分參與鋼管應(yīng)力擴(kuò)散，加勁板的高度與底邊的寬度應(yīng)滿足tan30°擴(kuò)散角考慮到主材鋼管的坡度引起的鋼管和塔腳板不垂直，建議這點(diǎn)裕度是必須的，這也符合文[1]P64第9.5.1節(jié)的第3條之(2)“當(dāng)斜材與主角鋼直接用螺栓連接時(shí)，主角鋼肢尖焊接的鋼板仍應(yīng)保留，其高度h不小于2b(b為鋼板與底板滿焊的寬度)”；在此條件下，加勁板的有效寬度be所對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度可充分延伸至法蘭板外緣。

地腳螺栓和法蘭的強(qiáng)度計(jì)算及混凝土立柱的局部受壓，因?yàn)槠淇刂平孛娣謩e在立柱頂面之上和接近地面；所以計(jì)算地腳螺栓和法蘭的基礎(chǔ)作用力，應(yīng)采用風(fēng)振系數(shù)未折減的；地腳螺栓的面積按文[2]的7.2.1之第2條，采用有效面積所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度(35號(hào)鋼=190MPa、45號(hào)鋼=215MPa)，這不同于《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T5219－2005)P69之第9.8.1的凈面積。

按式(1)～(6)，計(jì)算“1000kV皖電東送(淮南－上海)輸電線路工程”部分鋼管塔的地腳法蘭，結(jié)果見表2；地腳螺栓至法蘭板邊緣的距離為“b1”(通常取1.25～1.5d，d為地腳螺栓直徑)，地腳螺栓至鋼管外壁的距離為“b2”；地腳螺栓等級(jí)“35、45”即35號(hào)鋼和45號(hào)鋼。為對(duì)混凝土局部受壓進(jìn)行比較，針對(duì)每一種法蘭設(shè)計(jì)了兩種不同規(guī)格直徑地腳螺栓的方案；如果僅從加勁板和法蘭板的耗鋼量考慮，采用數(shù)量少的大規(guī)格直徑地腳螺栓，因?yàn)榧觿虐迳?，比?shù)量多的小規(guī)格直徑地腳螺栓的方案輕2%～10%(大多數(shù)情況下)；但是，從文[1]9.3節(jié)圖9.3.2的計(jì)算模型上來分析，加勁板和底板圍成的三邊支承弧型板，螺栓數(shù)量越少，越是失真于長(zhǎng)方形板；所以，在滿足螺栓間距的前提下，應(yīng)優(yōu)先采用小規(guī)格多數(shù)量螺栓的方案。另外，考慮到螺栓的調(diào)質(zhì)難度增加，也應(yīng)優(yōu)先采用小規(guī)格多數(shù)量螺栓的方案。

表2 地腳法蘭計(jì)算結(jié)果

2 混凝土局部受壓和受壓面積

輸電線鐵塔基礎(chǔ)的混凝土立柱通常配有主筋和箍筋，并且地腳螺栓也配有螺旋箍筋，可考慮文[3]的第7.8.1的間接配筋要求，按(7.8.1－1)，基礎(chǔ)下壓力：

式中：βc為混凝土局部強(qiáng)度影響系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過C50，取βc=1.0；混凝土局部受壓的強(qiáng)度提高系數(shù)。Al為混凝土受壓面積，即有效寬度be所對(duì)應(yīng)范圍。Ab為混凝土計(jì)算面積，可由受壓面積Al按同心、對(duì)稱的原則確定；據(jù)此得出：鋼管和加勁板為三倍有效寬度be，加勁板的長(zhǎng)度方向一端沿徑向外延伸一倍的有效寬度。見圖3、圖4。fc混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，C30=14.3MPa。Aln為混凝土局部受壓凈面積，對(duì)輸電線路鐵塔基礎(chǔ)Al=Aln。

對(duì)于圖1剛性地腳法蘭，法蘭板的直徑為B，厚度為t，鋼管的直徑為D，鋼管壁厚tl，加勁板的厚度t2，為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略鋼管主材坡度，見圖2，鋼管和加勁板按垂直于法蘭板來考慮，鋼管與法蘭的角焊縫見詳圖1，其焊腳尺寸取鋼管壁厚tl；同理，加勁板與法蘭的角焊縫之焊腳尺寸考慮45°坡口，取加勁板的厚度t2/2，按文[2]的P74頁7.5.2的原理，30°擴(kuò)散角至法蘭板下的混凝土受壓面積的計(jì)算如下；

鋼管形成的有效寬度：be1=(t1+t) · tan30°

be1環(huán)形混凝土受壓面積內(nèi)外半徑：

鋼管對(duì)應(yīng)的混凝土受壓面積：

加勁板形成的有效寬度：

加勁板對(duì)應(yīng)的混凝土受壓面積：

式(9)中：n為一個(gè)法蘭板所對(duì)應(yīng)的加勁板數(shù)量，

即地腳螺栓數(shù)量。

混凝土受壓面積之和：

3 未重疊的混凝土計(jì)算面積

見圖3，3be1環(huán)狀混凝土計(jì)算面積內(nèi)外半徑：

鋼管對(duì)應(yīng)的混凝土計(jì)算面積：

為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略斜陰影圓弧面積，見圓弧面積詳圖；則加勁板對(duì)應(yīng)的混凝土計(jì)算面積：

圖3未重疊的混凝土計(jì)算面積之和：

圖2 受壓面積

圖3 未重疊的計(jì)算面積

4 重疊的混凝土計(jì)算面積

在鋼管的管徑較小或加勁板的數(shù)量較多的情況下，會(huì)出現(xiàn)如圖4計(jì)算面積重疊的現(xiàn)象，此時(shí)加勁板對(duì)應(yīng)的混凝土計(jì)算面積Ab2需扣除重疊部分的面積，見圖5。

式中：θ=360°/n。

在等腰梯形 AA’BB’中：

5 兩種地腳螺栓方案的混凝土局部受壓

根據(jù)表2兩種地腳法蘭的計(jì)算結(jié)果，由式(7)～(13)或 (14)，計(jì)算兩種不同的混凝土局部受壓，見表3；顯然，小規(guī)格直徑的地腳螺栓，由于數(shù)量多帶來的加勁板數(shù)量的增加，使得混凝土局部受壓面積的增加，承載能力也得到增加。

圖4 計(jì)算面積重疊

圖5 ΔA大樣

表3 混凝土局部受壓

6 結(jié)論與建議

(1)由表2可見，地腳螺栓的數(shù)量減少，其直徑必然加大，螺栓的調(diào)質(zhì)難度增加，質(zhì)量不易保證；加勁板數(shù)量的減少，法蘭板的厚度的增大，總的耗鋼量未見明顯降低；

(2)由表3可見，地腳螺栓的數(shù)量減少，使得加勁板的數(shù)量和混凝土受壓面積減少，導(dǎo)致混凝土局部受壓增加，約11%～18%。

(3)鋼管塔的地腳法蘭的螺栓優(yōu)先采用數(shù)量多的小規(guī)格直徑。

(5)地腳螺栓的計(jì)算和混凝土的局部受壓，采用風(fēng)振系數(shù)未折減的基礎(chǔ)作用力。

(6)地腳螺栓與混凝土的粘結(jié)，可共同承受下壓力，降低混凝土的局部受壓，其粘結(jié)力有待研究。

[1]DL/T5154－2002，架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定 [S]．

[2]GB50017－2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 [S]．

[3]GB50010－2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[4]DL/T5219－2005，架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]．