斜插式電力鐵塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性的研究及其數(shù)值模擬

林智偉

（國網(wǎng)莆田供電公司，福建 莆田 351100）

斜插式電力鐵塔是指電力桿塔采用傾角設(shè)計(jì)，在主角鋼下端加設(shè)定錨固件，順勢插入基礎(chǔ)混凝土中，讓基礎(chǔ)立柱軸線傾斜一定角度，使作用于立柱頂部且垂直立柱斷面的水平力減少。該方式能夠提升鐵塔整體性能，并降低鋼材消耗。分析斜插式電力鐵塔的基礎(chǔ)穩(wěn)定性，并進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)于后續(xù)工作的開展有一定的積極作用。

1 斜插式電力鐵塔的基礎(chǔ)穩(wěn)定性研究

1.1 斜插式電力鐵塔的受力分析

斜插式電力鐵塔基部的塔腿（一般為4條）主材和混凝土基座通常被澆筑為一個(gè)整體，在澆筑的過程中，需要嚴(yán)格把控塔腿位置，要求誤差在0.1cm之內(nèi)，鐵塔整體結(jié)構(gòu)的負(fù)載以角鋼為媒介傳遞至塔基部位，由于支撐部分總體是傾斜的，豎直方向上的外力因重心偏移出現(xiàn)變化，豎直彎矩和水平彎矩相互作用、抵消，這使支撐部分受到的來自水平方向和豎直方向的作用力均得到降低，傾覆力因此變小。在具體進(jìn)行斜插式電力鐵塔建設(shè)時(shí)，可以減小底板寬度、立柱斷面，從而降低鋼筋和混凝土的使用率，取等截面斜柱式，提高基礎(chǔ)的上拔承載力，減少基礎(chǔ)上拔變形。

1.2 立柱傾斜度

立柱的傾斜度是影響斜插式電力鐵塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性的核心因素，因此單獨(dú)進(jìn)行分析。斜插式電力鐵塔的發(fā)源地是德國，目前，普遍采用兩種方式確定其立柱傾斜度，一種是參照法，一種是外力計(jì)算法。參照法是指參照塔腿主材傾斜度，使立柱傾斜度與塔腿主材傾斜度保持一致，該方法一般適用于大部分平坦地面。外力計(jì)算法是根據(jù)鐵塔受力情況計(jì)算立柱的傾斜度，設(shè)鐵塔所受水平力為X，下壓力為Y，若立柱的傾斜度剛好與外力合力方向一致時(shí)，基礎(chǔ)受軸心荷載作用，基礎(chǔ)任意截面上的彎矩均為零，但由于塔腿主材的方向固定，該模式下主柱斜度往往無法與塔腿實(shí)現(xiàn)平行，需加裝固定設(shè)備進(jìn)行連接，如底腳螺栓等。此外，如果工況存在特殊性，如建設(shè)地點(diǎn)風(fēng)力加大，還應(yīng)進(jìn)行配筋計(jì)算，保證立柱強(qiáng)度達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 其他影響斜插式電力鐵塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性的因素

實(shí)際工作中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)影響斜插式電力鐵塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性的因素較多，但以荷載作為標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)發(fā)現(xiàn)各類影響可以分為2種基本類型：一是水平力與下壓力的組合影響，如鐵塔選材類型不同造成的重力差異；二是水平力與上拔荷載的組合影響，如鐵塔設(shè)計(jì)不同導(dǎo)致的重心偏移，這兩種荷載組合均可能導(dǎo)致鐵塔的基礎(chǔ)失穩(wěn)。水平力與下壓力的組合荷載主要影響地基穩(wěn)定性，其對(duì)鐵塔的影響往往是緩慢的，但會(huì)產(chǎn)生長期作用，導(dǎo)致地基承載力局部加大。此外，在上拔力與水平力作用下，因?yàn)槠淖饔幂^大，立柱前側(cè)及基底局部土體也會(huì)出現(xiàn)變化，在壓力作用下出現(xiàn)移位，承載能力下降，導(dǎo)致基礎(chǔ)失穩(wěn)。水平力與上拔荷載主要破壞基座周圍的土體，其作用方式為剪切方式，該破壞的速度較快，會(huì)導(dǎo)致基座受力不均，且受力不均的情況會(huì)在鐵塔的工作中持續(xù)加劇，導(dǎo)致鐵塔失穩(wěn)。

2 斜插式電力鐵塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性數(shù)值模擬

2.1 模擬方法

在此前的工作中，設(shè)計(jì)斜插式電力鐵塔時(shí)也要進(jìn)行模擬，但往往將上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基分開計(jì)算，分別考量其受力情況，并進(jìn)行設(shè)計(jì)，這一方式有助于強(qiáng)化鐵塔的承載能力，但由于上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基存在實(shí)際工作中的內(nèi)在聯(lián)系，應(yīng)考慮其相互作用，統(tǒng)一模擬。我國在斜插式電力鐵塔設(shè)計(jì)上普遍采用總安全系數(shù)法，其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)方式保守，以安全性為核心原則，但施工費(fèi)用和設(shè)計(jì)成本均明顯高于發(fā)達(dá)國家，在材料和施工工藝持續(xù)進(jìn)步的情況下，可以應(yīng)用更先進(jìn)的理論和模擬方法，如FLAC_3D模型法。該方法可以根據(jù)不同的工況、荷載類型和客觀因素進(jìn)行全方位模擬，斜插式電力鐵塔基礎(chǔ)在土體中的受力情況、基地壓力、豎直壓力等都可以得到綜合考慮，尤其是周圍土體的塑性區(qū)開展、極限承載力計(jì)算，這對(duì)于設(shè)計(jì)特殊地點(diǎn)的斜插式電力鐵塔具有非常重要的價(jià)值。

2.2 數(shù)值計(jì)算

以某地330千伏線路斜插式電力鐵塔設(shè)計(jì)為例，該鐵塔處于平原地帶，建設(shè)地點(diǎn)土質(zhì)類型良好，不存在特殊困難，只考慮上拔和下壓2種不同的工況組合進(jìn)行設(shè)計(jì)和數(shù)值計(jì)算。在傾斜角度方面，考慮到較高的線路電壓，鐵塔的總體高度不能太低，因此傾斜的角度不大，為便于分析，默認(rèn)為垂直立柱。

（1）計(jì)算范圍及模型。巖土工程中的計(jì)算往往涉及到無限域或半無限域，而數(shù)值分析法是在有限的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行離散化，由于斜插式電力鐵塔對(duì)力學(xué)設(shè)計(jì)的要求非常高，必須控制其誤差，因此需要擴(kuò)大考慮的范圍。與此同時(shí)，計(jì)算范圍過大可能增加計(jì)算量，大面積計(jì)算也可能帶來誤差，因此可采取有限元模型，將鐵塔分為若干部分，綜合進(jìn)行分析。有限元模型下的鐵塔區(qū)域劃分如圖1所示。

圖1 有限元模型下的鐵塔區(qū)域劃分

一般情況下，鐵塔基座周圍土地和深度應(yīng)作為優(yōu)先考慮的對(duì)象，計(jì)算范圍應(yīng)取原始數(shù)值的2～4倍左右，如果地形條件特殊，還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。本次模擬選取的330kV線路斜插式電力鐵塔基座長為2.7m，土體從基礎(chǔ)底板邊緣起沿向四周延伸，其中X方向（水平力作用方向）計(jì)算范圍取11m，Y方向（下壓力作用方向）取7m，深度范圍取8.5m，基座位于該范圍內(nèi)。自有限元分析法下，模型共分為175個(gè)基礎(chǔ)單元、4800個(gè)小單元、19200個(gè)受力節(jié)點(diǎn)。

（2）邊界條件。邊界條件方面，本次模擬采用3種方式處理，一是應(yīng)力邊界處理，二是混合邊界條件，三是位移邊界條件。應(yīng)力邊界是指斜插式電力鐵塔基座面臨的受力區(qū)域的極限值，即基座能夠影響的土體范圍，在計(jì)算過程中，默認(rèn)該范圍是固定的，不考慮風(fēng)力條件、雨雪影響、自身老化以及地震、雷擊等極限條件?；旌线吔缡侵冈谡９ぷ鳁l件下鐵塔塔基位置、塔腿底部與基座、土地的接觸部位。實(shí)際工作中，這一位置基本固定，但會(huì)受到立柱傾斜度等影響，為求獲得可信的理論結(jié)果，默認(rèn)這一條件也是不變的。位移邊界處理是分析的重點(diǎn)，需要考慮前、后、左、右4個(gè)反向的水平位移以及可能出現(xiàn)的垂直位移問題，并模擬其極限值，作為設(shè)計(jì)參考。

（3）數(shù)值模擬。應(yīng)用 FLAC_3D 進(jìn)行分析和模擬，基礎(chǔ)視作彈性材料，并根據(jù)材料類型計(jì)算出土體屈服條件。選用莫爾_庫侖塑性模型（Mohr_Cloulomb Plastic Model），分別就基礎(chǔ)下立柱的4個(gè)面、底板面與土體間設(shè)接觸面進(jìn)行計(jì)算，考慮到實(shí)際工作中混凝土基座的厚度，接觸面剛度取鋼筋混凝土剛度值的8倍為基準(zhǔn)。將材料的彈性模量和泊松比換算成體積模量k和剪切模量G，可得到2個(gè)計(jì)算式：

k=E/[3(1-2μ)] G=E/[1(1+μ)]

進(jìn)一步換算，可得到計(jì)算式：

k=(10×106)/[3(1-2×0.40)]=1.6667×107Pa

G=(10×106)/[2(1+0.40)]=3.571×106Pa

即對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的總作用力分別為：

k=1.32815×1010Pa

G=10.80508×109Pa

結(jié)果表明，在該荷載水平下，土體、基座等能夠較好的完成支撐，模型狀況穩(wěn)定。

3 結(jié)語

通過分析斜插式電力鐵塔的基礎(chǔ)穩(wěn)定性及其數(shù)值模擬，了解到相關(guān)的基本內(nèi)容。斜插式電力鐵塔的基礎(chǔ)穩(wěn)定性受到立柱傾斜度、水平力、下壓力、上拔荷載及其綜合影響。進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，可以應(yīng)用FLAC_3D法，并綜合考慮計(jì)算范圍及模型分析法、邊界條件進(jìn)行分析，本文構(gòu)建的模型為有限元分析模型，分析結(jié)果良好，具備可信性。后續(xù)工作中，可以應(yīng)用上述理論完善斜插式電力鐵塔的設(shè)計(jì)。

[1]張雪冬.電力線路鐵塔基礎(chǔ)施工技術(shù)及質(zhì)量控制措施探討[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊,2016,(34):63.

[2]任宇杰.輸電鐵塔構(gòu)件剛接和鉸接兩種不同簡化形式對(duì)其內(nèi)力影響的研究[D].南昌大學(xué),2016.

[3]張昊.輸電線路鐵塔基礎(chǔ)原位加固處理方法探析[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2015,(06):143-144.