輸電鐵塔與基礎(chǔ)兩種連接方式的對(duì)比分析

陳相家，宋卓彥，何春暉，王 龍，楊博杰，何樹生

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

目前，輸電線路鐵塔與基礎(chǔ)的連接方式主要有地腳螺栓連接和插入角鋼連接兩種。

地腳螺栓連接也稱為塔腳板式連接，一般在基礎(chǔ)主柱中預(yù)埋4根或多根同規(guī)格、等長(zhǎng)度的地腳螺栓連接件（端部采取錨固措施），通過塔腳板與鐵塔進(jìn)行連接。該連接方式適用于直柱板式基礎(chǔ)、臺(tái)階式基礎(chǔ)、掏挖基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、巖石嵌固基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)和聯(lián)合基礎(chǔ)等多種基礎(chǔ)型式。地腳螺栓推薦用材料主要有Q235碳素鋼、35號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼、40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼和42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼等[1]。常見的地腳螺栓構(gòu)造型式有棘爪型和雙頭型等。

插入角鋼連接通過預(yù)埋角鋼短構(gòu)件，上端連接塔腿主材，下端插入基礎(chǔ)主柱，將鐵塔與基礎(chǔ)進(jìn)行連接，適用于斜柱式基礎(chǔ)（又稱插入式基礎(chǔ)）。文獻(xiàn)[2]對(duì)插入式基礎(chǔ)的計(jì)算方法做出了詳細(xì)規(guī)定，國(guó)內(nèi)外都曾有大量應(yīng)用，尤其在220 kV及以上電壓等級(jí)輸電線路工程直線塔中應(yīng)用較為廣泛。

本文從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全和效率4個(gè)方面對(duì)兩種連接方式進(jìn)行對(duì)比分析。

1 技術(shù)分析

1.1 設(shè)計(jì)方面

1.1.1 受力分析

由于自立式輸電鐵塔與基礎(chǔ)的連接方式為點(diǎn)狀連接，上部荷載作用到基礎(chǔ)上的荷載為上拔力、下壓力及其相應(yīng)的水平分力。按目前常規(guī)自立式鐵塔基礎(chǔ)作用力試算，作用于基礎(chǔ)頂面的水平合力約為上拔力的15%～24%。相較于地腳螺栓連接，插入角鋼連接中插入角鋼坡度、基礎(chǔ)主柱坡度與塔腿主材坡度保持一致，基礎(chǔ)的軸力直接沿主柱軸線傳至基底中心，可有效減小水平力對(duì)主柱、底板產(chǎn)生的彎矩。經(jīng)試算，根據(jù)不同塔腿坡度所采用的斜柱式基礎(chǔ)使得與基礎(chǔ)軸線垂直的水平力減少50%～90%，而斜柱軸向基礎(chǔ)作用力僅增大1%～5%，從而大大改善了基礎(chǔ)主柱、底板的受力情況，提高了基礎(chǔ)抗傾覆性能[3]。兩種連接方式受力對(duì)比情況如表1所示。

表1 兩種連接方式受力對(duì)比情況

由表1可知，插入式基礎(chǔ)受力連續(xù)，水平分力較小，可有效減小基礎(chǔ)的傾覆彎矩，基礎(chǔ)受力更優(yōu)。

1.1.2 適用范圍

1）桿塔型式。地腳螺栓連接適用于角鋼塔、鋼管塔和鋼管桿等多種桿塔型式，直線塔和轉(zhuǎn)角塔也適用。插入角鋼連接僅適用于角鋼塔，不能用于鋼管桿基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。

2）基礎(chǔ)型式。地腳螺栓連接適用于直柱板式基礎(chǔ)、直柱臺(tái)階式基礎(chǔ)、掏挖基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、巖石嵌固基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)和聯(lián)合基礎(chǔ)等多種基礎(chǔ)型式，在斜柱式基礎(chǔ)中也有工程應(yīng)用。插入角鋼連接僅適用于斜柱式基礎(chǔ)。

3）地質(zhì)條件。地腳螺栓連接適用于平地、丘陵、山地、河網(wǎng)、泥沼和沿海灘涂等地質(zhì)條件，在采動(dòng)影響區(qū)等不良地質(zhì)條件下尤其適用。插入角鋼連接不適用于采空區(qū)等不良地質(zhì)條件和沿海臺(tái)風(fēng)地區(qū)[4]。

1.1.3 工程搶修

按現(xiàn)行規(guī)范，基礎(chǔ)可靠度抗力分項(xiàng)系數(shù)大于鐵塔，鐵塔產(chǎn)生破壞時(shí)，基礎(chǔ)及地腳螺栓一般不易被破壞，利用原基礎(chǔ)及地腳螺栓可以重新立塔，有利于工程搶修，縮短搶修工期。

當(dāng)采用插入角鋼連接時(shí)，由于插入角鋼與主材連在一起，插入角鋼也會(huì)產(chǎn)生變形，不能被修復(fù)，導(dǎo)致整個(gè)基礎(chǔ)直接作廢，需重新澆筑基礎(chǔ)，造成搶修工期較長(zhǎng)。插入角鋼基礎(chǔ)破壞情況如圖1所示。

圖1 插入角鋼基礎(chǔ)破壞圖

1.2 施工方面

1.2.1 施工精度

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的要求，鐵塔塔腳板底板上螺栓孔直徑為地腳螺栓直徑的1.25倍，因此，地腳螺栓連接安裝時(shí)有一定的調(diào)節(jié)范圍，施工精度易滿足。

當(dāng)采用插入角鋼連接時(shí)，由于插入角鋼需要和塔腿主材坡度一致，施工單位需要對(duì)角鋼正側(cè)面坡比、角鋼頂棱對(duì)棱根開、基礎(chǔ)頂面角鋼棱對(duì)棱根開、基礎(chǔ)根開和角鋼外露長(zhǎng)度等尺寸做到精準(zhǔn)施工。如果施工精度不能滿足要求，可能會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)行組裝的情況，使插入角鋼與塔腿主材連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成永久性安全隱患。

1.2.2 施工技術(shù)

目前，地腳螺栓連接施工技術(shù)更為成熟，也更符合施工人員的施工習(xí)慣，不同技術(shù)水平的施工隊(duì)伍均可正常開展工作。而插入角鋼連接對(duì)施工隊(duì)伍的技術(shù)水平要求較高，一些小型施工隊(duì)伍由于經(jīng)驗(yàn)不足，開展工作相對(duì)困難。

1.2.3 施工質(zhì)量

如果地下水位較高，在基礎(chǔ)開挖時(shí)，坑壁容易坍塌，基坑成型難度較大，一般基坑面積遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)底板面積。若地下水控制不到位，極易造成基礎(chǔ)整體偏移。此時(shí)，當(dāng)基礎(chǔ)采用地腳螺栓連接時(shí)，可通過在地腳螺栓上加墊板或墊片的方法，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的糾偏。但當(dāng)基礎(chǔ)采用插入角鋼連接時(shí)，基礎(chǔ)糾偏非常困難，若出現(xiàn)不糾偏或糾偏不到位就強(qiáng)行鐵塔組立，會(huì)對(duì)鐵塔造成永久性安全隱患。

1.3 技術(shù)分析小結(jié)

通過對(duì)地腳螺栓連接和插入角鋼連接兩種連接方式的技術(shù)分析，結(jié)論如下：

1）設(shè)計(jì)方面。地腳螺栓連接具有適用范圍廣泛、有利于工程搶修、設(shè)計(jì)效率高和設(shè)計(jì)技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但地腳螺栓連接基礎(chǔ)受力不連續(xù)、傾覆彎矩大。插入角鋼連接基礎(chǔ)受力連續(xù)、傾覆彎矩小，但存在適用范圍受限、工程搶修困難、搶修時(shí)間長(zhǎng)和設(shè)計(jì)水平要求高等缺點(diǎn)。

2）施工方面。地腳螺栓連接具有施工精度易滿足、基礎(chǔ)傾斜時(shí)易糾偏和施工技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。插入角鋼連接存在基礎(chǔ)施工質(zhì)量受地質(zhì)條件制約、施工精度要求高和施工技術(shù)操作復(fù)雜等缺點(diǎn)。

2 經(jīng)濟(jì)性分析

現(xiàn)通過對(duì)220 kV電壓等級(jí)的直線塔和轉(zhuǎn)角塔分別進(jìn)行桿塔及基礎(chǔ)本體造價(jià)對(duì)比分析。

桿塔模塊選取常用的雙回路2E3和2E5模塊，直線塔選用常用的2型直線塔，轉(zhuǎn)角塔選用常用的2型轉(zhuǎn)角塔。

基礎(chǔ)地質(zhì)條件選用常見的平原地質(zhì)條件，粉質(zhì)黏土、可塑、無地下水。

技經(jīng)造價(jià)定額選取C25商品混凝土價(jià)格為510 元／m3，C15 商品混凝土價(jià)格為 490 元／m3，鋼筋價(jià)格為 3700元／t，地腳螺栓價(jià)格為 6500元／t，塔材價(jià)格為9213元／t，插入角鋼價(jià)格同塔材，以上均為含稅價(jià)。

2.1 鐵塔本體造價(jià)對(duì)比分析

直線塔2E3-SZ2塔重及本體造價(jià)對(duì)比見表2。

表2 直線塔2E3-SZ2塔重及本體造價(jià)對(duì)比表

由表2可知，對(duì)于直線塔2E3-SZ2，地腳螺栓連接較插入角鋼連接塔重增加1.5%～2.0%，本體造價(jià)增加1.5%～2.0%。

轉(zhuǎn)角塔2E5-SJ2塔重及本體造價(jià)對(duì)比見表3。

表3 轉(zhuǎn)角塔2E5-SJ2塔重及本體造價(jià)對(duì)比表

由表3可知，對(duì)于轉(zhuǎn)角塔2E5-SJ2，地腳螺栓連接較插入角鋼連接塔重增加2.5%～3.0%，本體造價(jià)增加2.5%～3.0%。

2.2 基礎(chǔ)本體造價(jià)對(duì)比分析

本次計(jì)算巖土地質(zhì)條件取粉質(zhì)黏土可塑（上拔角取20°），地下水位取無水，巖土地質(zhì)條件參數(shù)見表4。

表4 地質(zhì)條件參數(shù)表

直線塔2E3-SZ2基礎(chǔ)本體造價(jià)對(duì)比見表5。

由表5可知，地腳螺栓連接較插入角鋼連接，基礎(chǔ)混凝土量相差不大，但基礎(chǔ)鋼筋量相差較大，基礎(chǔ)本體造價(jià)增加約2.39%。

表5 直線塔2E3-SZ2基礎(chǔ)本體造價(jià)對(duì)比情況

轉(zhuǎn)角塔2E5-SJ2基礎(chǔ)本體造價(jià)對(duì)比如表6所示。由表6可知，地腳螺栓連接較插入角鋼連接，基礎(chǔ)混凝土量略高，基礎(chǔ)鋼筋量增加較多，基礎(chǔ)本體造價(jià)增加約6.37%。

表6 轉(zhuǎn)角塔2E5-SJ2基礎(chǔ)本體造價(jià)對(duì)比情況

2.3 總造價(jià)對(duì)比分析

結(jié)合國(guó)網(wǎng)公司通用造價(jià)和工程經(jīng)驗(yàn)，選取轉(zhuǎn)角塔比例20%，桿塔占總造價(jià)比例30%，基礎(chǔ)占總造價(jià)比例25%，將上述計(jì)算結(jié)果，折合到總體造價(jià)中，得出結(jié)論：對(duì)于常規(guī)220 kV雙回路輸電線路工程，地腳螺栓連接較插入角鋼連接，工程總造價(jià)增加約1.4%。

3 安全性分析

從管理、施工和運(yùn)行3個(gè)方面對(duì)兩種連接方式的安全性進(jìn)行分析。

3.1 管理安全

2017年，國(guó)網(wǎng)公司先后印發(fā)了基建安質(zhì)〔2017〕57號(hào)《國(guó)網(wǎng)基建部關(guān)于加強(qiáng)輸電線路工程地腳螺栓管控的通知》、基建技術(shù)〔2017〕92號(hào)《國(guó)網(wǎng)基建部關(guān)于進(jìn)一步規(guī)范輸電線路桿塔設(shè)計(jì)地腳螺栓選用要求的通知》、國(guó)家電網(wǎng)基建〔2018〕387號(hào)《國(guó)家電網(wǎng)公司關(guān)于印發(fā) 〈輸電線路工程地腳螺栓全過程管控辦法〉（試行）的通知》，對(duì)規(guī)范地腳螺栓連接過程管控起到了重要作用。

由于插入角鋼連接在實(shí)際工程中應(yīng)用較少，至今未對(duì)插入角鋼連接單獨(dú)下發(fā)相關(guān)文件，對(duì)插入角鋼連接的管控相對(duì)欠缺。

3.2 施工安全

地腳螺栓連接存在地腳螺栓規(guī)格或材質(zhì)用錯(cuò)、螺桿和螺帽不匹配和螺帽緊固不到位等問題。

插入角鋼連接存在施工精度不能滿足要求的風(fēng)險(xiǎn)，存在不能糾偏或糾偏不到位的風(fēng)險(xiǎn)，存在施工隊(duì)伍經(jīng)驗(yàn)不足的風(fēng)險(xiǎn)，存在山區(qū)長(zhǎng)短腿基礎(chǔ)根開控制困難的風(fēng)險(xiǎn)，存在轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)預(yù)偏控制困難的風(fēng)險(xiǎn)，存在不同加工單位生產(chǎn)的插入角鋼和鐵塔不匹配的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 運(yùn)行安全

插入角鋼與基礎(chǔ)主柱交叉處因?yàn)閮鋈谘h(huán)、風(fēng)振等原因，鍍鋅層易受損傷，導(dǎo)致插入角鋼腐蝕，存在運(yùn)行安全隱患。

4 效率分析

從管理、設(shè)計(jì)、施工和物資采購(gòu)4個(gè)方面對(duì)兩種連接方式進(jìn)行效率分析。

4.1 管理效率

地腳螺栓現(xiàn)均由甲方采購(gòu)，建議插入角鋼也采用甲方采購(gòu)方式，兩者在管理效率上沒有明顯區(qū)別。

4.2 設(shè)計(jì)效率

對(duì)于通用設(shè)計(jì)中沒有插入角鋼連接鐵塔加工圖的桿塔、新設(shè)計(jì)桿塔和需驗(yàn)算桿塔，插入角鋼連接只有等桿塔加工圖紙確定后，才能進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，與常規(guī)的出圖及施工時(shí)序相反，造成交圖時(shí)間延后等問題。而地腳螺栓連接不受桿塔加工圖紙的限制，因此，地腳螺栓連接設(shè)計(jì)效率更高。

4.3 施工工期

直線塔的施工對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的施工隊(duì)伍，兩者施工工期基本一樣。但對(duì)于轉(zhuǎn)角塔，插入角鋼連接由于操作復(fù)雜，施工工期較長(zhǎng)。尤其對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的施工單位，插入角鋼連接的施工周期更長(zhǎng)、效率更低。

4.4 物資采購(gòu)

當(dāng)?shù)啬_螺栓采用性能等級(jí)為4.6級(jí)和5.6級(jí)時(shí)，采購(gòu)周期同插入角鋼相當(dāng)；當(dāng)?shù)啬_螺栓采用性能等級(jí)為 8.8 級(jí)（40Cr、42CrMo）時(shí)，地腳螺栓采購(gòu)、加工、實(shí)驗(yàn)周期相對(duì)較長(zhǎng)。

5 結(jié)語

本文針對(duì)地腳螺栓連接和插入角鋼連接兩種輸電線路鐵塔與基礎(chǔ)的連接方式，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全、效率等方面進(jìn)行了比較，盡管插入角鋼連接較地腳螺栓連接基礎(chǔ)受力更優(yōu)且在經(jīng)濟(jì)性上具有微弱優(yōu)勢(shì)，但綜合考慮安全、質(zhì)量、技術(shù)和效率等方面，地腳螺栓連接較插入角鋼連接具有明顯優(yōu)勢(shì)，更適合工程推廣應(yīng)用。