山區(qū)輸電線(xiàn)路基礎(chǔ)水平位移對(duì)鐵塔和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響

辜良雨，馬海云，蔣 銳，隴源杰，付衛(wèi)斌，張利如，王伸富

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610056； 2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司建設(shè)分公司，云南 昆明 65005)

0 引言

山區(qū)輸電線(xiàn)路塔位的地形特點(diǎn)是坡度大(局部可達(dá)45°以上)、地質(zhì)條件好(上部覆蓋層較薄，下部一般為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化基巖)、環(huán)境敏感(施工不當(dāng)易引發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害且恢復(fù)困難)，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保、水保等因素，設(shè)計(jì)主要采用的基礎(chǔ)型式是挖孔樁基礎(chǔ)。目前，大量研究主要集中在基礎(chǔ)變形對(duì)鐵塔受力特性的影響[1-4]，以及基礎(chǔ)變形對(duì)基礎(chǔ)施工工藝和設(shè)計(jì)方法的影響[5]等領(lǐng)域，缺乏系統(tǒng)性地研究基礎(chǔ)變形對(duì)鐵塔和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的綜合影響。規(guī)范[6-8]對(duì)基礎(chǔ)的樁頂和地面處水平位移給出了一般性要求，并提供了地基比例系數(shù)m值的推薦取值范圍，但是缺少針對(duì)山區(qū)輸電線(xiàn)路基礎(chǔ)特點(diǎn)的取值建議和處理措施。

本文結(jié)合某特高壓直流線(xiàn)路工程的典型懸垂塔和耐張塔，基于數(shù)值分析研究了基礎(chǔ)樁頂水平位移對(duì)上部鐵塔結(jié)構(gòu)受力的影響，綜合分析了挖孔樁基礎(chǔ)頂部和地面處水平位移限值對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響，推薦了山區(qū)輸電線(xiàn)路挖孔樁基礎(chǔ)頂部和地面處的水平位移限值。

1 樁頂位移對(duì)鐵塔受力的影響

JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[6]第5.7.2條規(guī)定，當(dāng)樁的水平承載力由水平位移控制，且缺少單樁水平承載力試驗(yàn)資料時(shí)，可按下式估算樁的單樁水平承載力特征值：

式中，α為樁的水平變形系數(shù)；EI為樁身抗彎剛度；vx為樁頂水平位移系數(shù)；χ0a為樁頂允許水平位移，一般建議取6～10 mm。

對(duì)于采取了插入角鋼或地腳螺栓連接的基礎(chǔ)—鐵塔體系來(lái)說(shuō)，上述的樁頂水平位移基本等同于塔腿的水平位移。為了研究樁頂水平位移對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)受力和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響，選取某特高壓直流線(xiàn)路工程典型懸垂塔和耐張塔為研究對(duì)象，采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元計(jì)算分析，主材采用beam189梁?jiǎn)卧Ｐ?，斜材及輔助材采用link8桿單元模型，主材節(jié)點(diǎn)為剛接，其余節(jié)點(diǎn)為鉸接。計(jì)算選取正常運(yùn)行工況(設(shè)計(jì)大風(fēng)無(wú)冰工況及設(shè)計(jì)覆冰10 m/s風(fēng)工況)，考慮高低腿和幾何非線(xiàn)性的的影響，鋼材材料本構(gòu)為理想彈塑性本構(gòu)，數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

計(jì)算表明，塔腿及下部塔身主材為大風(fēng)工況控制，塔腿及下部塔身斜材為覆冰工況控制。由于鐵塔單側(cè)兩個(gè)塔腿同時(shí)同向發(fā)生水平位移對(duì)鐵塔受力影響較小，位移達(dá)到150～200 mm時(shí)仍無(wú)桿件破壞，因此本次數(shù)值分析僅考慮基礎(chǔ)樁頂分別發(fā)生單腿水平位移(向外)及對(duì)角水平位移(向外)對(duì)鐵塔受力的影響。

1.1 樁頂位移對(duì)懸垂塔受力影響

鐵塔單腿發(fā)生水平位移時(shí)，上部鐵塔結(jié)構(gòu)各部位桿件的應(yīng)力比變化如圖2所示。

圖2 懸垂塔單腿水平位移時(shí)鐵塔構(gòu)件內(nèi)力對(duì)比

圖2表明，隨著單腿樁頂水平位移增大，上部鐵塔結(jié)構(gòu)腿部主材和腿部斜材的內(nèi)力變化較小，為逐漸減小趨勢(shì)，腿部隔面輪廓材內(nèi)力變化稍大，腿部隔面斜材的內(nèi)力變化明顯，幾乎呈線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系，即表明單腿水平變形對(duì)腿部隔面斜材的影響大。

鐵塔對(duì)角的塔腿發(fā)生水平位移時(shí)(向外)，上部鐵塔結(jié)構(gòu)各部位桿件的應(yīng)力比變化如圖3所示。

圖3 懸垂塔對(duì)角水平位移時(shí)鐵塔構(gòu)件內(nèi)力對(duì)比

圖3表明，鐵塔對(duì)角的塔腿發(fā)生水平位移與單腿水平位移的影響相似，主要影響了腿部隔面斜材的受力，對(duì)鐵塔腿部主材和腿部斜材的影響較小。

綜上，懸垂塔塔腿水平方向的位移主要影響鐵塔腿部隔面的受力，其中腿部隔面斜材的敏感度最高，分析表明，樁頂水平位移不應(yīng)大于30 mm。在鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)易產(chǎn)生樁頂位移的塔型，應(yīng)適當(dāng)加大鐵塔腿部隔面斜材的規(guī)格。

1.2 樁頂位移對(duì)耐張塔受力影響

同上，耐張塔塔腿發(fā)生單腿和對(duì)角的水平位移時(shí)，上部鐵塔結(jié)構(gòu)各部位桿件的應(yīng)力比變化分別如圖4和圖5所示。

圖4 耐張塔單腿水平位移時(shí)鐵塔構(gòu)件內(nèi)力對(duì)比

圖5 耐張塔對(duì)角水平位移時(shí)鐵塔構(gòu)件內(nèi)力對(duì)比

與懸垂塔受力規(guī)律相似，耐張塔的塔腿發(fā)生水平位移時(shí)，對(duì)鐵塔主斜材的受力影響較小，主斜材內(nèi)力隨著位移增大逐漸減小，但減小趨勢(shì)不明顯。對(duì)塔腿隔面斜材及上部塔身隔面斜材的內(nèi)力影響最大，基本呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)。

從圖1～圖5分析可知，在相同的樁頂水平位移下，耐張塔的內(nèi)力變化更大，即耐張塔對(duì)基礎(chǔ)樁頂位移更為敏感，參數(shù)分析表明，其樁頂水平位移不應(yīng)大于20 mm。因此在鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)鐵塔身部、腿部隔面材、腿部輔助材及連接進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)，適當(dāng)加大隔面斜材的規(guī)格；懸垂塔基礎(chǔ)樁頂位移對(duì)鐵塔受力影響相對(duì)較小，建議樁頂位移限值可在樁基規(guī)范要求基礎(chǔ)上適當(dāng)提高。同時(shí)，建議在挖孔樁基礎(chǔ)計(jì)算中，充分考慮鐵塔和基礎(chǔ)的協(xié)同受力。

2 地面處水平位移對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響

輸電線(xiàn)路基礎(chǔ)受較大的水平力作用，樁基礎(chǔ)在地面處的水平位移是影響基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一個(gè)非常重要的因素。挖孔樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需確定基礎(chǔ)地面處位移限值及對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)m值，以便在滿(mǎn)足規(guī)程規(guī)范前提下達(dá)到基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化，控制基礎(chǔ)綜合造價(jià)。JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[6]、JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]等現(xiàn)行規(guī)范對(duì)基礎(chǔ)在地面處的水平位移都有一般性的規(guī)定，但是缺乏針對(duì)山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的推薦取值。

為了分析挖孔樁基礎(chǔ)地面處水平位移對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響，確定適合山區(qū)線(xiàn)路的地面水平位移限值及對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)m值，同樣以某特高壓直流線(xiàn)路工程典型懸垂塔和耐張塔為研究對(duì)象，在相同的基礎(chǔ)作用力、地質(zhì)條件下，以露頭高度、基礎(chǔ)地面處水平位移限值和對(duì)應(yīng)的地基比例系數(shù)m值為變量進(jìn)行參數(shù)分析如下。

3.2.3 CD4+細(xì)胞計(jì)數(shù)水平 CD4+細(xì)胞計(jì)數(shù)與體內(nèi)病毒載量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，CD4+細(xì)胞計(jì)數(shù)越低，病毒載量水平就越高，HIV傳播風(fēng)險(xiǎn)也就越高。有研究發(fā)現(xiàn)CD4+計(jì)數(shù)為351～550個(gè)/μL者配偶HIV傳播風(fēng)險(xiǎn)是＞550個(gè)/μL 組的 5.23倍（HR=5.23，95%CI：1.15～23.72）［25］，而CD4+計(jì)數(shù)≥350個(gè)/mm3相對(duì)＜200個(gè)/mm3者配偶傳播風(fēng)險(xiǎn)僅為0.46（95%CI：0.27～0.81）［3］。

2.1 懸垂塔挖孔樁基礎(chǔ)參數(shù)分析

根據(jù)上述規(guī)程規(guī)范相關(guān)要求，不同地質(zhì)條件下的地基比例系數(shù)m取值范圍對(duì)應(yīng)有不同的地面處水平位移限值的取值范圍。在考慮多參數(shù)不同的影響后，懸垂塔挖孔樁基礎(chǔ)參數(shù)分析結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 懸垂塔基礎(chǔ)參數(shù)分析結(jié)果對(duì)比

由表1可知，對(duì)于懸垂塔，按照規(guī)范推薦基準(zhǔn)的比例系數(shù)m值，地面處位移限值取3 mm時(shí)，僅露頭高度1 m時(shí)挖孔樁基礎(chǔ)地面處變形的理論計(jì)算值滿(mǎn)足限值要求；而地面處位移限值取6 mm時(shí)，僅露頭高度4m時(shí)挖孔樁基礎(chǔ)地面處變形的理論計(jì)算值不滿(mǎn)足限值要求。由此可見(jiàn)，隨著比例系數(shù)m取值的加大，地面處的水平位移計(jì)算值相應(yīng)減小，其適用的基礎(chǔ)露頭高度也明顯加大。

2.2 耐張塔挖孔樁基礎(chǔ)參數(shù)分析

同上，考慮多參數(shù)影響后，耐張塔挖孔樁基礎(chǔ)參數(shù)分析結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 耐張塔基礎(chǔ)參數(shù)分析結(jié)果對(duì)比

由表2可知，對(duì)于耐張塔，按照規(guī)范推薦基準(zhǔn)的比例系數(shù)m值取值范圍，地面處位移限值取3 mm時(shí)，所有露頭高度的挖孔樁基礎(chǔ)地面處變形的理論計(jì)算值均不滿(mǎn)足限值要求；地面處位移限值取6 mm時(shí)，露頭高度1 m以上的挖孔樁基礎(chǔ)地面處變形的理論計(jì)算值均不滿(mǎn)足限值要求；地面處位移限值取10 mm時(shí)，僅露頭高度4 m的挖孔樁基礎(chǔ)地面處變形的理論計(jì)算值不滿(mǎn)足限值要求。由此可見(jiàn)，隨著比例系數(shù)m取值的加大，地面處的水平位移計(jì)算值同樣相應(yīng)減小，而基礎(chǔ)露頭高度也明顯 加大。

綜上，根據(jù)山區(qū)挖孔樁基礎(chǔ)露頭高度大的特點(diǎn)，結(jié)合本文前段關(guān)于樁頂(塔腿)水平位移對(duì)鐵塔影響的計(jì)算分析結(jié)果，建議山區(qū)線(xiàn)路基礎(chǔ)地面處的水平位移限值可以在規(guī)范推薦取值范圍內(nèi)，適當(dāng)加大取為6 mm～10 mm，同時(shí)水平位移對(duì)應(yīng)的地基比例系數(shù)m取值也可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，在規(guī)范推薦取值范圍內(nèi)適當(dāng)取高值，這樣可以在確保安全性的前提下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

3 樁頂及地面處水平位移對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的綜合影響分析

為了分析挖孔樁基礎(chǔ)水平位移對(duì)基礎(chǔ)計(jì)算的綜合影響，確定合理的樁頂和地面處水平位移限值及對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)m值，仍以某特高壓直流線(xiàn)路工程典型懸垂塔和耐張塔為研究對(duì)象，在相同的基礎(chǔ)作用力、地質(zhì)條件下，以基礎(chǔ)露頭高度、樁頂及地面處的水平位移限值和對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)m值為變量，對(duì)比分析DL/T 5219—2014《架空輸電線(xiàn)路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[8](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《線(xiàn)路規(guī)程》)和JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《公路規(guī)范》)兩種規(guī)范的差異，懸垂塔和耐張塔挖孔樁基礎(chǔ)綜合參數(shù)分析結(jié)果見(jiàn)表3和表4所列。

表3 懸垂塔基礎(chǔ)綜合參數(shù)分析結(jié)果對(duì)比

表4 耐張塔基礎(chǔ)綜合參數(shù)分析結(jié)果對(duì)比

由表3和表4對(duì)比分析可得到如下結(jié)論：

1)按線(xiàn)路規(guī)程計(jì)算，地面處水平位移限值取3 mm時(shí)，大部分水平位移計(jì)算值超限，均需加大樁徑或埋深才能滿(mǎn)足要求，而按公路規(guī)范計(jì)算，地面處水平位移限值取6 mm時(shí)，均無(wú)需加大樁徑或埋深。

3)基礎(chǔ)樁頂水平位移在不影響上部鐵塔承載力的前提下按不小于20 mm控制，采用公路規(guī)范關(guān)于樁基礎(chǔ)位移控制的計(jì)算規(guī)定選取比例系數(shù)m值，樁基礎(chǔ)地面位移滿(mǎn)足規(guī)范要求，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

本文結(jié)合數(shù)值分析研究了輸電線(xiàn)路基礎(chǔ)樁頂水平位移對(duì)鐵塔結(jié)構(gòu)受力的影響，基于不同設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)比分析了基礎(chǔ)樁頂和地面處水平位移限值對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的綜合影響。主要研究結(jié)論如下：

1)數(shù)值研究表明，樁頂水平位移對(duì)塔腿隔面斜材的受力影響最大，隨著位移的增大，塔腿隔面斜材的內(nèi)力呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)；樁頂水平位移對(duì)鐵塔主材和斜材受力影響較小，隨著位移的增大，鐵塔主材和斜材的內(nèi)力有少量減小；

2)鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)塔腿隔面的布置進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)塔腿隔面斜材的選材應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，對(duì)耐張塔還應(yīng)加強(qiáng)塔腿上部的塔身隔面斜材，以提高鐵塔對(duì)樁頂水平位移的抗變形能力；

3)山區(qū)挖孔樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮鐵塔和基礎(chǔ)的協(xié)同受力，對(duì)于位移限值建議同時(shí)考慮樁頂水平位移和地面處水平位移兩個(gè)限值，即為雙控；

4)基礎(chǔ)樁頂水平位移限值應(yīng)根據(jù)規(guī)范的公式進(jìn)行測(cè)算并結(jié)合鐵塔計(jì)算情況進(jìn)行優(yōu)化取值，盡量避免樁頂位移限值取值過(guò)小導(dǎo)致基礎(chǔ)工程量增加過(guò)多；

5)樁基礎(chǔ)地面處的水平位移限值可參照規(guī)范范圍并優(yōu)化取值，結(jié)合工程實(shí)際地質(zhì)條件確定合適的比例系數(shù)m取值；

6)就一般山區(qū)線(xiàn)路工程而言，地面處的水平位移限值推薦采用6～10 mm，樁頂水平位移限值推薦采用20～25 mm，可以達(dá)到綜合效益最優(yōu)的目的。