插入式钢管端部锚材锚固承载能力试验研究

杨利容,郑 勇

(1.西华大学建筑与土木工程学院,四川 成都 610039;2.中国电力工程顾问集团西南电力设计院,四川 成都 610021)

架空送电线路钢管铁塔与基础通常采用地脚螺栓连接,而相关规定[1]、[2]中锚拴强度取值较低,当基础作用力很大时,地脚螺栓按常规方式将布置不下。如采用插入式钢管连接,直接将主管埋入基础内,就可避免这些问题。我国国内还没有采用插入式钢管连接的设计和应用经验,日本钢管塔工程中有类似经验,但日本钢管塔电压等级较小,荷载较小。

1 国内外研究现状

根据日本输电线路铁塔相关标准[3]～[5]中插入式钢管的相关理论,插入钢管将上部杆塔传递的荷载传递到基础。当柱体部分较短,仅靠柱体部分不能满足锚固要求时,可采用底板部分的锚固,即通过安装在腿部主材上的锚固材将荷载传递到底板的混凝土上,这种锚固方式称为端部锚材锚固。安装在腿部主材上的锚固材可以为角钢、槽钢、工字钢等型材。

根据《送电线路的大型铁塔》[4]中有关于锚材的锚固力的论述,可知锚材的锚固力取决于以下两式的较小值:

式中:q为锚材单位长度的分布荷载;t1为锚材上部混凝土厚度;fs为混凝土容许抗剪强度;∑Le为锚材有效长度之和。

图1 锚材有效长度示意

锚材有效长度和锚材单位长度的分布荷载按以下方法计算:加在锚材单位宽度的弯矩为混凝土局部抗压强度。

从而锚材单位长度的分布荷载为:

则一根锚材的有效长度 Le为:Le=2x2+Bw,Bw是连接缀板的有效宽度。

《送电线路的大型铁塔》阐述了增加锚材承载力的方法:选用断面系数(截面抵抗矩)大的钢材,如槽钢锚材。对于槽钢锚材,其冲切面如何选取,该资料中未提及。

2 端部锚材锚固模型有限元分析

2.1 有限元分析模型

取工程中采用的钢管进行有限元分析,分析时的基本条件为:规格为 711×14的钢管锚固于 2800mm×6300mm×1500mm承台中,考虑到国内钢管塔中荷载较大,端部锚材以槽钢为例进行分析。

2.2 模型分类

根据所考查的重点不同,端部锚材锚固分析模型分为A～H共 8类,见表 1。

2.3 有限元分析结果

?

表2列出了各模型下的极限承载能力标准值,并与按经验公式(1)、(2)算得的结果相比较。表中比例是指前一栏中数值占按主材屈服强度标准值算得的主材的承载能力的百分比,以下同。

从表 2可见,有限元分析所得的极限承载能力标准值为按经验公式(1)、(2)求得的承载能力设计值的 1.8～2.7倍。

3 试验研究

?

图2 端部锚材锚固试件示意

共设计了两个槽钢锚材试件进行抗拔试验,详见表 3。图 2为槽钢锚材锚固试件示意图。试验在实验室进行,考虑到实验室的加载条件,主材钢管截面取 325×8、 377×9两种规格。试件浇筑前在钢管及承压板不同位置均粘贴了应变片。

试验过程中,粘贴于钢管上的应变片测定值与加载等级较吻合。试件均表现为钢管主材的破坏。试验最大加载值见表 4。由于局部偏心受力、材质不均匀等因素的影响,试验数据有一定离散性。表中列出了根据各试件的荷载位移曲线、裂缝开展情况及最大加载值推算的试件的锚固承载能力标准值和根据经验公式(1)、(2)算得的各试件的锚固承载能力设计值。

?

?

从表 4可见,试件的推算锚固承载能力标准值与按经验公式(1)、(2)算得的锚固承载能力设计值的 1.2倍左右。

4 建议

4.1 推荐公式

《送电线路的大型铁塔》对单角钢锚材锚固承载力的计算有较详细的论述,考虑到实际工程中上拔荷载较大,使用断面系数(截面抵抗矩)大的钢材,增加锚材承载力更符合实际工程需要。此处以槽钢锚材为例进行分析,根据有限元分析结果和试验分析结果,建议端部锚材按下述方法进行设计:

(1)槽钢翼缘的有效宽度:

式中:be为槽钢翼缘有效宽度;d为槽钢腹板厚度;t为槽钢翼缘厚度。

(2)槽钢单位长度的分布荷载为:

(3)槽钢的有效长度 Le:将槽钢作为悬臂构件,承担均布荷载 q,以锚固端最大应力达到钢材强度设计值确定槽钢的有效长度,即按槽钢的弯曲强度确定槽钢的有效长度 Le。

(4)槽钢锚材抗拔承载力:参照角钢锚材的锚固承载力设计值计算公式,将式(2)中的混凝土容许抗剪强度 fs换为0.7ft,则槽钢锚材的锚固承载力设计值取决于以下两式中的较小值。

式中:q为锚材单位长度的分布荷载;t1为锚材上部混凝土厚度;∑Le为锚材长度之和;其余参数同前。对槽钢锚材,t1取槽钢上下翼缘上部混凝土的平均厚度。

4.2 推荐公式与试验值的比较

表5列出了按上述推荐公式计算的试件的锚固承载能力设计值,并与经验值和试验值相比较。

?

从上表可以看到,角钢锚材的锚固承载能力计算公式同样适用于槽钢锚材。公式(5)中采用 0.7ft代替原公式(2)中的 fs对计算结果影响不大,而推荐公式与我国现行规范是一致的。从上表还可看到,根据试验推算的试件的锚固承载能力标准值大于公式计算的设计值的 1.2倍,可见经验公式和推荐公式均具有一定的安全余度。

[1]DL/T 5154-2002架空送电线路杆塔结构设计技术规定[S]

[2]DL/T 5219-2005架空送电线路基础设计技术规定[S]

[3]JEC-127送电用支持物设计标准[S]

[4]陈友松.校送电线路的大型铁塔[M].王伟兴,译.中国电机工程学会输变电施工技术分会.

[5]日本铁塔协会.输电线路钢管塔制作基准[S].1985