钢管塔法兰底板下的混凝土立柱局部受压

左元龙，贤 鹏，董建尧

(1.华东电力设计院，上海 200001；2.中国电力工程顾问集团公司，北京 100120)

1000kV淮南－上海(皖电东送)输电线路是国家电网公司的超高压交流电特大工程，也是我国输送电压等级最高、容量最大的工程，全线采用双回路8×630大规格导线；由于输电线路铁塔承受的荷载已经突破常规的等边角钢杆件的承载能力，因而设计采用钢管结构；钢管塔与基础的连接采用法兰与锚固在混凝土立柱的地脚螺栓连接；国内电力行业的现行《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T5154－2002)第9.5节，其针对是角钢塔采用正方形的塔脚底板，受压时按照均布反力验算塔脚底板的强度，由于正方形的面积较大，在此均布反力的作用下，塔脚板下混凝土立柱的局部受压均能满足规范要求。而钢管塔的承载能力通常大于角钢塔，基础作用力也大于角钢塔，圆环状的地脚法兰板与混凝土接触的底板面积及板的厚度往往小于方型塔脚底板，混凝土的局部受压显然要验算；根据《钢结构设计规范》(GB50017－2003) 第7.5.2节的应力扩散角30°的计算原则，本文认为：钢管和加劲板厚度及其焊缝在塔脚板上按30°扩散角至塔脚板下，形成有效宽度bc的范围为混凝土局部受压的面积，按《混凝土结构设计规范》(GB50010－2002) 验算塔脚板下的混凝土立柱局部受压。

常见的钢管塔地脚法兰见图1的形式，刚性法兰板及加劲板的计算按文[1]P58页9.3节法兰连接的轴心受拉，相关公式如下：

螺栓的拉力：

钢管壁和加劲板围成的三面简支受弯板上的均布荷载：

板中弯矩：

法兰板厚度：

加劲板剪应力：

加劲板正应力：

式中：N为法兰所受拉力，N；n为法兰盘上螺栓数目；Lx为螺栓所在圆周被加劲板分割的弦长；Ly为加劲板底边的宽度，即图1中的b；β为弯矩系数，见表1；f为钢材的强度设计值，(N/mm2)；fv为钢材的抗剪强度设计值，(N/mm2)。

1 地脚法兰计算

图1 地脚法兰板

表1 弯矩系数β

为保证加劲板与法兰板连接面充分参与钢管应力扩散，加劲板的高度与底边的宽度应满足tan30°扩散角考虑到主材钢管的坡度引起的钢管和塔脚板不垂直，建议这点裕度是必须的，这也符合文[1]P64第9.5.1节的第3条之(2)“当斜材与主角钢直接用螺栓连接时，主角钢肢尖焊接的钢板仍应保留，其高度h不小于2b(b为钢板与底板满焊的宽度)”；在此条件下，加劲板的有效宽度be所对应长度可充分延伸至法兰板外缘。

地脚螺栓和法兰的强度计算及混凝土立柱的局部受压，因为其控制截面分别在立柱顶面之上和接近地面；所以计算地脚螺栓和法兰的基础作用力，应采用风振系数未折减的；地脚螺栓的面积按文[2]的7.2.1之第2条，采用有效面积所对应的抗拉强度(35号钢=190MPa、45号钢=215MPa)，这不同于《架空送电线路基础设计技术规定》(DL/T5219－2005)P69之第9.8.1的净面积。

按式(1)～(6)，计算“1000kV皖电东送(淮南－上海)输电线路工程”部分钢管塔的地脚法兰，结果见表2；地脚螺栓至法兰板边缘的距离为“b1”(通常取1.25～1.5d，d为地脚螺栓直径)，地脚螺栓至钢管外壁的距离为“b2”；地脚螺栓等级“35、45”即35号钢和45号钢。为对混凝土局部受压进行比较，针对每一种法兰设计了两种不同规格直径地脚螺栓的方案；如果仅从加劲板和法兰板的耗钢量考虑，采用数量少的大规格直径地脚螺栓，因为加劲板少，比数量多的小规格直径地脚螺栓的方案轻2%～10%(大多数情况下)；但是，从文[1]9.3节图9.3.2的计算模型上来分析，加劲板和底板围成的三边支承弧型板，螺栓数量越少，越是失真于长方形板；所以，在满足螺栓间距的前提下，应优先采用小规格多数量螺栓的方案。另外，考虑到螺栓的调质难度增加，也应优先采用小规格多数量螺栓的方案。

表2 地脚法兰计算结果

2 混凝土局部受压和受压面积

输电线铁塔基础的混凝土立柱通常配有主筋和箍筋，并且地脚螺栓也配有螺旋箍筋，可考虑文[3]的第7.8.1的间接配筋要求，按(7.8.1－1)，基础下压力：

式中：βc为混凝土局部强度影响系数，当混凝土强度等级不超过C50，取βc=1.0；混凝土局部受压的强度提高系数。Al为混凝土受压面积，即有效宽度be所对应范围。Ab为混凝土计算面积，可由受压面积Al按同心、对称的原则确定；据此得出：钢管和加劲板为三倍有效宽度be，加劲板的长度方向一端沿径向外延伸一倍的有效宽度。见图3、图4。fc混凝土轴心抗压强度设计值，C30=14.3MPa。Aln为混凝土局部受压净面积，对输电线路铁塔基础Al=Aln。

对于图1刚性地脚法兰，法兰板的直径为B，厚度为t，钢管的直径为D，钢管壁厚tl，加劲板的厚度t2，为简化计算，忽略钢管主材坡度，见图2，钢管和加劲板按垂直于法兰板来考虑，钢管与法兰的角焊缝见详图1，其焊脚尺寸取钢管壁厚tl；同理，加劲板与法兰的角焊缝之焊脚尺寸考虑45°坡口，取加劲板的厚度t2/2，按文[2]的P74页7.5.2的原理，30°扩散角至法兰板下的混凝土受压面积的计算如下；

钢管形成的有效宽度：be1=(t1+t) · tan30°

be1环形混凝土受压面积内外半径：

钢管对应的混凝土受压面积：

加劲板形成的有效宽度：

加劲板对应的混凝土受压面积：

式(9)中：n为一个法兰板所对应的加劲板数量，

即地脚螺栓数量。

混凝土受压面积之和：

3 未重叠的混凝土计算面积

见图3，3be1环状混凝土计算面积内外半径：

钢管对应的混凝土计算面积：

为简化计算，忽略斜阴影圆弧面积，见圆弧面积详图；则加劲板对应的混凝土计算面积：

图3未重叠的混凝土计算面积之和：

图2 受压面积

图3 未重叠的计算面积

4 重叠的混凝土计算面积

在钢管的管径较小或加劲板的数量较多的情况下，会出现如图4计算面积重叠的现象，此时加劲板对应的混凝土计算面积Ab2需扣除重叠部分的面积，见图5。

式中：θ=360°/n。

在等腰梯形 AA’BB’中：

5 两种地脚螺栓方案的混凝土局部受压

根据表2两种地脚法兰的计算结果，由式(7)～(13)或 (14)，计算两种不同的混凝土局部受压，见表3；显然，小规格直径的地脚螺栓，由于数量多带来的加劲板数量的增加，使得混凝土局部受压面积的增加，承载能力也得到增加。

图4 计算面积重叠

图5 ΔA大样

表3 混凝土局部受压

6 结论与建议

(1)由表2可见，地脚螺栓的数量减少，其直径必然加大，螺栓的调质难度增加，质量不易保证；加劲板数量的减少，法兰板的厚度的增大，总的耗钢量未见明显降低；

(2)由表3可见，地脚螺栓的数量减少，使得加劲板的数量和混凝土受压面积减少，导致混凝土局部受压增加，约11%～18%。

(3)钢管塔的地脚法兰的螺栓优先采用数量多的小规格直径。

(5)地脚螺栓的计算和混凝土的局部受压，采用风振系数未折减的基础作用力。

(6)地脚螺栓与混凝土的粘结，可共同承受下压力，降低混凝土的局部受压，其粘结力有待研究。

[1]DL/T5154－2002，架空送电线路杆塔结构设计规定 [S]．

[2]GB50017－2003，钢结构设计规范 [S]．

[3]GB50010－2002，混凝土结构设计规范[S]．

[4]DL/T5219－2005，架空送电线路基础设计技术规定[S]．