一种输电线路铁塔基础原位加固处理方法

李 伟，易黎明，王四秀

(湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉 430040)

1 概况

某220kV线路工程，架线完毕后检测发现T60塔位基础主柱混凝土实际抗压强度未达到设计要求值。该线路投产送电在即，业主委托时同时提出几条处理原则：安全可靠、原位处理、不拆塔，工期尽可能短。

2 事故分析

T60为直线塔，塔呼高36m，全高55.0m，铁塔根开8.24m。铁塔基础采用平腿配置，采用掏挖基础，基础最小埋深3.2m，基础主柱直径0.8m，主筋为HRB335级钢。每塔腿设置4根M30地脚螺栓，材质35#钢，地螺间距240mm。该塔位典型基础型式见图1。

图1 基础施工图

经使用回弹仪和钻芯取样综合评定，该基础立方体抗压强度标准值fcu,k=12.5MPa，不满足设计要求C20强度要求。结合《规范》中置换公式，该基础砼设计参数见表1。

表1 基础砼设计参数(单位：N/mm2)

为进一步深入的评估该塔的情况，对该塔的按照实际档距、风速和实际使用条件进行了分析，塔腿作用力见表2。

表2 实际作用力设计值(单位：kN)

2.1 基础承载力验算

掏挖基础主柱设计主要考虑上拔稳定、下压稳定、强度计算三个方面。前两项主要由基础外形尺寸确定，仅强度计算与基础砼强度相关。根据现场实测的砼强度等级，对基础进行强度验算如下：

2.1.1 划分桩类

可塑粘性土反力系数m=2×104kN.m，对钢筋混凝土桩的抗弯刚度EI=0.8EcI，桩的变形系数故l=2.4m<2.5/α=2.5×1.172=2.93m，按刚性桩考虑。

2.1.2 基桩配筋

将《规范》附录G中ω计算公式和xA计算公式代入Mx公式中进行推导，原状土基础刚性基柱考虑土抗力时任一截面弯矩Mx可按下式计算。

取柱底x=2.4，计算可得，柱底弯矩为89.8kN.m。

按照《规范》9.1.3条，考虑钢筋应力塑性分布(9.1.3-5)，对基础主柱进行配筋计算：

原基础主柱配筋A=3053mm2>As，满足设计要求。

2.1.3 底板强度

(1)x-x截面(柱底0.1m截面，d = 966mm)

取x = 2.5，计算可得，柱底0.1m处截面弯矩为90.6kN.m。

σct< 0.59ft，底板抗拉强度满足要求。

(2)y-y截面(取基柱边截面)基础上、下面的净土压力σ0计算：

在该基础允许的尺寸和混凝土强度等级的条件下，如果底板的净土压力能满足不大于允许底板平均净反力P0值大小，即可不必验算。

均不满足要求，故y-y截面的上拔和下压的抗剪强度均不满足设计要求。

2.2 地脚螺栓承载力验算

原设计按照C20的混凝土强度，采用M30螺栓，锚固长度取为830mm。根据混凝土实际抗压强度，由《规范》中锚栓的计算公式，得锚栓的最小锚固长度为1126mm，原地脚螺栓锚固长度不足。

地脚螺栓抗力见表3。

表3 T60地脚螺栓内力比较表(单位：kN)

从计算结果来看，原设计地脚螺栓在砼强度等级降低为fcuk=12.5kPa时，地脚螺栓不能满足抗拔的要求。

经上述分析表明，该基基础底板Y-Y截面上拔和下压剪切承载力不满足设计要求。地脚螺栓的抗拔力也不满足设计要求，需要进行处理。

3 加固处理方案选择

3.1 基础加固方案

前文已论述，基础混凝土强度降为fcuk=12.5kPa，掏挖基础底板上拔和下压剪切强度不满足要求。但掏挖基础为原状土基础，无法对其自身强度进行加固。因此需要考虑采取其他的方式处理。

考虑到对原掏挖基础进行开挖，将破坏掏挖基础的受力形式，因此考虑对掏挖基础进行浅层处理。一方面利用原掏挖基础作为下压支撑，另一方面采用加大基础主柱截面，并新增底板将掏挖基础受力体系转变成大开挖重力式基础受力体系进行处理。

3.2 地脚螺栓锚固不足加固方案

铁塔地脚螺栓锚固长度不足的问题，主要有如下三种解决问题的方法。

(1)外包混凝土增加锚栓法

原基础周围新浇筑一层大于180mm厚的钢筋混凝土，并在新浇注的混凝土中埋置锚栓。采用一种装置使所增设的锚栓与原锚栓共同连接固定铁塔柱脚。 见图2。

图2 外包混凝土增设锚栓法

(2)连接锚筋加强锚固法

将基础柱角的混凝土凿除，使锚栓局部裸露，然后再将锚栓和基础柱的主筋上加焊连接锚筋，形成分肢锚固，最后浇筑混凝土形成整体。

考虑本工程情况，方案一具有对原基础及塔脚底板无损伤，原基础可作为加固过程中的下压支撑，加固过程安全可靠。力学模型清晰，可量化计算，加固工艺可控，加固效果好，在基础砼强度不满足要求的条件下，统筹考虑了基础的加固，一次性解决掉基础与地脚螺栓锚固不足的问题。方案二因线路铁塔地脚螺栓集中在基础中心部位，凿除基础混凝土对原基础损伤太大，施工过程需要另外对原铁塔增设可靠竖向下压和上拔支撑，施工安全性难以保证。且加固方案未考虑基础加固，方案是适应性不强。

综上所述，方案一为本案例的最优处理方案。

4 实例分析及处理措施

4.1 加固原理及计算分析

4.1.1 基础加固设计

利用原掏挖 作为下压支撑，将掏挖基础主柱半径增大200mm，外部配置环形箍筋和竖向纵筋，基础沿主柱外边缘外扩1600mm，高度1000mm。最终形成重力式台阶基础。考虑到加固过程中的施工安全性，减少对原掏挖基础的扰动，该基础仅保留600mm主柱长度，其他部分按照底板设置，如图3。

图3 掏挖基础加固方案

基础按重力式台阶基础，参照《规范》中相应规定验算，主要计算结果见表4。

表4 重力式台阶基础主要计算结果

4.1.2 地脚螺栓辅助锚固设计

本方案是将原基础柱从加固面开始至柱顶部外表面全部凿毛清洗干净,然后在柱四周绑扎钢筋浇注厚度至少为180mm的C20混凝土,并在新浇注的混凝土中埋置锚栓。采用一种装置将新老地脚螺栓连接起来，以使得两者能共同受力，使得新增地脚螺栓能弥补原地脚螺栓锚固不足。加固过程中，基础兼做铁塔下压支撑。

该装置增设新的底脚板、靴板、筋板，通过焊接的方式与原底脚板、靴板焊接，形成新的多地脚螺栓的受力体系。

加固计算参照《手册》及经验对该加固装置受力进行如下假设：

①塔脚底板受压时，整个塔脚板均匀受压。②塔脚底板受拉时，每个地脚螺栓所受拉力相同。③每根地脚螺栓拉力平均分配到相邻的筋板上。

按照上述三条假设，对新增设的锚固装置进行验算。各构件验算根据《手册》，按下列公式计算：

(1)地脚螺栓验算

本案例新增12根M20地脚螺栓，与原地脚螺栓组成共同受力体系，构造设置即可。地脚螺栓采用式Af=TE/nfg进行验算。

(2)塔脚底板验算

受拉计算按照每个地脚螺栓所承受的拉力平均分配在各靠近加劲肋或靴板上进行假定，弯矩按照式Ms=TS/n计算。

(3)靴板验算

塔脚板受压时每块靴板承受由两靴板交点作45°压力分布线范围内的全部反力，因此靴板承受一个按照三角形规律分布的荷载，最大反力在主材边。

靴板所受的切力为：

所受弯矩为：

当塔脚底板受拉时，可近似假定每个地脚螺栓所受的拉力平均向各相邻的靴板和加劲肋分布。靴板所承受的弯矩即为此靴板和加劲肋所分担的拉力和此力到靴板与主角钢连接螺栓线之间的距离的乘积。各板抗弯截面高度由抗剪截面高度由式计算。

按上述计算原则，本方案最终验算结果如表5。

表5 靴板和筋板及焊缝验算

根据上述计算可知，通过此加固措施，各构件能满足结构的承载力要求。

4.1.3 基础主柱作为下压支撑验算

施工过程中，由于铁塔四周均设拉线，基础主柱可按照轴心受压构件验算承载力。

基础主柱自身的重力

铁塔传递荷载

考虑荷载组合，

由上式可知，基础主柱可作为铁塔的下压支撑。

4.2 处理措施

(1)设计考虑采用增设辅助锚固螺栓，用来弥补原地脚螺栓锚固不足。新增设的辅助锚固螺栓设置在原来基础主柱外围，并锚固在增大截面后的新增主柱里。

(2)在原地脚螺栓的外侧增设新的与原底脚板同厚的底脚板，将其与原底脚板进行焊接。为增加底脚板的刚度，使得新老地脚螺栓能同时受力，新增靴板和筋板。

考虑到老塔脚底板已经安装，新塔脚底板需要与老塔脚底板相匹配，因此考虑新塔脚底板在原厂进行加工，以斜对角为中心线分成两块板。新塔脚底板的坡口，防锈处理均在工厂制作，制作完成运输至现场，再进行拼装。为保证新老塔脚底板顺利拼装，现场先拼装主要受力构件，不可调节受力构件，再拼装辅助受力构件，可局部调整受力构件，拼装顺序如下：焊塔脚底板——焊靴板——焊劲板所有坡口均工厂处理，现场仅对焊接位置处镀锌层进行处理。

(3)新老塔脚底板为厚板，需要考虑厚板焊接问题。本工程中，对该塔脚底板采取如下措施：根据《规范》和《规程》中的说明，塔脚底板可采用MC-BL-B1的方式焊接，如图4。靴板厚度一般为12mm～14mm，新老靴板采用MC-BK-2的方式焊接，其焊接型式如图5。焊接时，原塔脚底板采用火焰初步切割打磨处理，不要有太多的凹槽，每层焊接完使用磨光机打磨焊缝，清理焊渣。

图4 新老塔脚底板对接焊接措施

图5 新老靴板焊接措施

(4)本工程共设置12根地脚螺栓，为保证埋设的地脚螺栓能与塔脚底板的螺栓孔保持一致，地脚螺栓的埋设均依靠新焊接好的塔脚底板作为固定支座进行埋设，待地脚螺栓固定，塔脚底板全部焊接完成后，再浇筑混凝土。

(5)由于本加固方案为不拆导线，不拆塔带荷加固，因此对施工安全要求较高。根据现场实际情况，施工可根据下步骤进行加固。

步骤一：施工前按设计指定位置，在塔身四根主材合适位置(位置设计指定)，采用专用夹具，打好拉线，将拉线固定在邻近的可靠锚固点，以减少铁塔根部上拔力。

步骤二：每次开挖一基病害基础基坑，凿除基础保护层，基础兼做铁塔竖向作用力支撑。

步骤三：焊接新增塔脚底脚板、靴板、筋板，焊接完成后将增设的地脚螺栓固定。

步骤四：安装好辅助锚固地脚螺栓后，绑扎基础钢筋。

步骤五：浇筑基础混凝土，振捣密实。

步骤六：浇筑完混凝土，达到70%设计强度时，拆除模板。

步骤七：基槽余土回填夯实，并设置500mm厚的防沉层。采用上述七步措施，能顺利完成基础加固处理。

5 结论与建议

(1)对于掏挖基础，砼强度不足易导致基础底板Y-Y截面上拔及下压抗剪切承载力不足，同时易导致地脚螺栓锚固不足。

(2)本处理方法在基础砼强度等级不足的输电线路铁塔带电原位加固方面具有功能可靠，施工安全方便，工期短的优势，新老地脚螺栓辅助锚固连接装置已申请专利。

(3)基础下压裕度大，加固过程中可作为塔腿的下压支撑。

(4)加固设计时，需重新对整个塔脚底板的靴板、底脚板等进行复核计算，确定适用范围。

(5)新增塔脚底板建议在原塔厂进行放样加工，放样时考虑焊接坡口的处理及预留焊接间隙。

(6)新增地脚螺栓埋设时可利用新增塔脚底板作为定位板，从而保证施工过程中，地脚螺栓与底脚板的匹配。

(7)建议各构件在塔厂进行镀锌，现场焊接时进行局部处理，焊接完毕后再喷防锈漆，利用保护帽进行封闭防锈。

(8)本处理方式焊接是关键，除焊接方式应以本文提出的流程和方式外，尚应在施工前制定详细的焊接施工流程和质量控制措施，并加强现场监督。

本加固方案可将每基铁塔加固周期缩短为15天，每基基础费用控制在5万元左右，经济效益明显。该基铁塔经过本方案处理，已经安全运营了两年，其中经历了两次雨季和旱季的交替以及一次地震作用，均完好无损，加固效果显著。

[1]GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].

[2]DL/T 5219-2005，架空送电线路基础设计技术规定[S].

[3]历伟.某通讯铁塔基础事故处理[J].电力学报，2000，15(3).

[4]输电线路设计手册，(第二版).北京：中国电力出版社.

[5]JGJ81-2002，建筑钢结构焊接技术规程[S].

[6]JGJ99-98，高层民用建筑钢结构技术规程[S].