八地脚螺栓刚性塔座板的承载力

白强+杨景胜+郭念+李正良

摘要：随着中国电网技术的发展，杆塔负荷越来越大，八地脚螺栓塔座板应用越趋普遍。但现有计算理论与实际情况不符，为了使八地脚螺栓塔座板的计算方法合理、可靠，通过试验对八地脚螺栓刚性塔座板承载力进行了研究，同时借助有限元对构件进行了参数化分析。结合经典力学理论、试验及有限元数据，提出了全新的计算方法，引入了等效计算宽度和有效力臂的概念，充分考虑了底板刚度，屈曲后强度和垫板对承载力的影响，对工程设计具有指导意义。

关键词：八地脚螺栓； 刚性塔座板；等效计算宽度；等效计算力臂；有限元；承载力

中图分类号：TU391文献标志码：A文章编号：16744764（2017）03009908

Abstract：With the Chinese power grid technology developed rapidly and the load applied on tower is going larger and larger， the tower base plate with eight anchor bolts has been used more commonly. Whilst the calculate theory is not comply with the actual condition. In order to make the calculate method more reasonable and reliable ， The bearing capacity of Rigid tower base plate with eight anchor bolts is investigated through experiment and analytical parametric study was conducted to investigate the tower base plate by finite element method. Based on the result of experiment and finite element as well as classical mechanics theory， a new formula has been proposed which include the Equivalent calculating width and Equivalent calculating arm of force. This formula considered plate stiffness， postbuckling strength and subplate which influence the bearing capacity of tower base plate in this formula， thus the proposal formula is reasonable and effective， It is helpful in project design.

Keywords： Rigid tower base plate with eight anchor bolts； equivalent calculating width； equivalent calculating arm of force； finite element method； bearing capacity.

随着国家大力推进能源结构的调整，鼓励跨区输电项目，发展远距离大容量输电技术，优化资源配置，特高压输电工程得到迅猛发展。同时，为了节约土地资源，很多线路采用多回路共杆的送电模式。特高压和同塔多回路输电线路铁塔的基础作用力比普通线路铁塔增大较多，工程中常见的四地脚螺栓塔座板已经不能满足上述线路工程的需要，在工程中更多的使用了八地脚螺栓塔座板型式[12]。

由于国外输电线路大多采用插入式角钢，八地脚螺栓塔座板在国外工程中很少应用，因此在国外相关文献中未对八地脚螺栓塔座板进行论述。部分中国学者和行业标准对八地脚螺栓塔座板进行了探讨和规定。翁兰溪等[3]研究了八地脚螺栓塔座板加劲肋对底板承载力的影响，在四地脚螺栓塔座板的计算公式上进行了系数修正[4]；《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 5154—2012）（以下简称“技术规定”）[5]规定了八地脚螺栓塔座板计算公式。上述研究成果和计算规定尚存在如下亟待解决的问题：1）现有文献均未考虑底板刚度的影响，塔座板承载力只与座板厚度和材料强度有关，而与区格（相邻加劲肋或靴板之间的区域）大小无关，这是明显不合理的；2） 《技术规定》中的算法1（按照三边固定一边自由计算），假定塔座板均匀受力，然而塔座板在塔腿上拔情况下受到螺栓传递的集中拉力，与均布受力有明显的差异。因此，八地脚螺栓塔座板受拉时承载力计算假定与实际情况不符。文中根據试验和有限元分析，对八地脚螺栓刚性塔座板的承载力进行了分析和研究，系统提出了全新的建议计算公式。

1八地脚螺栓刚性塔座板定义

八地脚螺栓刚性塔座板主要特征包括两点：1）塔座板带有八颗地脚螺栓；2）在每颗地脚螺栓的三个边均设置有加劲板或靴板。八地脚螺栓刚性塔座板的构造如图1所示，此类塔座板的优点是刚度大，受上拔力时，变形较小；缺点是构造复杂，焊缝较多，且对于较短腿和大坡度铁塔需注意主材和加劲板相碰的问题。此类塔座板在实际工程中得到了广泛应用。

2试验过程

2.1试验试件及加载装置

为了研究塔座板底板厚度和区格宽度对承载力的影响，选取6组（每组3个试件）不同规格的试件进行试验研究，试验试件列表如表1所示。试验采用重庆大学结构试验室的2 000 T压力试验机给塔座底板分级施加拉力，加载装置如图2所示。

2.2加载方案

该试验为单调加载静力试验，先预加载后分级加载。预加载大小取理论极限荷载的10%。试验前25级荷载，每级加载量为理论极限荷载的2%，每级加载稳定1 min后記录相应荷载的应变；之后每级加载量为理论极限荷载的1%，每级加载稳定1 min后记录相应荷载的应变，达到理论极限荷载85%；以后按照每级加载10 kN，直至加载时出现试件中点位移和应变片应变急剧增大、无法稳定或自动卸荷的情况时停止加载。

2.3应变片和位移计布置

八地脚螺栓刚性塔座板底板应变片布置如图3所示。底板整体及局部变形用位移计来量测挠度，位移计布置见图4。

2.4材性试验

试验构件的材质采用Q345B钢材，钢材名义屈服强度为345 MPa。拉伸试样来自制作试件的母材，每根母材制作1个拉伸试样进行材性试验。试件尺寸和试验过程按《金属材料室温拉伸试验方法》（GB/T 228—2002）执行，试验设备为INSTRON 1342动静态材料试验机。每个板材对应的母材编号见表2，试验结果见表3。

3试验结果

根据每组3个试件的试验结果确定构件试验承载力的原则如下：当3个试件中存在偏差较大的数据时，应予以剔除，对有效数据取平均值。

从破坏时的挠曲变形观察可知，当区格宽度较大时，底板挠曲变形较大，如图5（b）～5（c）所示；当区格宽度较小时，底板变形不明显，如图5（a），5（d）所示。

由试验构件的应变荷载曲线图（图6）可知，八地脚螺栓刚性塔座板底板的应力呈非均匀分布，主要分布在螺栓孔和加劲板或靴板附近。座板中心位移荷载曲线见图7。

试件的破坏不是突然性的脆性破坏，随荷载的增加，塔座板变形越来越大，最终塔座板被明显拉弯或破裂，此时的荷载在工程运用中不能作为塔座板承载力。

意大利SAE公司曾做过力学试验验证（详见文献[4]），在设计荷载下，底板的变形小于1.0 mm，在极限荷载下，底板变形小于1.5 mm。通过本次的真型试验可知，当中心位移达到1.5 mm时，绝大部分试件还处于线弹性状态，少部分试件进入屈服平台阶段（图7）。塔座板是连接基础和铁塔的重要部件，是整个铁塔乃至线路安全的保障，为了使塔座板材料处于线弹性阶段，结合文献[4]和试验数据，确定塔座板的中心位移破坏限值为1.5 mm。

初步规定本次试验的承载力确定方法：取板中心挠度与承载力关系曲线中两切线的交点所对应的荷载值作为其试验承载力，当无明显的屈服平台或当两切线的交点所对应的板中心挠度大于或等于1.5 mm时，试验承载力取1.5 mm所对应的荷载值。试验承载力同《技术规定》（2012）的比较如表4所示。

由表4可知，算法1的《技术规定》计算值部分构件高于试验值，因此算法1的计算结果偏于不安全。算法2的计算值普遍远低于试验值，因此算法2相对保守。

4有限元分析

4.1有限元模型和材料本构关系

为了更加全面的反映八地脚螺栓刚性塔座板受拉情况下的应力分布情况，采用有限元软件进行数值模拟。有限元模型见图8，构件单元采用SHELL 181壳单元，材料特性采用多线性随动强化模型，屈服强度和抗拉极限与材性试验值相同。

4.2有限元分析结果

有限元计算结果显示，底板应力主要分布在靴板或加劲板以及螺孔附近，这与试验所得结果比较吻合，如图9所示。试验及有限元分析的荷载位移曲线和荷载应变曲线对比如图10和图11所示，二者吻合较好，充分证明有限元模拟结果的正确性。按照此方法对所有试验构件进行有限元模拟，并将模拟结果汇总如表5所示。

4.3有限元参数化分析

为了研究底板厚度和区格宽度对承载力的影响，进行了参数化分析，分析结果如图12和13所示。

由图12可知，加劲板高度相同时，塔座板承载力总体上随着S的增大而减小。以加劲板高度h=200 mm、加劲板厚度tj=8 mm、底板厚度t=20 mm的构件为例，S=120 mm较S=160 mm，承载力共提高了60%，可见S对承载力的影响较大。值得注意的是S=120 mm时刚性塔座板的承载力比S=80 mm时要大，可见区格宽度过小时，由于螺孔所占比例太大，反而会不利于塔座板材料强度的发挥，从而降低了承载力。

由图13可知，对于h=100 mm，S分别为80、120、160 mm时，底板厚度t从20 mm增加到32 mm，塔座板承载力分别增大55.7%，581%，1336%。对于h=200 mm，S分别为80、120、160 mm时，底板厚度t从20 mm增加到32 mm，塔座板承载力分别增大14.8%，8.5%，98.6%。可以看出，当S（R）较大时，底板厚度对承载力影响也较大。

5八地脚螺栓刚性塔座板底板厚度建

议计算方法通过试验和有限元分析可知，八地脚螺栓刚性塔座板有强度控制和位移控制两种破坏模式，而且区隔宽度与板厚比值S/t是决定破坏模式的主要因素，实际工程为了节约材料，通常采取强度控制的设计原则。通过对不同S/t情况下八地脚螺栓刚性塔座板进行受拉承载力分析，结果汇总如表6所示，从表中可以看出，当S/t<5时，极限荷载下的底板最大位移不超过1.5 mm，承载力由强度控制。因此本文提出八地脚螺栓刚性塔座板的区格构造要求，即S/t<5，保证八地脚螺栓刚性塔座板的破坏模式为强度控制。

结合理论、试验和有限元分析可知，随着板宽逐渐增大，塔座板达到极限承载力时，最大应力为极限应力fu，但在区隔几何宽度内应力并非均匀布满，故提出了对应于极限应力fu的等效计算宽度Di的概念，定义Di如Di=6γS（1）式中：γ为宽度折减系数；S为螺孔中心到邻近靴板的垂距。

根据有限元计算结果，可推导出具体的折减系数为

）根据经典力学理论可推导出八地脚螺栓刚性塔座板受拉承载力计算公式如下[12]t=6Mu1fuDi（3）式中：T为底板上作用的单个螺栓拉力，单位N；Di为第i个区隔等效计算宽度，为三边等效计算宽度总和，mm；Mu=Pu·L=T·L，L为计算弯矩的力臂，mm；

根据相关文献[1415]和材性试验结果可知：fu1f>1.5其中fu为钢材极限强度；f为钢材设计值；考虑材料的离散性，取fu=λf，式中λ为：t≤16 mm时，λ=1.4；16 mm50 mm时，λ=1.7。

塔座板与螺杆连接时通常采用垫板。在外荷载作用下，垫板对区隔边界处所产生的弯矩会有直接的影响。根据有限元结果可以积分得到Mu，根据L=Mu1Pu=Mu1T可以计算出8地螺刚性塔座板的单个螺栓的计算力臂L。假定地脚螺栓中心至最近靴板的垂直距离用 表示。将计算得到的L与的关系曲线绘制如图14所示，即为计算力臂和几何力臂的对应关系。从图14中可以看出：L与Yi近似线性关系，从设计安全角度考虑，采用包络法取L=0.7Yi。

综上，可得出八地脚螺栓刚性塔座板计算公式为

6各计算方法对比

采用本文提出的八地脚螺栓刚性塔座板建议计算公式对试验塔座板试件进行计算，并将各种方法计算结果比较如图15所示。

由图15可知， 通过比较发现《技术规定》（2012）算法1（Pa1）的计算结果远大于试验值（Pt2）或者有限元值（Pu），主要原因在于其采用与受压计算一样的假定，即底板应力均匀分布的三边支承理论，导致承载力计算值比实际情况要高很多，按此设计偏于危险；而《技术规定》算法2（Pa2）的计算结果远小于试验值或者有限元值，主要原因在于其未考虑板屈曲后强度和求解弯矩时力臂的折减，导致承载力计算值比实际情况低很多，这两种算法均不可取；建议公式与试验值（Pt2）或者有限元值（Pu）最为接近，并且略小于试验值，说明本建议公式安全、经济，并且建议计算公式考虑了板的后屈曲强度和区隔宽度对受拉承载力的影响，所提出的等效计算宽度和计算力臂物理意义较明确。

7结论

通过对八地脚螺栓刚性塔座板进行受拉承载力试验和有限元模拟，分析了塔座板的破坏机理和破坏模式，得出塔座板各主要参数对其抗拉承载力的影响，并且结合经典力学理论提出了一种全新的八地脚螺栓刚性塔座板抗拉承载力计公式。

1）八地脚螺栓刚性塔座板受拉时，底板应力呈非均匀分布，主要分布在螺栓孔和加劲板或靴板附近。

2）当S/t<5时，极限荷载下的底板最大位移不超过1.5mm，承载力由强度控制，此时承载力基本上随着S的增大而减小。

3）底板厚度对塔座板承载力影响也较大，厚度越大，承载力越高，当S较大时，底板厚度对承载力影响更为明显。

4）全新的八地脚螺栓刚性塔座板抗拉承载力计公式考虑了板的后屈曲强度和区隔几何尺寸对其承载力的影响，通过与《技术规定》所述方法比较，本公式计算值与试验值或者有限元值更为接近，并且略小于试验值，具有极强的安全经济性。

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（编辑胡玲）