基础位移作用下铁塔力学特性及设计方案研究

徐 博，杨景胜，白 强，胡 超

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

基础是输电杆塔的重要组成部分和主要受力部位。当基础发生位移时，即出现基础的倾斜、不均匀沉降、水平滑移等情况时，输电塔的根开和各塔腿之间的高差会发生变化，于是输电塔的塔身结构会产生附加应力，从而减小了输电塔塔身杆件的安全裕度，对输电塔及全线路的稳定运行造成严重威胁。

为了确定当基础发生位移时铁塔杆件内力的变化规律以及不同位移情况下的塔身最危险杆件位置，进而对发生基础位移之后的输电塔的安全性能进行评估，本文以某750 kV输电线路工程为背景，建立了铁塔安全评估模型，计算并分析了基础位移作用下输电塔的受力情况，给出了基础位移量和输电塔安全可靠性之间的关系，并针对不同基础位移作用下输电塔的受力特性，对基础位移作用下的输电塔设计方案提出建议，供设计人员参考。

1 铁塔安全评估模型

1.1 工程背景及有限元模型

本次选取的是某750 kV输电线路工程的酒杯塔ZB31101。该塔为直线塔，塔高44.4 m，呼高36 m，根开8.95 m，水平档距480 m，垂直档距600 m，最大设计风速30 m/s。塔身结构形式及基本尺寸见图1。

图1 ZB31101结构图

利用通用有限元软件ANSYS建立铁塔有限元模型，全塔采用beam188单元建模，考虑几何非线性，建好后的铁塔有限元模型见图2。

图2 ZB31101有限元模型

1.2 位移—轴力计算模型

在ZB31101有限元模型中，设位于塔腿底部的1660号节点为基础位移控制点，通过对1660号节点施加沿不同方向的支座位移，模拟输电塔在实际工程中发生基础滑移和沉降的情况。

当基础发生位移时，输电塔的塔身杆件由于变形会产生附加应力。为了更好的确定杆件附加应力与基础位移的关系，并比较基础位移对输电塔塔身不同部位杆件应力的影响，对输电塔有限元模型的杆件单元进行了编号并分类。

塔腿各杆件单元编号见图3。其中805、806、807、808号单元为塔腿主材单元，编为组Ⅰ，其余为塔腿斜材单元，编为组Ⅱ。

图3 塔腿杆件编号

塔腿与塔身之间的横隔面杆件单元编号见图4。521～536号单位是横隔面正侧面的主材单元，383～390号单元是横隔面的斜材单元。这两组杆件为横隔面上的主要受力杆件，分别编为组Ⅲ和组Ⅳ。其余杆件为横隔面上的辅助材，在输电塔正常工作以及发生基础位移时产生的内力都较小，编为组Ⅴ。

图4 横隔面杆件编号

塔腿横隔面上塔身节间的杆件单元编号见图5。797～804号单元为塔身节间主材单元，编为组Ⅵ，625～632号、669～676号单元为塔身节间斜材单元，编为组Ⅶ。

图5 塔身节间杆件编号

图2中，X－Y平面为塔腿基础所在的平面，当基础发生水平位移时，即在X－Y平面内沿X轴或Y轴产生位移；当基础发生沉降时，即沿Z轴产生竖向位移。

其中ui是塔腿基础第1660号节点沿i方向的位移，l为塔腿根开。引入无量纲参数Δli，是为了建立杆件内力与无量纲参数Δli即基础位移与根开比值的关系，使研究结果更具参考价值及普适性。

其中σt是输电塔沿i方向发生基础位移时的杆件平均拉应力，σc是输电塔沿i方向发生基础位移时的杆件平均压应力，f为钢材抗拉或抗压强度设计值，γt为两者之比。

当得出了各编组杆件在出现基础位移时的Δli－γt或Δli－γc曲线后，就可以根据基础位移的平均应力大小来判断各编组杆件的最大平均拉压应力，从而对输电塔的安全性进行合理评估。

2 计算结果分析

输电塔ZB31101根开l=8.95 m，分别取ui(i=x,y,z)为0.022375 m、0.04475 m、0.067125 m和0.0895 m，即令表示基础位移与根开比值的无量纲参数Δli(i=x,y,z)为0.25%、0.5%、0.75%和1%。

当基础位移控制点产生水平及竖向位移，即分别沿x,y,z方向产生位移，并使得Δli(i=x,y,z)等于0.25%、0.5%、0.75%和1%时，提取塔身各分组杆件的拉压极值，并计算杆件平均拉压应力极值与钢材抗拉或抗压强度设计值之比γt,γc，结果如下。

2.1 基础沿X轴方向位移

当基础沿X轴方向发生单向滑移时，塔腿基础位移与根开之比Δlx和各分组杆件拉应力最大值与钢材抗拉强度设计值之比γt的关系见图6。

图6 Δlx－γt关系图

由图6可知，杆件拉应力随着位移的增加而增加。组II塔腿斜材以及组IV横隔面斜材的平均拉应力远远大于其它编组的杆件拉应力。当位移达到塔腿根开的0.75%时，组II塔腿斜材的平均拉应力极值已经接近抗拉强度设计值的28%。当位移为塔腿根开1%时，平均拉应力极值可以到达抗拉强度设计值的38.31%。

当基础沿X轴方向发生单向滑移时，塔腿基础位移与根开之比Δlx和各分组杆件压应力最大值与钢材抗压强度设计值之比γc的关系见图7。

由图7可知，组II塔腿斜材以及组IV横隔面斜材的平均压应力依然大于其他编组的杆件。组II塔腿斜材、组I塔腿主材以及组VI塔身节间主材的Δlx－γc呈非线性，在基础位移增加的后期，会出现平均应力下降的情况。

2.2 基础沿Y轴方向位移

当基础沿Y轴方向发生单向滑移时，塔腿基础位移与根开之比Δly和各分组杆件拉应力最大值与钢材抗拉强度设计值之比γt的关系见图8。

图8 Δly－γt关系图

由图8可知，单向位移时塔腿及横隔面斜材平均应力较大，且在一定范围内呈线性变化。

当基础沿Y轴方向发生单向滑移时，塔腿基础位移与根开之比Δly和各分组杆件压应力最大值与钢材抗压强度设计值之比γc的关系见图9。

图9 Δly－γc关系图

由图9可知杆件平均拉应力随着基础位移的增加而增加。Y轴单向位移下，塔腿斜材依然是主要的受力杆件，当γt大于0.75%之后，塔腿斜材的平均应力增速下降。其余编组的Δlyγc呈线性关系。

2.3 基础沿Z轴方向位移

当基础沿Z轴方向发生单向滑移时，塔腿基础位移与根开之比Δlz和各分组杆件拉应力最大值与钢材抗拉强度设计值之比tγ的关系见图10。

图10 Δlz－γt关系图

由图10可知，Z轴单向位移情况下，杆件内力远远大于基础沿X轴和Y轴滑移的情况。当位移为塔腿根开1%时，塔腿斜材平均应力已达到抗拉设计强度的128.17%，实际情况中铁塔早已破坏。组II塔腿斜材依然是主要受力杆件，但与前面情况不同的是，组I塔腿主材及组VI塔身节间主材平均应力较大，是基础Z向滑移时的主要受力杆件。

当基础沿Z轴方向发生单向滑移时，塔腿基础位移与根开之比Δlz和各分组杆件压应力最大值与钢材抗压强度设计值之比cγ的关系见图11。

图11 Δlz－γc关系图

由图11可看出，杆件平均压应力随着基础沿Z向位移的增加而迅速增加，塔腿主材、塔腿斜材、塔身节间主材为主要受力杆件。

3 设计方案建议

3.1 容易发生基础位移塔位的杆塔设计建议

由上一节计算可以看出，基础位移会造成输电塔杆件附加应力的显著增加。为了减小基础位移对输电塔稳定性及安全性的影响，应对用于采空区或滩地等易出现基础位移情况地区的输电塔采取有针对性的设计。

当塔腿横隔面上节间布置交叉斜材，且基础沿X轴或Y轴方向发生单向位移时，塔腿及横隔面斜材是主要的受力部位。当基础沿Z轴方向发生位移时，塔腿主材、塔腿斜材以及塔身主材为主要受力部位。

在输电塔基础出现位移的实际情况中，位移一般都是沿三向发生的。所以建议在输电塔容易发生基础位移的地区，增大塔腿斜材、横隔面斜材的截面设计，并对塔腿主材以及塔身主材采取适当的加固措施。当塔腿横隔面上节间斜材布置方式有所变化，如呈倒K形布置时，铁塔杆件内力在基础位移作用下的变化规律会有所不同，需后续研究。

3.2 基础位移限值建议

《110～500 kV架空送电线路施工及验收规范》(GB 50233—2005)与《±800 kV以下直流架空输电线路工程施工及验收规程》(DL/T 5235—2010)均对基础施工时基础根开及对角线尺寸误差作出了规定：对于地脚螺栓式基础，基础根开及对角线尺寸偏差允许值为±2‰；对于主角钢插入式基础，基础根开及对角线尺寸偏差允许值为±1‰；对于高塔基础，基础根开及对角线尺寸偏差允许值为±0.7‰。结合本文研究结果，当基础根开偏差在2‰以内时，铁塔杆件附加应力与允许应力的比值γ可以控制在7%以内；当基础根开偏差在0.7‰以内时，铁塔杆件的附加应力几乎可以忽略。表明规范数值的设置较为合理。

4 结论

(1)基础位移会造成输电塔杆件附加应力的显著增加。

(2)在塔腿横隔面上节间斜材为交叉布置的情况下，若基础发生水平位移位移，则塔腿斜材以及横隔面斜材为主要受力杆件。组II塔腿斜材、组I塔腿主材以及组VI塔身节间主材的Δli－γc关系呈非线性。

(3)在塔腿横隔面上节间斜材为交叉布置的情况下，若基础发生竖向位移，则输电塔塔身附加应力急剧增加，远远大于同等位移大小下基础发生水平位移的情况。塔腿主材、斜材以及塔身主材为主要受力杆件。

(4)在塔腿横隔面上节间斜材为交叉布置的情况下，杆件最大平均拉应力与基础位移在一定范围内呈线性关系，并随着基础位移的增加而增加。杆件最大平均压应力与基础位移的关系曲线在Δli=0.25%～0.75%的范围内呈线性关系，在Δli=0.75%附近出现转折，表明此时最危险杆件出现了转移，输电塔受力形式出现变化。

(5)对采空区或邻近河滩等容易出现基础滑移地区的输电塔进行加固时，建议增大塔腿斜材、横隔面斜材的截面设计，并对塔腿主材以及塔身主材采取进行重点加固。

(6)结合《110～500 kV架空送电线路施工及验收规范》(GB 50233—2005)与《±800 kV以下直流架空输电线路工程施工及验收规程》(DL/T 5235—2010)，当基础根开偏差在2‰以内时，铁塔杆件附加应力与允许应力的比值γ可以控制在7%以内；当基础根开偏差在0.7‰以内时，铁塔杆件的附加应力几乎可以忽略。规范数值设置合理，在安全范围以内。

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