输电塔偏心板式基础的应用

黄春玲，杨 明，周传涛，程志恒，陆志刚

(1.青海省电力设计院，青海 西宁 810008；2.国网山东省电力公司建设公司，山东 济南 250001；3.山东送变电工程有限公司，山东 济南 250118；4.国网山东省电力公司梁山县供电公司，山东 济宁 272600)

0 引言

输电线路杆塔基础是输电线路结构的重要组成部分，它将上部结构的各种荷载传递给地基，实现输电线路安全运行的目标。输电线路杆塔基础的造价、工期及劳动消耗量在整个线路工程中占有较大的比重，根据相关资料统计，基础造价约占整个工程的15%～35%，基础施工工期约占整个工程工期的50%，基础材料运输量约占整个工程的60%，杆塔基础型式选择恰当与否将关系到整个线路的安全性能及经济性能等。因此杆塔基础在选型、设计及施工时应贯彻国家基本建设方针及技术经济相关政策，坚持“因地制宜、技术先进、安全可靠、方便施工、注重环保、节省投资”的原则，综合考虑整个线路工程的各方面因素，选择合适的杆塔基础，使线路工程达到最优化的目标。

1 输电线路基础选型

架空输电线路杆塔基础型式应根据杆塔型式、沿线地形、工程地质、水文以及施工、运输条件等进行综合考虑确定。目前，架空输电线路杆塔常用的基础型式主要有原状土基础和大开挖回填基础两大类，两大类基础中又根据施工方式的不同衍生出多种基础型式，如直柱掏挖基础、直柱扩展基础、斜柱扩展基础、灌注桩基础、锚杆基础等。

输电线路杆塔受力较为复杂，在有限元分析中一般将“导线—杆塔—基础—地基”作为一个整体建立有限元模型进行数值分析，有限元模型能比较真实地反映整个体系的相互作用关系，在工程设计计算中，一般将地面以上部分的受力简化为水平力及竖向力作用于基础之上，基础再将作用力传递与地基，在这个传力过程中，基础起到了中间介质的作用。

基础作为由上而下的传力通道，它本身需要有一定的强度及外部尺寸，从经济角度出发，工程设计中采取多种措施优化杆塔基础。例如，为了减小作用于板式基础顶面的水平力效应，杆塔基础设计中可采取偏心板式基础以减小水平力的影响，如图1所示，包括普通斜柱基础、斜柱斜顶基础、直柱地螺偏心基础及直柱立柱偏心基础等。

图1 偏心板式基础

上述几种基础型式皆能有效降低水平力影响，鉴于工程实践及综合考虑多种因素，工程中多采取直柱地脚螺栓偏心基础，例如运行中的±800 kV云广直流输电线路，在建的±800 kV山西晋北—江苏南京特高压直流输电工程线路。

2 偏心基础有限元分析

2.1 有限元模型

利用ABQUS有限元软件，建立某工程直线塔基础三维有限元数值仿真模型，基础形式见图2，杆塔基础及地基均采用六面体单元C3D8r进行有限元网格划分，详见图3。

图2 板式基础

图3 基础及地基六面体单元

模型计算范围：自基础主柱中心向前后左右各取50m的范围，模型竖向尺寸为50m。

模型边界条件：模型顶部为自由面，四周及底面为法向约束。

模型应力场：模型初始应力场为自重应力场。

2.2 有限元分析结果及解析

有限元分析过程中模型为线弹性模型，有限分析结果显示地应力场比较均匀，图4为初应力场平衡后地基应力分布云图，图5为初应力场平衡后地基位移分布图。

图4 地基应力分布云图

图5 地基位移分布

在建立有限元模型过程中，地脚螺栓采用不同的偏心距布置于基础主柱之上，而后对地脚螺栓不同偏心距模型进行有限元数值模拟分析，结果显示：地脚螺栓于基础主柱顶面的偏心距离由0m增加到某一数值时，地基最大位移均出现于远离偏心点的一端，此时作用于基础主柱顶面的水平荷载起到控制基础经济指标的作用；当偏心值超过某值后，地基最大位移出现在地脚螺栓偏心侧，此时地基变形由基础自重和竖向外荷载控制。上述变化趋势如图6所示。

图6 基础底板远端和近端位移随偏心率变化趋势

有限元数值模拟分析结果亦显示，基础底板角点应力变化趋势与地基变化趋势相同，此变化过程如图7所示。

由上述分析结果可知，当地脚螺栓偏心率1/8～1/6这个范围之内时地基及基础底板远端与近端位移比较接近，受力及变形较为均匀，输电杆塔基础经济效果较好。

图7 基础底板压应力变化曲线

2.3 有限元分析结果应用

某±800 kV直流输电线路工程基杆塔地质条件如表1所示，基础作用力如表2所示。本塔位拟采用板式直柱基础，如图8所示。

图8 板式直柱基础

表1 工程地质条件

经计算得出的普通直柱板式基础的工程量如表3、表4所示。

表2 基础作用力 kN

表3 普通直柱板式基础工程量

表4 地脚螺栓偏心直柱板式基础工程量

对比表3与表4中钢筋与混凝土工程量可知，地脚螺栓偏心直柱板式基础钢筋量较普通直柱板式基础钢筋量减少约20.82%，混凝土减少约18.98%。

3 结语

输电线路杆塔基础是输电线路结构工程中的重要组成部分，其造价将影响到工程的综合经济指标，为使整个输电线路工程的综合经济指标达到最佳效果，在工程设计中应选择合适的基础型式。

建立了地脚螺栓偏心板式基础的有限元模型，并对其进行数值模拟分析，分析结果显示，地脚螺栓偏心基础有效改善基础主柱的受弯状态，降低基础主柱及基础底板最大弯矩，改善基础受力性能，减小基础主柱及底板截面尺寸。地脚螺栓偏心板式基础在工程中有着较为广泛的应用，工程经济效果较佳，减少基础方量，从而降低基础工程的综合造价，工程资料显示地脚螺栓偏心基础可降低工程造价20%左右。鉴于上述地脚螺栓偏心板式基础有限元分析结果及其在实际工程中的应用效果，此类基础可于适合的工程中广泛应用。