输电杆塔斜插基础地基变形模拟研究

王英浩，何亚雄

（内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古包头 014000）

0 引言

随着中国经济的快速发展，架空输电线路的年投资正逐步增加。杆塔基础是输电线路结构中重要的组成部分，它的造价、劳动消耗等在整个工程投资中占很大比重[1-3]。杆塔基础的设计、荷载、地形和地质的情况直接影响地基变形及其稳定性[4]。地基变形分析往往是项目成败的关键。如果对地基变形的估算不足，则会造成工程结构裂缝和倾倒等重大工程事故，造成巨大的经济损失[5，7]。杆塔基础除承受压外，还承受着较大的水平荷载。斜插式电力杆塔基础作为一种新型基础，通过调节立柱的倾斜角度，使其受力合理，在输电线路设计中得到了广泛的应用。然而，这种基础的设计理论不够完善，经验还不成熟，可以借鉴的资料很少，本文通过对直柱板式基础和斜插基础进行地基变形模拟分析及对比，希望能够为斜插基础的设计提供一定依据。

1 输电杆塔基础受力分析

杆塔基础相对于传统基础，受力有很明显不同。输电杆塔的基础在受到竖向荷载的同时，也承受导线、地线等产生的水平荷载。因此对竖向荷载与水平荷载共同作用下的地基变形计算具有现实意义。根据我国现有的《DL/T 5219-2014架空送电线路基础设计技术规程》[8]，上部杆塔的设计已经成熟合理，但是基础的设计尺寸较大，相比国外较为保守，所以基础工程的费用比国外要高出很多。传统建筑地基变形的计算分析，没有将地基水平荷载作为主要的影响因素，输电线路的杆塔作为一种特殊的建筑物，在设计、建造及施工中，应该充分地考虑这些因素的影响[9]。杆塔每个塔脚的基础承受上部杆塔传下来的压力、拔力、水平力[10]，见图1。图中A腿、B腿、C腿、D腿分别为杆塔四个塔腿所对应的四个基础；N为铁塔对基础产生的下压力；T为铁塔对基础产生的上拔力；Nx、Ny为x方向、y方向的水平力。

图1 杆塔基础受力示意图

2 斜插基础理论分析

在铁塔基础的设计中，斜插基础的立柱倾斜率是设计此类地基的主要技术指标之一，这与基础受力是否合理有关[11-12]。如图2，N为铁塔对基础产生的下压力；Nx、Ny为x方向、y方向的水平力；ex、ey为x方向、y方向的偏心距。确定立柱的倾角，使其倾角与外力方向一致，基础底部仅承受轴向荷载。

图2 斜插基础受力示意图

图3 直柱板式基础结构形式

图4 斜插基础结构形式

图5 地应力平衡应力及位移云图

3 工程实例模拟

该工程为500kV线路工程，全部位于内蒙古牙克石市，线路全长57km，杆塔125基，其中掏挖基础77基，开挖基础41基，灌注桩基础7基。同塔双回路架设，导线采用4×JL/G1A-400/35钢芯铝绞线，线路总体呈西北-东南走向。沿线地形以丘陵和山地为主，部分基础位于山间河谷。该工程在线路的基础设计中部分采用直柱板式基础，现在通过一个模型模拟来比较斜插式基础的设计要求。由于设计理论的不完善，该新型基础的稳定性是否满足实际需要还存在一定的疑问。因此，根据工程资料，选取其中1基转角杆塔的基础建模进行分析，对模拟的结果进行对比。两种基础的具体结构形式见图3、图4。地基土力学参数见表1，并应用ABAQUS建立三维数值模型。

基础所受荷载（转角塔基础）：基础所受下压力为1134kN；水平力为155kN。假设基础自身强度满足要求，基础不会被损坏。

表1 地基土岩土力学参数

根据所给参数，建立有限元模型，并且达到地应力平衡，地应力平衡的应力和位移云见图5。从图5中可以看到地应力平衡后，产生了初始应力，总体来说，它符合模拟研究的前提，也就是说，它能反映地基在扰动前的实际情况。

图6是直立板式基础受到荷载之后的位移云图及位移表，可以看出，基础底面产生了一定不均匀沉降，最大沉降值达到13mm，基础底面中心沉降值为12mm，距离基础底面越远的地方，地基变形越小，符合地基变形的特征。

3.2 斜插基础模拟

图7是斜插基础受到荷载之后的位移云图及位移表，可以看出，基础底面产生的沉降比较均匀，最大沉降值为11mm，距离基础底面越远的地方，地基变形越小，符合地基变形的特征。

图6 直立板式基础最终位移云图及位移表

图7 斜插基础最终位移云图及位移表

4 结语

通过对两种基础的模拟研究，得出以下结论：

1）斜插基础的地基变形比直柱板式基础地基均匀，因为斜插基础竖向荷载偏离基础中心，能够与水平荷载产生的弯矩抵消。如果角度根据合力的方向设计，可以使基础立柱只受轴向力，有效地减少弯矩对基础底部的影响。这是在一般工况下，如果基础所受为极限工况，斜插式基础更能体现出地基变形的平衡性；

2）斜插基础的最大沉降量都为11mm，直柱板式基础底板中心的沉降量为12mm，斜插基础能够一定程度降低基础中心最终沉降量。相对于直柱板式基础，斜插基础受力更加合理，基础整体稳定性增强，斜插基础在今后的运用中会更加成熟，逐渐得到广泛应用。

通过本文的对比分析，希望能为广大输电线路杆塔基础设计人员在计算基础受力及地基变形方面提供有益的帮助。