山区输电线路基础水平位移对铁塔和基础设计的影响

辜良雨，马海云，蒋 锐，陇源杰，付卫斌，张利如，王伸富

(1.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610056； 2. 云南电网有限责任公司建设分公司，云南 昆明 65005)

0 引言

山区输电线路塔位的地形特点是坡度大(局部可达45°以上)、地质条件好(上部覆盖层较薄，下部一般为强风化、中风化基岩)、环境敏感(施工不当易引发次生地质灾害且恢复困难)，综合考虑安全、经济和环保、水保等因素，设计主要采用的基础型式是挖孔桩基础。目前，大量研究主要集中在基础变形对铁塔受力特性的影响[1-4]，以及基础变形对基础施工工艺和设计方法的影响[5]等领域，缺乏系统性地研究基础变形对铁塔和基础设计的综合影响。规范[6-8]对基础的桩顶和地面处水平位移给出了一般性要求，并提供了地基比例系数m值的推荐取值范围，但是缺少针对山区输电线路基础特点的取值建议和处理措施。

本文结合某特高压直流线路工程的典型悬垂塔和耐张塔，基于数值分析研究了基础桩顶水平位移对上部铁塔结构受力的影响，综合分析了挖孔桩基础顶部和地面处水平位移限值对基础设计的影响，推荐了山区输电线路挖孔桩基础顶部和地面处的水平位移限值。

1 桩顶位移对铁塔受力的影响

JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[6]第5.7.2条规定，当桩的水平承载力由水平位移控制，且缺少单桩水平承载力试验资料时，可按下式估算桩的单桩水平承载力特征值：

式中，α为桩的水平变形系数；EI为桩身抗弯刚度；vx为桩顶水平位移系数；χ0a为桩顶允许水平位移，一般建议取6～10 mm。

对于采取了插入角钢或地脚螺栓连接的基础—铁塔体系来说，上述的桩顶水平位移基本等同于塔腿的水平位移。为了研究桩顶水平位移对输电塔结构受力和基础设计的影响，选取某特高压直流线路工程典型悬垂塔和耐张塔为研究对象，采用ANSYS软件进行有限元计算分析，主材采用beam189梁单元模型，斜材及辅助材采用link8杆单元模型，主材节点为刚接，其余节点为铰接。计算选取正常运行工况(设计大风无冰工况及设计覆冰10 m/s风工况)，考虑高低腿和几何非线性的的影响，钢材材料本构为理想弹塑性本构，数值模型如图1所示。

图1 数值模型

计算表明，塔腿及下部塔身主材为大风工况控制，塔腿及下部塔身斜材为覆冰工况控制。由于铁塔单侧两个塔腿同时同向发生水平位移对铁塔受力影响较小，位移达到150～200 mm时仍无杆件破坏，因此本次数值分析仅考虑基础桩顶分别发生单腿水平位移(向外)及对角水平位移(向外)对铁塔受力的影响。

1.1 桩顶位移对悬垂塔受力影响

铁塔单腿发生水平位移时，上部铁塔结构各部位杆件的应力比变化如图2所示。

图2 悬垂塔单腿水平位移时铁塔构件内力对比

图2表明，随着单腿桩顶水平位移增大，上部铁塔结构腿部主材和腿部斜材的内力变化较小，为逐渐减小趋势，腿部隔面轮廓材内力变化稍大，腿部隔面斜材的内力变化明显，几乎呈线性增长关系，即表明单腿水平变形对腿部隔面斜材的影响大。

铁塔对角的塔腿发生水平位移时(向外)，上部铁塔结构各部位杆件的应力比变化如图3所示。

图3 悬垂塔对角水平位移时铁塔构件内力对比

图3表明，铁塔对角的塔腿发生水平位移与单腿水平位移的影响相似，主要影响了腿部隔面斜材的受力，对铁塔腿部主材和腿部斜材的影响较小。

综上，悬垂塔塔腿水平方向的位移主要影响铁塔腿部隔面的受力，其中腿部隔面斜材的敏感度最高，分析表明，桩顶水平位移不应大于30 mm。在铁塔设计时，对易产生桩顶位移的塔型，应适当加大铁塔腿部隔面斜材的规格。

1.2 桩顶位移对耐张塔受力影响

同上，耐张塔塔腿发生单腿和对角的水平位移时，上部铁塔结构各部位杆件的应力比变化分别如图4和图5所示。

图4 耐张塔单腿水平位移时铁塔构件内力对比

图5 耐张塔对角水平位移时铁塔构件内力对比

与悬垂塔受力规律相似，耐张塔的塔腿发生水平位移时，对铁塔主斜材的受力影响较小，主斜材内力随着位移增大逐渐减小，但减小趋势不明显。对塔腿隔面斜材及上部塔身隔面斜材的内力影响最大，基本呈线性增大趋势。

从图1～图5分析可知，在相同的桩顶水平位移下，耐张塔的内力变化更大，即耐张塔对基础桩顶位移更为敏感，参数分析表明，其桩顶水平位移不应大于20 mm。因此在铁塔设计时，应对铁塔身部、腿部隔面材、腿部辅助材及连接进行适当的优化设计，适当加大隔面斜材的规格；悬垂塔基础桩顶位移对铁塔受力影响相对较小，建议桩顶位移限值可在桩基规范要求基础上适当提高。同时，建议在挖孔桩基础计算中，充分考虑铁塔和基础的协同受力。

2 地面处水平位移对基础设计的影响

输电线路基础受较大的水平力作用，桩基础在地面处的水平位移是影响基础设计的一个非常重要的因素。挖孔桩基础设计需确定基础地面处位移限值及对应的比例系数m值，以便在满足规程规范前提下达到基础设计的最优化，控制基础综合造价。JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[6]、JTG 3363—2019《公路桥涵地基与基础设计规范》[7]等现行规范对基础在地面处的水平位移都有一般性的规定，但是缺乏针对山区基础设计的推荐取值。

为了分析挖孔桩基础地面处水平位移对基础设计的影响，确定适合山区线路的地面水平位移限值及对应的比例系数m值，同样以某特高压直流线路工程典型悬垂塔和耐张塔为研究对象，在相同的基础作用力、地质条件下，以露头高度、基础地面处水平位移限值和对应的地基比例系数m值为变量进行参数分析如下。

3.2.3 CD4+细胞计数水平 CD4+细胞计数与体内病毒载量呈现负相关，CD4+细胞计数越低，病毒载量水平就越高，HIV传播风险也就越高。有研究发现CD4+计数为351～550个/μL者配偶HIV传播风险是＞550个/μL 组的 5.23倍（HR=5.23，95%CI：1.15～23.72）［25］，而CD4+计数≥350个/mm3相对＜200个/mm3者配偶传播风险仅为0.46（95%CI：0.27～0.81）［3］。

2.1 悬垂塔挖孔桩基础参数分析

根据上述规程规范相关要求，不同地质条件下的地基比例系数m取值范围对应有不同的地面处水平位移限值的取值范围。在考虑多参数不同的影响后，悬垂塔挖孔桩基础参数分析结果见表1所列。

表1 悬垂塔基础参数分析结果对比

由表1可知，对于悬垂塔，按照规范推荐基准的比例系数m值，地面处位移限值取3 mm时，仅露头高度1 m时挖孔桩基础地面处变形的理论计算值满足限值要求；而地面处位移限值取6 mm时，仅露头高度4m时挖孔桩基础地面处变形的理论计算值不满足限值要求。由此可见，随着比例系数m取值的加大，地面处的水平位移计算值相应减小，其适用的基础露头高度也明显加大。

2.2 耐张塔挖孔桩基础参数分析

同上，考虑多参数影响后，耐张塔挖孔桩基础参数分析结果见表2所列。

表2 耐张塔基础参数分析结果对比

由表2可知，对于耐张塔，按照规范推荐基准的比例系数m值取值范围，地面处位移限值取3 mm时，所有露头高度的挖孔桩基础地面处变形的理论计算值均不满足限值要求；地面处位移限值取6 mm时，露头高度1 m以上的挖孔桩基础地面处变形的理论计算值均不满足限值要求；地面处位移限值取10 mm时，仅露头高度4 m的挖孔桩基础地面处变形的理论计算值不满足限值要求。由此可见，随着比例系数m取值的加大，地面处的水平位移计算值同样相应减小，而基础露头高度也明显 加大。

综上，根据山区挖孔桩基础露头高度大的特点，结合本文前段关于桩顶(塔腿)水平位移对铁塔影响的计算分析结果，建议山区线路基础地面处的水平位移限值可以在规范推荐取值范围内，适当加大取为6 mm～10 mm，同时水平位移对应的地基比例系数m取值也可根据实际地质条件，在规范推荐取值范围内适当取高值，这样可以在确保安全性的前提下实现经济性最优。

3 桩顶及地面处水平位移对基础设计的综合影响分析

为了分析挖孔桩基础水平位移对基础计算的综合影响，确定合理的桩顶和地面处水平位移限值及对应的比例系数m值，仍以某特高压直流线路工程典型悬垂塔和耐张塔为研究对象，在相同的基础作用力、地质条件下，以基础露头高度、桩顶及地面处的水平位移限值和对应的比例系数m值为变量，对比分析DL/T 5219—2014《架空输电线路基础设计技术规程》[8](以下简称《线路规程》)和JTG 3363—2019《公路桥涵地基与基础设计规范》[7](以下简称《公路规范》)两种规范的差异，悬垂塔和耐张塔挖孔桩基础综合参数分析结果见表3和表4所列。

表3 悬垂塔基础综合参数分析结果对比

表4 耐张塔基础综合参数分析结果对比

由表3和表4对比分析可得到如下结论：

1)按线路规程计算，地面处水平位移限值取3 mm时，大部分水平位移计算值超限，均需加大桩径或埋深才能满足要求，而按公路规范计算，地面处水平位移限值取6 mm时，均无需加大桩径或埋深。

3)基础桩顶水平位移在不影响上部铁塔承载力的前提下按不小于20 mm控制，采用公路规范关于桩基础位移控制的计算规定选取比例系数m值，桩基础地面位移满足规范要求，具有较高的经济性。

4 结论

本文结合数值分析研究了输电线路基础桩顶水平位移对铁塔结构受力的影响，基于不同设计规范对比分析了基础桩顶和地面处水平位移限值对基础设计的综合影响。主要研究结论如下：

1)数值研究表明，桩顶水平位移对塔腿隔面斜材的受力影响最大，随着位移的增大，塔腿隔面斜材的内力呈线性增大趋势；桩顶水平位移对铁塔主材和斜材受力影响较小，随着位移的增大，铁塔主材和斜材的内力有少量减小；

2)铁塔设计时，应对塔腿隔面的布置进行优化，对塔腿隔面斜材的选材应适当加强，对耐张塔还应加强塔腿上部的塔身隔面斜材，以提高铁塔对桩顶水平位移的抗变形能力；

3)山区挖孔桩基础设计时，应考虑铁塔和基础的协同受力，对于位移限值建议同时考虑桩顶水平位移和地面处水平位移两个限值，即为双控；

4)基础桩顶水平位移限值应根据规范的公式进行测算并结合铁塔计算情况进行优化取值，尽量避免桩顶位移限值取值过小导致基础工程量增加过多；

5)桩基础地面处的水平位移限值可参照规范范围并优化取值，结合工程实际地质条件确定合适的比例系数m取值；

6)就一般山区线路工程而言，地面处的水平位移限值推荐采用6～10 mm，桩顶水平位移限值推荐采用20～25 mm，可以达到综合效益最优的目的。